Упрощенное масштабирование блокчейна: руководство по эффективным решениям уровня 1 и уровня 2

от

Самые главные криптоновости в Телеграм-канале CryptoMoon, присоединяйтесь!👇

Cryptomoon Telegram

Как опытный разработчик с многолетним опытом работы за плечами, я могу с уверенностью сказать, что понимание и внедрение решений масштабируемости — это не просто вариант, а необходимость для любого блокчейн-проекта, стремящегося процветать в этой быстро растущей экосистеме.

Замечательные достижения в области технологии блокчейн оказали существенное влияние на различные отрасли из-за ее децентрализованного характера. Тем не менее, постоянно возникает одна проблема — масштабируемость. Поскольку блокчейн расширяется с невероятной скоростью, подобно пылающему огню, растет и объем транзакций. Такой быстрый рост требует разработки эффективных и высокопроизводительных систем обработки транзакций. В отсутствие подходящих решений масштабирования такие сети, как Биткойн и Эфириум, могут столкнуться с низкой скоростью транзакций и непомерными комиссиями, что может затруднить внедрение и практическое использование.

Готовы масштабировать свои блокчейн-проекты? 

Что вы узнаете

  • Решения для масштабирования уровня 1 и уровня 2
  • Каналы состояний и сайдчейны
  • Шардинг
  • Оптимистические накопительные пакеты и zk-накопительные пакеты

1. Решения уровня 1 и уровня 2

Обзор:

Масштабирование на уровне 1. Решения на этом уровне направлены на улучшение фундаментальной структуры блокчейна для управления большими объемами транзакций. Путем изменения базовых протоколов эти решения направлены на повышение масштабируемости. Это может включать корректировку размеров блоков или внедрение новых механизмов консенсуса, а также использование таких методов, как сегментирование, для создания масштабируемых решений. Однако, хотя эти решения уровня 1 могут значительно улучшить обработку транзакций, их внедрение может оказаться дорогостоящим и сложным.

  • Пример: Ethereum 2.0: Ethereum изменил свой консенсус с Proof-of-Work на Proof-of-Stake, приняв масштабирование уровня 1. Перейдя на PoS, Ethereum снижает потребление энергии на 99,95 %, а также реализует шардинг, что значительно повышает пропускную способность транзакций.

Решения для масштабирования на уровне 2. Эти методы масштабирования направлены на перенос нагрузки транзакций с основного блокчейна на внешние системы, сохраняя при этом безопасность через базовый блокчейн (уровень 1). В отличие от изменения базового протокола блокчейна, эти методы повышают скорость и сокращают время отклика. Примечательно, что решения уровня 2 разрабатываются поверх существующей инфраструктуры блокчейна.

  • Знаете ли вы: сеть Lightning позволяет совершать транзакции биткойнов вне цепочки между двумя сторонами, а затем окончательный баланс может быть урегулирован позже в цепочке. Это обеспечивает низкую комиссию за транзакции, что делает их практичными для повседневных покупок.
# Псевдокод для открытия канала Lightning Network. on-chain    on_chain_lock(partner_address, Initial_balance)    return Channeldef update_balance(channel, sum):if Channel[‘is_open’]:channel[‘balance_self’] -= sumchannel[‘balance_partner’] += sum# Подписать транзакцию вне цепочкиsign_transaction( канал)    else:raise Exception(“Канал закрыт”)def close_channel(channel):    if Channel[‘is_open’]:channel[‘is_open’] = False# Расчет окончательного баланса on-chainon_chain_settle(channel[‘partner’], канал[‘balance_partner’])on_chain_settle(channel[‘self’], канал[‘balance_self’])    else:raise Exception(“Канал уже закрыт”)

Сравнение уровня 1 и уровня 2:

Техническая информация: 

Оптимизация уровня 1: 

Понятно, что улучшение уровня 1 существенно влияет на фундаментальную структуру системы блокчейн. Внесенные здесь улучшения направлены на изменение базового уровня конструкции блокчейна для повышения скорости, безопасности и общей эффективности. Вот некоторые важные улучшения на уровне 1:

  • Обновление механизма консенсуса. Сюда входит обновление существующего механизма консенсуса. Например, переход с PoW на PoS. При этом переходе увеличивается пропускная способность и эффективность, а также сохраняется безопасность. Также снижается вычислительная мощность, необходимая для майнинга в PoW.
  • Шардирование: Шардирование — это метод разделения блокчейна на более мелкие фрагменты, известные как шарды. Каждый осколок обрабатывается параллельно. Следовательно, этот метод значительно повышает пропускную способность, позволяя обрабатывать несколько транзакций одновременно.
Знаете ли вы: в Ethereum 2.0 реализовано сегментирование для улучшения масштабируемости, позволяя создавать до 64 параллельных цепочек?

Увеличение размера блока означает размещение большего количества транзакций в одном блоке, тем самым увеличивая скорость обработки транзакций в секунду — TPS. Однако потенциальным недостатком является то, что это может привести к централизации из-за потребности в большей вычислительной мощности.

Архитектура уровня 2: 

Двухуровневые решения основаны на одноуровневых решениях и ориентированы на перенос обработки транзакций из основной сети. Вместо изменения фундаментальной структуры эти решения повышают эффективность, облегчая нагрузку на уровень 1. Ключевые архитектуры для уровня 2 включают:

  • Каналы состояния: Проведение транзакций вне сети и определение окончательного состояния в сети.
  • Боковые цепи:  Независимые блокчейны, связанные с основной цепочкой посредством двусторонней привязки.
  • Объединения:  агрегирование транзакций вне цепочки и публикация сжатых данных в основную цепочку.

Подробно архитектуру уровня 2 мы рассмотрим позже в этой статье.

Соображения разработчика:

2. Государственные каналы и сайдчейны

Государственные каналы:

Используя каналы состояний, взаимодействующие стороны могут выполнять транзакции за пределами блокчейна, сохраняя при этом важные активы внутри него. Этот подход позволяет избежать необходимости напрямую добавлять каждую отдельную транзакцию в блокчейн. Вместо этого в цепочке постоянно фиксируется только окончательное состояние, что снижает комиссию за транзакцию и уменьшает сетевой трафик.

Raiden Network на Ethereum значительно сокращает транзакционные издержки и задержки, облегчая передачу токенов вне цепочки, что эффективно ускоряет операции.

Как это работает:

pragma Solidity ^0.8.0;contract StateChannel {mapping(адрес => uint256) публичные балансы;функция openChannel(uint256 sum) публичная кредиторская задолженность {balances[msg.sender] += сумма;  // Блокировка активов в цепочке    }function closeChannel(адрес участника, uint256 FinalBalance) public {balances[participant] = FinalBalance;  // Отправляем окончательное состояние    }}

В приведенном выше фрагменте:

  • Настройка канала позволяет участникам блокировать активы в смарт-контракте в сети.
  • Транзакции происходят вне цепочки, при этом каждое обновление состояния подписывается всеми сторонами.
  • Окончательное состояние передается в цепочку, и реестр обновляется.

Преимущества:

  • Экономичные транзакции
  • Почти мгновенная завершенность транзакций вне сети.

Компромисс: Государственные каналы требуют, чтобы обе стороны были онлайн во время взаимодействия.

Техническая архитектура:

Шаги: Настройка канала → Транзакции вне сети → Закрытие канала.

Примечания разработчика:

  • Разработайте надежный смарт-контракт для блокировки активов в цепочке.
  • Схемы криптографических подписей для проверки взаимодействия вне сети (например, ECDSA).
  • Оптимизации: Raiden Network (Ethereum) и Lightning Network (Bitcoin). Они предлагают протестированную инфраструктуру для проведения платежей вне сети и разрешения споров, что позволяет разработчикам сосредоточиться на уровне приложений.

Байдчейны:

Сайдчейн функционирует как собственный автономный блокчейн, работающий параллельно с основным. Он связан с основной цепочкой через двусторонний мост или привязку, что позволяет передавать активы и информацию между ними. Это соединение позволяет обрабатывать транзакции более гибко.

Пример: сеть Polygon–Matic. Ethereum использует сайдчейн – Polygon. Он периодически переключается между основной сетью и сетью Matic, обеспечивая более быстрые и дешевые транзакции.

Техническая информация:

Двустороннее связывание: активы изначально защищаются в основной сети, а затем зеркально отражаются во вторичной сети. Транзакции во вторичной сети регулярно сверяются и подтверждаются в первичной сети.

pragma Solidity ^0.8.0;contract TwoWayPeg {address publicsidechainOperator;mapping(address => uint256) public lockedBalances;constructor(address _sidechainOperator) {sidechainOperator = _sidechainOperator;}function lockFunds(uint256 sum) public {        require(amount > 0, «Сумма должна быть больше 0»);        lockedBalances[msg.sender] += сумма;        // Перевести средства в сайдчейн        // Генерировать событие для оператора сайдчейна для чеканки эквивалентных токенов    }function unlockFunds(address user, uint256 sum) public {require(msg.sender ==sidechainOperator, «Только оператор может разблокировать средства»);require(lockedBalances) [пользователь] >= сумма, «Недостаточный заблокированный баланс»);lockedBalances[пользователь] -= сумма;       к оплате(пользователь).перевод(сумма); }

Резюме: Каждый сайдчейн может установить свой собственный метод достижения соглашения (механизм консенсуса), который отделен от первичной цепочки, что обеспечивает большую адаптивность и скорость обработки транзакций.

Безопасность. Боковые цепи обладают отдельными гарантиями безопасности по сравнению с основной цепью, что может сделать их уязвимыми для определенных рисков в зависимости от их конструкции и конструкции.

Соображения по поводу разработки:

  • Для настройки и обслуживания сайдчейна используйте такие платформы, как Polygon SDK.
  • Двусторонняя привязка и ее взаимодействие с основной сетью уровня 1. Он обеспечивает атомарные свопы и безопасную связь между цепочками.
  • Для безопасной связи реализуйте протоколы безопасного и надежного взаимодействия, предотвращающие двойные расходы и сохраняющие целостность данных.

3. Шардинг

Проще говоря, шардинг — это метод, используемый для повышения масштабируемости системы блокчейна. Этот метод предполагает разделение основного блокчейна на более мелкие и более управляемые блоки, называемые «осколками». Каждый сегмент может независимо обрабатывать транзакции параллельно, выполняя часть общих операций сети. Такое разделение помогает увеличить общую пропускную способность и снизить нагрузку на всю сеть, делая ее более эффективной и быстрой.

Технические сведения:

  • Состав сегментов. Каждый сегмент содержит свои собственные данные и историю транзакций и способен обрабатывать свои транзакции независимо.
  • Межсегментная связь: Должны быть реализованы механизмы для взаимодействия и обеспечения синхронизации общего состояния блокчейна. Транзакции между сегментами усложняют передачу сообщений и достоверность состояний.
  • Распределение валидаторов. Валидаторы назначаются разным сегментам для обработки транзакций и обеспечения безопасности. Вращение осколков предотвращает сговор.
import hashlibdef Assign_shard(transaction, num_shards):    tx_hash = hashlib.sha256(transaction.encode).hexdigest    shard_id = int(tx_hash, 16) % num_shards    return shard_id
# Пример использования транзакции = «Пользователь A отправляет 10 ETH пользователю B»shard_id = Assign_shard(transaction, 64)print(f»Транзакция назначена шарду {shard_id}»)

В предоставленном коде каждая транзакция распределяется по определенному сегменту с использованием его хеш-значения, что гарантирует случайное и сбалансированное распределение.

4. Подборки: оптимистичные и ZK-подборки

Проще говоря, накопительные пакеты служат вторичными уровнями для повышения масштабируемости в системах блокчейна. Они группируют многочисленные транзакции вместе вдали от основной сети, сжимая данные или используя криптографические доказательства, прежде чем отправить их обратно в первичную цепочку. Этот метод значительно уменьшает количество транзакций в цепочке без ущерба для безопасности, обеспечиваемой уровнем 1.

У роллапов есть две основные разновидности, давайте посмотрим на это!

Оптимистичные сводные данные:

В Optimistic Rollups предполагается, что все сделки вне сети с самого начала являются законными. Если есть подозрения в отношении сделки, предусмотрен период оспаривания, в течение которого участники могут представить доказательства (доказательства мошенничества) для оспорения недействительных сделок. С помощью Optimistic Rollups несколько транзакций собираются в автономном режиме, а затем сжатые данные загружаются онлайн. В течение этого установленного периода времени могут быть представлены доказательства мошенничества, и после завершения периода оспаривания сделки считаются окончательными.

*Окно рассмотрения:* Срок, в течение которого любая участвующая сторона может представить доказательства потенциального мошенничества в отношении транзакции, если она сочтет транзакцию сомнительной или недействительной.

Механизм: агрегирование транзакций → Публикация данных → Период спора → Завершение

pragma Solidity ^0.8.0;contract OptimisticRollup {    struct Transaction {        адрес отправителя;        адресный приемник;        сумма uint256;        байтовая подпись;    } Транзакция[] публичные транзакции;    uint256 public ChallengePeriod = 7 дней;    function submitBatch(Transaction[] Memory txBatch) public {// Проверить и сохранить пакет транзакции for(uint i = 0; i < txBatch.length; i++) {transactions.push(txBatch[i]);// Выдать событие для on- доступность данных цепочки }}function ChallengeTransaction(uint256 txIndex, bytes Memory FraudProof) public { // Проверка доказательства мошенничества по представленной транзакции        require(validateFraudProof(txIndex, FraudProof), “Invalid Fraud Proof”);// Отменить транзакцию или наказать злоумышленника }function FinalizeTransactions public {// Завершение транзакций после периода проверки } function validateFraudProof(uint256 txIndex, bytes Memory FraudProof) возвращает внутреннее представление (bool) {// Реализовать логику проверки доказательства мошенничестваreturn true; // Заполнитель }

В данном сегменте кода функция submitBatch объединяет многочисленные транзакции перед отправкой их в блокчейн для проверки. Между тем, функция «challengeTransaction» позволяет участникам представить свои доказательства потенциальных мошеннических действий в течение указанного периода времени.

Функция FinalizeTransactions завершает транзакции.

Акт балансирования. Оптимистические накопительные пакеты позволяют снизить затраты, но они приводят к задержке завершения транзакций из-за периода споров, что приводит к небольшой задержке в достижении уверенности в транзакции.

zk-Подборки:

Объединения с нулевым разглашением, также известные как zk-Rollup, работают путем создания криптографических проверок (zk-SNARK или zk-STARK), которые подтверждают транзакции вне цепочки до их публикации в цепочке. В отличие от оптимистичных накопительных пакетов, zk-Rollups устраняет необходимость в периоде спора, поскольку эти доказательства гарантируют подлинность транзакции.

Завершенность транзакции: транзакции, обработанные через zk-Rollups, становятся необратимыми, как только их подтверждение будет подтверждено в основной цепочке блоков.

Технический стек:

  • Генерация и проверка доказательств с нулевым разглашением (zk-SNARK, zk-STARK).
  • Разработка схем zk-Rollup для обработки различных типов транзакций
pragma Solidity ^0.8.0;import «openzeppelin-solidity/contracts/math/SafeMath.sol»;contract ZKRollup {    с использованием SafeMath для uint256;struct Proof {        bytes32proofData;        ввод uint256;    }event ProofVerified (индексированный адрес пользователя, количество uint256); функция submitProof (доказательство памяти) public {require(verifyProof(proof), «Недействительное доказательство»); // Обновляем баланс или состояние пользователя на основе доказательства. ProofVerified(msg.sender,proof.input); }функцияverifyProof(Proofmemoryproof) внутренний чистый возврат (bool) {//Реализовать логику проверки zk-SNARKreturn true; // Заполнитель }}

zkSync — это примечательная реализация технологии ZK-Rollup, в первую очередь разработанная для Ethereum, с упором на повышение масштабируемости и безопасности за счет использования доказательств с нулевым разглашением.

Нацеленность на развитие:

  • Оптимизируйте доказательства объединения для повышения эффективности и масштабируемости.
  • Поймите компромиссы: zk-Rollups обеспечивает более быструю завершенность, тогда как Optimistic Rollups имеет более простую реализацию, но требует периодов проверки.
  • Случаи использования: децентрализованные приложения с высокой пропускной способностью, децентрализованные финансы (DeFi) и приложения, ориентированные на конфиденциальность.

Как выбрать правильное решение для масштабирования?

Заключение

Масштабируемость является неизбежным фактором дальнейшего развития технологии блокчейн. Понимая и внедряя решения масштабирования уровня 1 и уровня 2, разработчики могут значительно повысить производительность, эффективность и удобство использования блокчейн-сетей. По мере развития экосистемы блокчейна, информированность и знание этих стратегий масштабирования позволит разработчикам создавать надежные, высокопроизводительные децентрализованные приложения.

Приятного программирования и продолжайте учиться!!

Смотрите также

2024-11-01 09:24