Как будет происходить масштабирование сети Ethereum? Решения второго уровня

На фоне стремительного роста сегмента децентрализованных финансов () и хайпа вокруг NFT стоимость газа остается крайне высокой. Ethereum-экосистема становится все менее привлекательной среди розничных пользователей. Последние все чаще присматриваются к Binance Smart Chain (BSC), Huobi ECO Chain и другим более централизованным платформам с быстрыми транзакциями и небольшими комиссиями.

Апологеты Ethereum возлагают большие надежды на вторую версию платформы. Однако несмотря на успешный запуск нулевой фазы, до заветного шардинга и полноценной работы системы еще далеко.

К счастью, активно разрабатываются и внедряются решения второго уровня, способные значительно улучшить ситуацию с масштабированием Ethereum в кратко- и среднесрочной перспективах.

  • Существует широкий спектр решений второго уровня (L2) для масштабирования Ethereum. У каждого есть свои преимущества и недостатки.
  • убежден, что Rollups могут в сотни раз увеличить пропускную способность Ethereum еще до запуска второй версии сети.
  • В будущем решения второго уровня могут сосуществовать с использующей шардинг PoS-системой Ethereum 2.0, позволяя ей обрабатывать тысячи транзакций в секунду.

Извечная проблема масштабируемости ETH

Ethereum — экосистема с тысячами децентрализованных приложений (), в которой за сутки осуществляется несколько миллионов транзакций. Обратная сторона популярности заключается в том, что чем выше экономическая активность и больше спрос на ETH, тем сильнее конкуренция за весьма ограниченные ресурсы сети, выше стоимость газа и, соответственно, транзакционные издержки пользователей.

В феврале 2021 года средняя комиссия за простой перевод средств достигала $40. Обмен токенов ERC-20 на или депозит средств на DeFi-сервис Compound мог обходиться пользователю в $100 и более. С того времени ситуация мало изменилась, несмотря на некоторую стагнацию в Ethereum-экосистеме и хардфорк Berlin, предполагающий изменение алгоритма расчета стоимости газа.

Динамика средней транзакционной комиссии в сети Ethereum

Значительную выгоду из такого положения вещей извлекают майнеры, весомую часть доходов которых составляют транзакционные комиссии.

Динамика доходов Ethereum-майнеров

На фоне сложившейся ситуации популярность стали набирать альтернативные платформы с поддержкой смарт-контрактов — Binance Smart Chain (BSC), Solana и Polkadot.

Общая стоимость заблокированных средств (TVL) в BSC-экосистеме достигла $35 млрд.

Данные: Defistation

Это примерно 60% от текущего показателя «классической» DeFi-экосистемы на базе Ethereum, если не учитывать токенизированные биткоины вроде WBTC и renBTC ($12,16 млрд по состоянию на 15.04.2021).

Данные: DeFi Pulse

О высоком спросе на сервисы экосистемы BSC свидетельствует и стремительный рост дневного количества транзакций.

Данные: BscScan.

У Ethereum соответствующий показатель ниже, чем у Binance Smart Chain почти в три раза — 1,38 млн против 3,87 млн транзакций в день. Это обусловлено высокой стоимостью газа и все еще актуальной проблемой масштабирования.

Экспоненциальный рост TVL и числа транзакций в экосистеме BSC на фоне стагнации Ethereum — признак интереса многих розничных пользователей к новым платформам и в одночасье их равнодушия к децентрализации и цензуроустойчивости.

Чтобы выстоять в условиях ужесточающейся конкуренции и удержать статус крупнейшей платформы для dapps, разработчикам необходимо повысить производительность Ethereum и снизить комиссии не в ущерб безопасности и децентрализации.

Иллюстрация трилеммы масштабируемости
Иллюстрация трилеммы масштабируемости, которая подразумевает сложность создания одновременно быстрой, децентрализованной и безопасной блокчейн-платформы. Зачастую разработчикам приходится выбирать и оптимизировать максимум два компонента из трех.

Чтобы с некоторыми допущениями разрешить извечную трилемму масштабируемости, активно разрабатываются решения, способные без значительного ущерба децентрализации и безопасности кардинально увеличить скорость транзакций [Transactions per second, TPS] и снизить комиссии. Внедрение таких решений призвано оживить экономическую активность и вывести Ethereum-экосистему из стагнации.

Два подхода к решению проблемы

Есть два основных пути решения проблемы масштабирования Ethereum:

  • Ончейн-масштабирование — изменения в первом уровне системы, где, как и в случае с биткоином, сейчас происходит основная экономическая активность. Пример: переход на Ethereum 2.0, предполагающий смену механизма консенсуса и прочие кардинальные изменения.
  • Решения второго уровня, работающие поверх блокчейна. Их внедрение не требует внесения изменений в первый уровень системы. L2-решения используют параметры безопасности L1 и прочие уже существующие элементы, включая смарт-контракты.

Базовый уровень Ethereum (L1) в настоящее время способен обрабатывать лишь около 15 TPS. L2-решения могут значительно повысить этот показатель — до 2000-4000 TPS.

Напрашивается вопрос: зачем все эти «костыли» поверх старой системы, которая рано или поздно сольется с новым, гораздо более производительным PoS-блокчейном? На самом деле, решения второго уровня вполне могут сосуществовать с шардингом в рамках Ethereum 2.0, что теоретически позволит обрабатывать в будущем тысячи или даже миллионы транзакций в секунду.

«Как только наступит Фаза 1 и Rollups переместятся в экосистему Eth2 с использованием шардинга для хранения данных, мы поднимемся до теоретического максимума в ~100 000 TPS», — говорится в статье Виталика Бутерина «Rollup-ориентированная дорожная карта Ethereum».

Решения второго уровня

К технологиям масштабирования L2 относятся решения, призванные расширить возможности первого уровня посредством обработки значительной части транзакций офчейн, то есть вне L1. Такие решения могут повысить скорость транзакций, пропускную способность системы и снизить стоимость газа.

Есть немало вариантов L2-масштабирования, у каждого свои преимущества и недостатки. Многие проекты, включая Polygon (в прошлом — Matic), используют сразу несколько из них.

Некоторые решения вроде Optimistic rollups призваны масштабировать сеть уже в кратко- и среднесрочной перспективах. Другие нуждаются в совершенствовании и ориентированы на более долгосрочный горизонт реализации.

L2-решения также можно подразделить на:

  • Технологии специального применения, ориентированные на конкретную задачу [application-specific]. Это, например, платежные каналы.

  • Более гибкие решения, подходящие для различных сценариев использования. К ним можно отнести Optimistic rollups.

Рассмотрим детальнее различные подходы к масштабированию.

Каналы

Каналы это одно из первых широко обсуждаемых решений для масштабирования. Они позволяют участникам многократно отправлять друг другу транзакции вне основной сети. Базовый уровень обрабатывает всего две транзакции — открывающую и закрывающую канал.

Иллюстрация работы каналов.

Такой подход значительно снижает нагрузку на основную сеть — каналы потенциально способны обрабатывать тысячи операций в секунду, обеспечивая высокий уровень безопасности системы.

Однако технологии присущи серьезные недостатки:

  • Во-первых, каналы не предполагают открытого участия — пользователи должны быть известны заранее, а средства нужно блокировать в мультисиг-контракте. Для создания канала также необходимо время. При этом следует активно мониторить систему, выявляя потенциальных злоумышленников.
  • Во-вторых, каналы — решения специального применения, непригодные для приложений со сложными смарт-контрактами.

Выделяют каналы состояния [State channels] и их подтип — платежные каналы. На этой концепции основано известное решение второго уровня Lightning Network, задействованное для масштабирования биткоина.

Мощь каналов состояния используется в проектах , Connext, Perun и Celer. В последнем используется преимущественно технология каналов состояния, но также задействованы сайдчейны, совместимые с Ethereum, Polkadot и .

Plasma

Это еще одно решение второго уровня, изначально предложенное Джозефом Пуном и Виталиком Бутериным.

Plasma использует смарт-контракты и деревья Меркла для создания неограниченного числа дочерних цепей — копий родительской сети Ethereum.

Родительская и дочерние цепочки в Plasma.

Основной блокчейн разгружают дочерние цепи, открывающие возможность осуществления быстрых и недорогих транзакций.

Дерево Меркла в контексте Plasma.

Дочерние цепи являются некастодиальными и не требующими доверия. Другими словами, пользователи сами контролируют средства, а количество и состав участников не являются предопределенными параметрами. Plasma также свойственен более высокий в сравнении с каналами уровень безопасности.

Один из недостатков решения заключается в длительном периоде вывода средств из L2. Как и в случае с каналами, Plasma не подходит для масштабирования приложений на базе сложных смарт-контрактов. Решение поддерживает лишь простые функции вроде переводов средств и обменных операций.

Проект OMG Network использует собственную имплементацию технологии под названием — MoreViable Plasma. Адаптированная версия решения задействована и в Polygon.

Сайдчейны

Это совместимые с Ethereum независимые блокчейны с собственными моделями консенсуса и параметрами блоков.

Дочерние цепи Plasma схожи с сайдчейнами, однако есть и существенные отличия. Первые опираются на механизмы безопасности Ethereum, работая в не требующей доверия среде. Высокая пропускная способность делает дочерние цепи Plasma оптимальными для платежей.

Сайдчейны — работающие параллельно отдельные блокчейны с собственными токенами. Они двусторонне привязаны к основной сети Ethereum, в которую передают информацию при обновлении состояния реестра.

Интероперабельность с сетью второй по капитализации криптовалюты обеспечивается поддержкой Ethereum Virtual Machine (EVM). Поэтому работающие в базовой сети смарт-контракты могут быть развернуты в сайдчейнах вроде xDai, что делает возможным множество юзкейсов.

Технология относительно развита. В зависимости от варианта реализации, пропускная способность сайдчейнов может достигать 10 000 TPS.

Сайдчейны не предполагают работу в trustless-среде, они недостаточно зрелые в контексте безопасности и не столь децентрализованы в сравнении с Ethereum. Токены сайдчейнов должны сохранять стоимость, быть экономически жизнеспособными.

Rollups

Rollups снижают нагрузку на сеть, группируя транзакции и вынося часть вычислений за пределы Ethereum — в сайдчейны. Rollups также генерируют криптографические доказательства (SNARKs), используемые для включения транзакций в блокчейн и согласования состояний базовой сети и цепи второго уровня.

Есть два основных типа Rollups: ZK-Rollups и Optimistic rollups.

Optimistic rollups работают на базе EVM-совместимой виртуальной машины OVM (Optimistic Virtual Machine). Она способна взаимодействовать с уже существующими в Ethereum смарт-контрактами. Следовательно, повсеместное внедрение Optimistic rollups может стимулировать дальнейший рост DeFi-сектора уже в кратко- и среднесрочной перспективах.

Над Optimistic rollups активно работает проект Optimism, запуск основной сети которого ожидается в июле.

Ранее платформа синтетических активов Synthetix осуществила предварительный запуск решения второго уровня L2 Optimistic Ethereum. Разработчики Uniswap пообещали внедрить технологии от Optimism вскоре после релиза третьей версии децентрализованной биржи, запланированного на 5 мая.

Loopring и Deversifi — примеры децентрализованных бирж, использующих ZK-Rollups. Разработчики zkSync планируют в мае запустить в тестнете EVM-совместимую версию этого решения второго уровня.

Rollups могут сосуществовать со второй версией Ethereum, увеличивая ее производительность и пропускную способность.

Validium

Подобно ZK-Rollups, в этом решении используются доказательства валидности, однако данные не хранятся в основной сети Ethereum. Цепи Validium могут работать параллельно друг другу. Благодаря такому подходу пропускная способность системы может достигать 20 000 TPS. Вывод средств осуществляется без задержек.

Недостатки решения:

  • ограниченная поддержка смарт-контрактов;
  • высокие требования к вычислительным ресурсам;
  • генерирование ZK-доказательств занимает от 10 до 30 минут.

Validium используют проекты Matter Labs и Starkware.

Вышеперечисленные решения можно комбинировать, поэтому многие проекты придерживаются гибридного подхода к масштабированию второго уровня.

Например, Polygon позиционируется как L2-агрегатор и планирует запустить ZK-Rollups, Optimistic Rollups и прочие решения в дополнению к уже работающей Matic PoS Chain и собственной имплементации Plasma. Celer совмещает каналы состояния с сайдчейнами.

Выводы

Последствия пока еще нерешенной проблемы масштабирования сделали Ethereum-экосистему жертвой собственного успеха — чем больше пользователей сети и их активность, тем дороже операции.

Решения второго уровня для масштабирования Ethereum стремительно развиваются, их спектр довольно широк. Новостная повестка последних месяцев и активность различных проектов иллюстрируют сфокусированность сообщества на Rollups и Фазе 1 второй версии Ethereum, где предусмотрен шардинг.

Виталик Бутерин уверен, что Rollups и в меньшей мере Plasma и каналы могут решить проблему масштабирования, по крайней мере в кратко- и среднесрочной перспективах, до полноценного запуска Ethereum 2.0.

Повсеместное внедрение L2 требует адаптации пользователей к новым решениям, внесения существенных изменений в кошельки, оракулы и децентрализованные приложения. Также необходима беспрепятственная кроссчейн-совместимость между различными L2-решениями. Все эти трудности требуют активизации работы над новой инфраструктурой, с особым акцентом на Rollups.

Результаты усилий разработчиков можно будет считать удовлетворительными, если Ethereum плавно перейдет на PoS, сохранив статус лидирующей dapps-платформы.