Блокчейна-индустрия изобилует разнообразными блокчейн-системами. Однако большинство из них относятся к двум основным категориям: монолитные и модульные.
Эти две категории блокчейна обладают динамичным спектром возможностей, достоинств и присущих им компромиссов.
Что такое монолитные блокчейны
Монолитные блокчейны считаются первым поколением блокчейн-систем. Появившись на заре становления индустрии распределенных реестров и криптовалют, они проложили путь к революционным технологиям, которые мы знаем сегодня. Сеть Bitcoin является примером монолитного блокчейна.
Архитектура монолитных блокчейнов разработана таким образом, чтобы объединить все основные функциональные возможности в рамках одного слоя структуры блокчейна. Эти функции включают в себя выполнение транзакций, механизмы консенсуса и доступность данных. Монолитная цепь также выполняет роль расчетного слоя, где транзакции проходят ончейн проверку.
Монолитные блокчейны используют единую базу данных для хранения всех транзакций в сети и служат полнофункциональными платформами для решения различных задач, включая хранение и обмен информацией. Однако их конструкция имеет существенные ограничения, особенно в отношении универсальности и масштабируемости.
Эти проблемы послужили толчком к разработке нового поколения блокчейн-систем, получивших название модульных блокчейнов.
Как работают монолитные блокчейны
Вот как работает монолитный блокчейн Биткоина с точки зрения доступности данных, исполнения транзакций, консенсуса и окончательности:
Доступность данных. Все данные о транзакциях хранятся в блокчейне. Это означает, что история транзакций доступна каждому участнику сети. Блокчейн публичен, полностью прозрачен и доступен любому.
Исполнение транзакций. В Биткоине выполнение транзакций подразумевает их обработку и проверку. Как только пользователь инициирует транзакцию, она передается в сеть. Затем эта транзакция подхватывается узлами, которые проверяют ее легитимность (например, действительность баланса) и включают ее в блок. Этот процесс включает в себя поиск Нонса, что является частью процесса майнинга:
- Чтобы создать новый блок, сеть задает целевой хэш для блока транзакций.
- Майнеры начинают генерировать хэши с помощью программного обеспечения.
- Первый майнер, вычисливший хэш ниже заданного, получает возможность прикрепить блок к блокчейну.
- Другие майнеры и узлы безопасности проверяют валидность блока.
- После этого майнер получает вознаграждение за блок.
Механизм консенсуса. В Биткоине используется метод консенсуса по принципу доказательства работы (PoW). В этой системе майнеры соревнуются в вычислении Нонса. Право добавить новый блок транзакций в блокчейн принадлежит тому, кто первым найдет такой нонс, который на выходе дает валидный хэш.
Сетевые узлы, в свою очередь, хранят копии всего блокчейна, проверяют и транслируют транзакции, а также вносят вклад в общую функциональность и безопасность сети. Хотя некоторые узлы участвуют в майнинге, проверяя транзакции и добавляя блоки, не все они являются майнерами.
Окончательность. Процесс завершения транзакций в блокчейне известен как окончательность или завершенность. Транзакция считается завершенной, когда она включается в блок, а тот добавляется в блокчейн. После того как транзакция записана в блокчейн, она не может быть изменена, поскольку эта процедура необратима. Таким образом, завершенность является неотъемлемой частью блокчейна, поскольку она гарантирует, что каждая транзакция является окончательной и неизменной.
Недостатки монолитных блокчейнов
Монолитные блокчейны имеют ряд недостатков:
- Несмотря на простоту архитектуры, монолитные блокчейны сталкиваются с проблемами из-за своей жесткости, которая ограничивает гибкость и творческий подход. Такая негибкость создает узкие места и задержки, особенно заметные во время большого спроса. Эти ограничения часто приводят к дорогостоящим комиссиям и перегрузкам сети, снижая ее эффективность и вовлеченность пользователей.
- Присущая монолитным блокчейнам жесткость усложняет внедрение изменений. Этот аспект представляет собой значительное препятствие для их адаптации к меняющимся потребностям. Сложность модернизации монолитных блокчейнов обусловлена взаимосвязанностью их компонентов. Любая модификация или усовершенствование одного элемента, скорее всего, потребует изменений в других взаимосвязанных, что приведет к сложному и потенциально разрушительному процессу.
- Монолитные блокчейны используют единый метод консенсуса для подтверждения транзакций и поддержания безопасности сети. При нарушении этого механизма общая безопасность блокчейна оказывается под угрозой. В таких обстоятельствах злоумышленники могут воспользоваться этой слабостью для проведения незаконных транзакций, что поставит под угрозу целостность экосистемы.
В августе 2020 года Ethereum Classic, PoW-блокчейн, форком которого является Ethereum, пережил несколько Атак 51%. Злоумышленники, контролируя более 51% хэширующей способности сети, реорганизовали блокчейн и осуществили двойное расходование средств.
Подобные инциденты подчеркивают критические проблемы безопасности в PoW-систем, демонстрируя, как злоумышленники могут нарушать целостность блокчейна и отменять транзакции.
Преимущества монолитных блокчейнов
Несмотря на существующие проблемы, монолитные блокчейны имеют ряд неоспоримых преимуществ:
- Монолитные блокчейны отличаются простой архитектурой, которая объединяет все операции в один уровень. Благодаря меньшему количеству компонентов, с которыми приходится работать, это снижает сложность разработки и уменьшает количество уязвимостей, что усложняет злонамеренную эксплуатацию блокчейна.
- Поскольку все узлы монолитного блокчейна работают в одном уровне и следуют единому набору правил, достижение согласованности и синхронизации в сети может быть относительно простым процессом, что способствует созданию стабильной среды.
- В силу своей конструкции монолитные блокчейны устойчивы к изменениям и часто требуют значительных ресурсов для модификации. Такие цепочки, как правило, отличаются высокой децентрализацией, что повышает общую безопасность сети. Децентрализация сводит к минимуму риск возникновения единой точки отказа, а значит, злоумышленникам будет сложнее использовать слабые места присущие централизованным сетям.
Что такое модульные блокчейны
Модульные блокчейны принципиально отличаются от своих монолитных аналогов за счет стратегического разделения основных функций и их распределения по отдельным уровням. Их архитектура оптимизирована для повышения эффективности и адаптивности, а также для поддержки более широкого спектра технологий и функций.
Их микросервисная архитектура также способствует адаптивности, позволяя вносить изменения в отдельные слои, не нарушая хрупкого равновесия всей сети. Основные уровни, из которых состоят модульные блокчейны, включают в себя уровни исполнения транзакций, доступности данных, консенсуса и окончательности.
Как работают модульные блокчейны
Хотя изначально Ethereum создавался как монолитный блокчейн, после Merge (Слияние) он стал модульным. Вот как работает этот тип блокчейнов с точки зрения исполнения транзакций, доступности данных, консенсуса и окончательности:
Исполнение транзакций. После слияния Beacon Chain в основном следит за реализацией смарт-контрактов и их взаимодействием с системой. Обработкой транзакций и выполнением смарт-контрактов занимаются более мелкие, параллельные блокчейны, известные как шард-чейны, а Beacon Chain выполняет функции координатора сети. Такое разделение повышает масштабируемость и эффективность обработки данных по сравнению с обычной монолитной структурой.
Доступность данных. Доступность данных обеспечивается шард-чейнами. Сеть гарантирует, что данные всегда доступны и никогда не застрянут в одной цепочке, т.к. транзакционная нагрузка распределяется по нескольким шардам. Благодаря такому распределению повышается способность сети к росту и управлению большими объемами транзакций.
Механизм консенсуса. Модель консенсуса Proof-of-Stake, используемая в Ethereum, управляется цепочкой Beacon Chain, которая отвечает за подтверждение транзакций и поддержание общей безопасности и целостности сети. По своей сути Beacon Chain координирует работу валидаторов, которые предлагают и подтверждают блоки.
Эта система работает по эпохам и слотам, случайным образом назначая валидаторов для подтверждения блоков, что исключает централизованный контроль. Залог в виде стейка, дающий право быть валидатором, служит стимулом для честного поведения, способствуя безопасности и целостности сети.
Окончательность. После слияния завершаемость присуща как шард-чейнам, так и Beacon Chain, что способствует разрешению споры и обеспечению окончательности всех транзакций. Это необходимо для промежуточных транзакций между различными уровнями исполнения и проверки доказательств
в шард-чейнах. Механизм консенсуса PoS помогает в этом процессе, гарантируя, что валидаторы (стейкеры) подтвердят и согласуют окончательное состояние блокчейна, делая транзакции необратимыми.
Преимущества модульных блокчейнов
Разработчики все больше тяготеют к модульным блокчейнам из-за присущих им преимуществ, в том числе:
Масштабируемость. Традиционные блокчейны часто испытывают трудности с масштабируемостью, особенно во время скачков нагрузки, что приводит к замедлению работы. Модульные блокчейны решают эту проблему, разделяя задачи по уровням, повышая эффективность и обеспечивая одновременную обработку транзакций. Кроме того, они децентрализуют хранение данных, повышая устойчивость сети.
Безопасность. Создание безопасного набора валидаторов — проблема, с которой сталкиваются многие новые блокчейн-проекты. Используя инфраструктуру безопасности родительской цепи, модульные блокчейны обеспечивают общую безопасность всей системе. В результате будущим шард-чейнам не придется беспокоиться о создании своей независимой системы безопасности.
Кроме того, общая безопасность сводит к минимуму непредвиденные уязвимости, гарантируя единую защиту для всех блокчейнов. Такая упрощенная система безопасности ускоряет развертывание новых проектов.
Адаптация. Модульные блокчейны устраняют ограничения монолитных, делая упор на масштабируемость и универсальность. В них особое внимание уделяется совместимости через мосты, что обеспечивает беспрепятственный обмен активами и данными между сетями. Такое взаимодействие способствует сотрудничеству между проектами в рамках одной блокчейн-экосистемы.
Недостатки модульных блокчейнов
Модульные блокчейны, как и монолитные, имеют свои недостатки:
Безопасность. Несмотря на преимущества в масштабируемости и эффективности, модульные блокчейны сталкиваются с серьезными проблемами безопасности, особенно в отношении уязвимостей мостов. Мосты, имеющие решающее значение в модульных архитектурах для передачи активов между различными экосистемами, представляют собой явную точку риска. Они становятся привлекательными целями для хакеров, взлом моста может привести к значительным потерям активов.
Более сложная конструкция. Модульные блокчейны сложны и нуждаются в различных функциях для разных приложений. Их настройка и поддержка требуют больше времени и финансовых ресурсов для обеспечения функциональности и безопасности. Внедрение этих технологий может потребовать изучения новых языков программирования и принципов, что потенциально замедляет развитие.
Модернизация — сложная задача. Внесение изменений в модульный блокчейн — задача не из легких, особенно в вопросе обеспечения обратной совместимости для бесшовной интеграции, и пренебрежение этим рискует привести к несогласованности системы и нарушению стабильности.
Координация обновлений между децентрализованными узлами представляет собой сложную задачу, требующую четкой коммуникации и точных планов для плавного перехода.
Переход сети Ethereum от монолитного блокчейна к модульному служит примером этой сложности. Поэтапное обновление, сохраняющее совместимость с существующей цепочкой, постоянно откладывалось из-за тщательного тестирования с участием нескольких команд и аудита. Слияние, завершенное в сентябре 2022 года, стало кульминацией этого масштабного процесса.
Какой блокчейн лучше
Монолитные и модульные архитектуры будут сосуществовать в обозримом будущем. В то время как монолитные блокчейны остаются доминирующими благодаря устоявшимся протоколам безопасности и операционной эффективности, растущий спрос на масштабируемые и адаптируемые решения, вероятно, приведет к тому, что модульные альтернативы займут видное место.
При этом безопасность, скорее всего, останется одним из главных факторов, определяющих успех блокчейн-систем, использующих обе модели. Это связано с тем, что проблемы безопасности могут потенциально подорвать доверие пользователей. Поэтому разработчики монолитных и модульных блокчейн-систем, скорее всего, продолжат уделять первостепенное внимание надежным средствам защиты, чтобы смягчить последствия сбоев и способствовать широкому распространению.
В конечном итоге поиск идеального баланса между масштабируемостью, безопасностью и адаптивностью станет ключом к раскрытию всего потенциала блокчейн-технологии в будущем.
