Zero - децентрализованный многоядерный мировой компьютер
Zero представляет первый в мире многоядерный компьютер, что является фундаментальным отходом от однопоточных однородных архитектур, которые ограничивают существующие блокчейны. Используя доказательства с нулевым разглашением (ZK) для отделения выполнения от проверки, Zero переводит сеть с избыточной репликации на гетерогенную архитектуру. Этот структурный сдвиг позволяет использовать два различных класса валидаторов: облегченные валидаторы блоков, способные работать на низкосортном потребительском оборудовании, и дополнительные устройства для создания блоков с более высокой производительностью.
Система работает и представляет практический план масштабирования в 2 миллиона транзакций в секунду (TPS) для каждой зоны за счет устранения четырех основных узких мест. Эти решения включают QMDB для хранения данных о состоянии, FAFO для планирования параллельных вычислений, Jolt Pro для проверки ZK в реальном времени и SVID для создания высокопроизводительных сетей. Zero предоставляет единую горизонтально масштабируемую среду, в которой несколько зон атомарности функционируют как параллельные процессы на современном процессоре. В результате создается децентрализованная инфраструктура, которая может стать надежной альтернативой централизованным облачным провайдерам.
Что такое блокчейн
Чтобы понять, как работает Zero, вы должны сначала разобраться в основах блокчейна.
Блокчейн - это упорядоченный список транзакций, сгруппированных в блоки. Каждый блок связан с предыдущим, история остается защищенной и постоянной. Для выяснения текущего состояния сети, система запускает эти транзакции с определенным набором правил. Каждый новый блок обновляет состояние.
Состояние криптографически суммируется в проверяемый корень (ы) состояния и сохраняется в блокчейне. Статус root дает проверять информацию - баланс вашего счета, без необходимости повторного выполнения транзакций.
Что делает блокчейн особенным?
Ничто из этого по своей сути не является чем-то особенным по сравнению с базой данных. Уникальность блокчейна заключается в децентрализации. Вместо центрального органа власти разноплановая группа участников, не имеющих прав доступа, также известная как валидаторы, согласовывает состояние. Чем больше группа, распределенная по юрисдикциям и клиентам, тем сильнее будет сеть.
Они следуют консенсусному протоколу, чтобы достичь соглашения с большинством голосов по каждому блоку. Это гарантирует, что сеть останется в безопасности, даже если некоторые проверяющие попытаются атаковать ее. Блокчейн работает, потому что большая группа всегда может договориться об истине, даже если некоторые участники не работают или пытаются обмануть.
Принципы блокчейна
Сатоши Накамото создал биткоин в качестве прямого ответа на финансовый кризис 2008 года. Этот крах доказал, что централизованным банкам и правительствам нельзя доверять нашу коллективную безопасность.
Цель состояла в том, чтобы заменить системы, основанные на доверии, децентрализованной системой, основанной на экономических стимулах. В этой модели нам не нужно, чтобы валидаторы были "хорошими". Нам нужно, чтобы они были рациональными. Предполагая, что каждый участник будет преследовать свои собственные экономические интересы, система превращает индивидуальное стремление к прибыли в ту самую силу, которая работает и дает безопасность сети.
Эти системы основаны на трех основных принципах:
- Децентрализация: Не существует единой точки отказа.
- Отсутствие ограничений: Никто не может помешать вам участвовать в протоколе.
- Отсутствие цензуры: Ни один орган не может заблокировать или отменить ваши транзакции.
Этот сдвиг возвращает власть индивидууму за счет самостоятельной защиты. Когда у вас есть собственные приватные ключи, ваше богатство принадлежит вам. Централизованные субъекты теряют способ изымать, замораживать или играть с вашими активами в азартные игры. Это окончательный разрыв с устаревшей системой, в которой ваши деньги были всего лишь пассивом на балансе банка.
Расцвет Ethereum
Эти основные принципы привели к появлению других блокчейнов, которые хотели предложить нечто большее, чем просто средство сохранения ценности. Это привело к появлению Ethereum. Его целью было создание надежного, нейтрального и программируемого мирового компьютера. Это привело к появлению нового, децентрализованного и не имеющего ограничений Интернета.
Со стороны валидаторов, Ethereum запускает только одно приложение: виртуальную машину Ethereum (EVM).
Вы можете сравнить EVM с операционной системой, такой как macOS. Когда компьютер работает под управлением macOS, аппаратное обеспечение не распознает конкретные приложения, которые вы используете. Он запускает только операционную систему и следует инструкциям, которые предоставляет ОС. EVM работает таким же образом. Он позволяет разработчикам запускать приложения с помощью смарт-контрактов.
Первым реальным успехом стали финансы. Разработчики создали финансовые приложения, которые функционировали без участия банков. Естественно, люди пытались создать и все остальное, включая социальные сети и игры.
Но они уперлись в стену. Запуск этих приложений на блокчейне был намного дороже, чем традиционные сервисы "Web2". По мере того, как к ним присоединялось все больше людей, world computer не мог за ними угнаться. Даже финансовые приложения с трудом развивались, потому что система была слишком медленной, а сборы - слишком высокими.
Мечта о децентрализованном Интернете была реальной, но инфраструктура не была готова к масштабированию. Почему это не удается?
В Ethereum валидаторы по очереди предлагают новые блоки. Когда выбран валидатор, они объединяют транзакции для создания блока. Затем остальные валидаторы должны согласиться с этим.
Проблема Ethereum в том, что он не очень эффективен. Чтобы поддерживать синхронизацию и проверять состояние, каждый валидатор в сети должен загружать и повторно запускать каждую транзакцию.
Если вы отправляете транзакцию, то тысячи компьютеров выполняют одни и те же математические действия для подтверждения баланса вашего счета. Это постоянное дублирование работы создает серьезные проблемы. Поскольку скорость сети зависит от ее самого слабого звена, она не может масштабироваться.
Принципы не могут быть свободными
Чтобы оставаться децентрализованным, Ethereum должен поддерживать умеренные требования к оборудованию. Это гарантирует, что почти любой пользователь сможет управлять узлом из дома. Однако это создает серьезное препятствие: мировой компьютер может работать так же быстро, как и один маломощный компьютер.
Когда сетью одновременно пользуется слишком много людей, им приходится конкурировать за ограниченное пространство внутри каждого блока. Это провоцирует войну ставок. Люди в сети должны платить более высокие комиссионные за использование блокчейна.
Это делает сеть слишком дорогой для всего, кроме сделок с высокой стоимостью. По мере того, как система становится все популярнее, она становится все менее полезной для повседневных приложений, таких как игры или социальные сети, поскольку их пользователи не могут позволить себе платить за них.
Поскольку Ethereum предпочла умеренные требования к оборудованию, появились новые конкуренты, предлагающие более производительный "мировой компьютер". Введите: Solana.
Возвышение Solana
Как и Ethereum, Solana запускает собственное приложение под названием Solana Virtual Machine (SVM). Solana сильно повысила требования к оборудованию для проверки подлинности для повышения производительности. Это позволяет сети обрабатывать тысячи транзакций в секунду, но за счет изменения основных принципов.
Подняв планку аппаратного обеспечения, Solana также неплохо повысила стоимость участия. Требования Solana настолько высоки, что только те, у кого есть специализированные, профессиональные настройки, могут позволить себе использовать валидатор. Это отодвигает систему от повсеместной децентрализации в сторону более компактной и концентрированной группы операторов с хорошей капитализацией.
Однородность
Архитектурный недостаток одинаков для всех блокчейнов. Они однородны. Распространено мнение, что для того, чтобы быть всемирным компьютером, каждый отдельный узел сети должен загружать, обрабатывать и приходить к консенсусу по каждой отдельной транзакции. Для этого каждый узел должен быть идентичным. Это сильно увеличивает затраты, поскольку вы настраиваете сеть на более высокую производительность. По сути, эта архитектура не может масштабироваться без ущерба для основных принципов.
Благородная ложь
В 2020 году Ethereum столкнулся с серьезной угрозой существованию. Новые блокчейны отдавали предпочтение производительности, а не основным принципам. Собственный план Ethereum по расширению своего уровня 1 (L1) за счет шардинга продвигался слишком медленно, и сеть теряла лидерство.
Не имея возможности быстро масштабировать L1, Ethereum переключил свою стратегию на дорожную карту, ориентированную на уровень 2. Эти уровни 2 (L2s), или сводные пакеты, представляют собой централизованные блокчейны, которые отправляют свои данные в L1. Обещание Ethereum состояло в том, что эти системы в конечном итоге унаследуют децентрализацию и безопасность L1.
Но здесь есть фундаментальный недостаток. L2s никогда не откажется от контроля над последовательностью блоков, логикой смарт-контрактов и функциональными картами.
Все блокчейны развиваются по мере того, как валидаторы достигают консенсуса по обновлению своего приложения. Однако L2 не может унаследовать безопасность L1, не потеряв при этом эту возможность. Чтобы L1 действительно обеспечивал безопасность, L2 должен был бы отказаться от своих привилегий на обновление, что сделало бы их логику заблокированной и неизменяемой.
Это создает парадокс, который доказывает, что обещания уровня 2 всегда были ложью:
- Если уровень 2 заблокирован и децентрализован, он становится тупиковым. Он не может внедрять инновации или адаптироваться, что делает его неуместным если сравнить с любой другой развивающейся сетью.
- Если L2 можно модернизировать, то он централизован и контролируется небольшой группой людей, имеющих право изменять правила.
Ethereum рассказывает нам эту ложь, чтобы справиться с суровой правдой: они отказались от своих принципов, чтобы оставаться конкурентоспособными. Они прекратили создавать world computer. Вместо этого они оттолкнули пользователей от децентрализованного, не имеющего разрешений и устойчивого к цензуре блокчейна в пользу централизованных, поддающихся цензуре блокчейнов и назвали это масштабированием.
Эта ложь - то, что заставило нас сделать Zero.
Вычисления, хранилище и сеть
Все начинается с основ. Как и любой компьютер, блокчейн ограничен тремя функциями:
- Вычисления: Запуск кода для преобразования входных данных в выходные.
- Хранилище: Сохранение и извлечение выходных данных.
- Сеть: Взаимодействие с другими компьютерами и Интернетом.
Чтобы повысить производительность любой системы, вы должны найти компромисс между этими тремя областями.
Сжатие вычислительных и сетевых ресурсов
В стандартном блокчейне каждый валидатор должен загружать и запускать каждую транзакцию, чтобы убедиться в правильности данных. Это проблема репликации. Это не просто создает узкое место; это увеличивает затраты и возлагает на валидаторов огромную нагрузку по загрузке и обработке данных.
Доказательства с нулевым разглашением (ZK) решают эту проблему. Они позволяют математически проверить правильность вывода без необходимости запускать код самостоятельно. Вместо того, чтобы каждый валидатор повторно запускал каждую транзакцию, они просто проверяют небольшое доказательство и пропускают работу.
Это говорит о том, что валидаторам больше не нужно воспроизводить историю. На самом деле, им даже не нужно загружать необработанные данные для каждого блока, достаточно подтверждения того, что транзакции существуют. Осознание того, что мы можем освободить вычислительные ресурсы и сеть для репликации, привело нас к неизбежному созданию Zero.
Переход от однородной архитектуры к гетерогенной
Каждый децентрализованный блокчейн начинается с одного и того же: набор валидаторов приходит к консенсусу по блокам транзакций. Zero ничем не отличается.
В существующих блокчейнах каждый валидатор запускает эти транзакции через одно приложение, например EVM. Zero концептуально делает то же самое. Мы называем приложения Zero зонами атомарности.
Разница в Zero заключается в том, что валидаторы загружают данные и результаты вычислений вместо того, чтобы загружать и воспроизводить каждую транзакцию. Это значительно снижает пропускную способность и требования к вычислениям для каждого валидатора.
Впервые в истории валидаторам единого блокчейна не нужно повторять одну и ту же работу. Это структурный прорыв, который открывает путь к гетерогенной архитектуре.
Все остальные блокчейны работают по однородной схеме. В этих системах узлы представляют собой идентичные клоны, которые загружают одни и те же данные и воспроизводят каждую транзакцию. В то время как это обеспечивает синхронизацию цепочки, сеть оказывается в замкнутом цикле избыточного ручного труда.
Если бы Zero использовала доказательства ZK в рамках той же однородной структуры, это было бы ошибкой проектирования. Доказательства ZK проверяются за миллисекунды, поэтому каждый валидатор выполнит свою задачу мгновенно, а затем будет бездействовать, растрачивая ресурсы, которые он был вынужден предоставить.
Чтобы извлечь выгоду из разблокировки ZK, Zero разделяет сеть на два отдельных функциональных класса: создатели блоков и средства проверки блоков.
- Создатели блоков по очереди создают блоки, выполняют переходы между состояниями и генерируют криптографические доказательства.
- Валидаторы блоков просто принимают заголовки блоков и проверяют корректуру.
Этот сдвиг в корне меняет экономические требования к сети. В Ethereum каждый валидатор должен обладать вычислительными мощностями, необходимыми для полноценной работы виртуальной машины. Такое массовое дублирование увеличивает совокупные затраты на обслуживание сети такого масштаба примерно до 50 миллионов долларов в год.
Zero устраняет необходимость в клонировании каждого узла. Благодаря отделению выполнения от проверки, сеть с такой же пропускной способностью и децентрализацией, как у Ethereum, может работать менее чем за 1 миллион долларов. Децентрализация в глобальном масштабе происходит не от того, что валидаторы становятся более мощными, а от того, что они делают меньше.
Децентрализация
Производители блоков объединяют транзакции в блоки и генерируют доказательства для повышения производительности. Тем не менее, валидаторы имеют решающее право определять, какие блоки принимаются. Это не позволяет ни одному производителю блоков выступать в роли привратника и гарантирует, что зоны атомарности защищены от цензуры.
Нулевая ставка обеспечивается с помощью делегированного подтверждения ставки. Участники ZRO делегируют свои токены валидаторам, которые управляют сетью. Чтобы убедиться, что каждый может принять участие, мы отменили высокие требования к минимальной ставке и автоматическое ограничение на уровне консенсуса. Это выравнивает условия игры, устраняя систематические экономические препятствия, которые обычно вытесняют домашних валидаторов в пользу гигантских пулов ставок.
Та же логика применима и к управлению сетью. Любое серьезное изменение, например, обновление протокола или добавление новой зоны, требует голосования участников в сети. Вот почему Zero - это единый безопасный блокчейн: нет внешнего совета, который обновляет зоны, он полностью принадлежит децентрализованному уровню управления. Но мы знаем, что у большинства людей нет времени на аудит сложного кода или технических документов по экономике. Чтобы решить эту проблему, Zero использует модель Senator.
- Экспертное руководство: Сенаторы - признанные эксперты в таких областях, как криптография и экономика, которые разделяют миссию Zero.
- Разумное делегирование: Как участник, вы можете делегировать свои права голоса сенатору, которому доверяете, гарантируя, что сеть будет руководствоваться обоснованными решениями.
- Отсутствие опеки: вы никогда не потеряете свой голос. Вы можете отменить делегирование и проголосовать напрямую по любому предложению в любое время.
Такая настройка позволяет сети пользоваться преимуществами элитного опыта, сохраняя при этом за собой окончательную власть там, где она есть: у заинтересованных сторон.
От одноядерного к многоядерному
Если архитектура Zero сможет соответствовать децентрализации Ethereum, используя при этом лишь часть его ресурсов, это откроет новые возможности. По сути, Zero оставляет за собой огромные объемы сетевой мощности и вычислений.
Большинство блокчейнов являются однопоточными. Они действуют как старый компьютер с одноядерным процессором, который может одновременно запускать только одно приложение. Поскольку каждый узел в сети должен повторять каждую отдельную команду, скорость работы компьютеров всего мира ограничена одним ядром.
Ноль нарушает это ограничение. Поскольку мы больше не тратим ресурсы на дублирование работы, сеть может запускать множество приложений параллельно. Это позволяет системе обрабатывать огромный объем транзакций одновременно без замедления работы.
Представьте это как переход от одноядерного процессора к многоядерному. В старой модели, если вы хотели запустить новое приложение, вам приходилось конкурировать со всеми остальными за те же ограниченные циклы. Zero способен запускать сотни приложений одновременно в разных зонах атомарности.
Переходя к многоядерной архитектуре, мы масштабируем не только одно приложение, но и всю экосистему. Zero может запускать высокочастотные биржи в одной зоне, протокол социальных сетей в другой и систему частных платежей в третьей, и все это без борьбы за одни и те же ресурсы.
Четыре узких места в производительности блокчейнов
Два с половиной года назад именно такую архитектуру мы намеревались создать с нуля. Нашей первоначальной целью было создать блокчейн, такой же децентрализованный, не имеющий ограничений и устойчивый к цензуре, как Ethereum, но с производительностью Solana. Чтобы достичь этого, нам пришлось решить проблемы масштабирования, которые преследовали эту отрасль с самого начала.
Наш путь начался с одновременной атаки на хранилища и ZK.
Прорыв в области хранения данных: QMDB
Помимо вычислений и сетей, государственное хранилище данных является одним из самых больших препятствий для масштабирования. В течение многих лет отрасль полагала, что блокчейны должны использовать структуры данных на основе trie. Эти структуры невероятно неэффективны, поскольку они записывают структуру trie на диск, растрачивая потенциал высокоскоростных современных твердотельных накопителей.
Мы поняли, что это решение представляет собой фундаментальный сдвиг в архитектуре данных. Вместо того, чтобы следовать устаревшей модели trie, мы перешли к логарифмической структуре, основанной только на добавлениях, разработанной специально для высокоскоростного ввода-вывода на современных твердотельных накопителях. Затем мы добавили возможность проверки непосредственно поверх этой оптимизированной основы.
В результате появилась QMDB, самая быстрая проверяемая база данных в мире. Ее конструкция теоретически оптимальна на 92%, что позволяет обрабатывать 3 миллиона обновлений в секунду.
Такая производительность - не просто незначительное улучшение. Это в 100 раз быстрее, чем существующие базы данных состояний блокчейна, и в 6 раз быстрее, чем база данных RocksDB Facebook. Ранее мы рассматривали пропускную способность Solana как предел возможного, но QMDB доказала, что хранилище не является узким местом, и этот предел достаточно высок для поддержки таких приложений, как NYSE, с более чем 2 миллионами транзакций в секунду. Это число стало нашей целью для устранения всех оставшихся узких мест в системе. Решив проблему хранения данных, Zero устранил первый физический барьер на пути к настоящему глобальному масштабу.
Вычисление: Повышение потолка с помощью FAFO
Как только скорость обновления QMDB достигла 3 миллионов обновлений в секунду, стало ясно, что теоретический предел пропускной способности был значительно выше, чем предполагалось отраслевыми стандартами. С оптимизацией хранилища основное узкое место перешло к вычислениям. В частности, сети требовался метод обработки транзакций без конфликтов планирования, присущих традиционным рабочим нагрузкам блокчейна.
Большинство блокчейнов обрабатывают транзакции последовательно. Даже если задачи не связаны между собой, они помещаются в строку одного файла для предотвращения ошибок. Это требование последовательного выполнения не позволяет масштабировать систему независимо от количества предоставляемого оборудования.
Для решения этой проблемы мы изобрели FAFO (Fast Ahead of Formation Optimization). FAFO обеспечивает параллельное выполнение, аналогичное Solana, но с существенным отличием в нашем сложном алгоритме планирования и превосходном опыте разработчиков. В то время как Solana требует, чтобы пользователь или разработчик вручную указывал, каких ячеек памяти будет касаться транзакция, FAFO выполняет этот анализ автоматически. Он определяет неконфликтующие транзакции и переупорядочивает их для параллельного выполнения, не перекладывая нагрузку на пользователя.
Несмотря на то, что FAFO не устраняет конкуренцию из-за "горячих точек" хранения, он изолирует их влияние на производительность. Это гарантирует, что резкий рост спроса на одно конкретное приложение не приведет к увеличению затрат для других. Приложения, не оспаривающие это, продолжают получать доступ к дешевому блочному пространству, несмотря на перегрузку в других местах.
Архитектурный сдвиг является существенным. FAFO обеспечивает производительность в 2500 раз выше, чем в цепочке BNB, при этом скорость обработки одного узла превышает 1,2 миллиона транзакций EVM в секунду. Благодаря отказу от последовательного выполнения EVM, наконец, масштабируется.
ZK: Масштабирование с помощью Jolt
При создании QMDB мы также проанализировали ситуацию с нулевым разглашением информации (ZK). Мы обнаружили, что у большинства существующих ZKVM заканчивается их жизненный цикл; они были построены на устаревающих архитектурах, которые не могли соответствовать нашим требованиям глобального масштаба. Среди предложенных вариантов мы выделили Jolt как новую и многообещающую платформу, которая, по нашему мнению, способна обеспечить работу компьютеров во всем мире. Архитектура Jolt принципиально проще и эффективнее, чем у других систем тестирования. Мы собрали команду криптографов мирового класса, чтобы на этой основе создать Jolt Pro, который обеспечивает работу RISC-V на частоте более 1,61 ГГц на ячейку и четкий план перехода к 4 ГГц к 2027 году.
Для сравнения, 4 ГГц соответствует одному ядру современного высокопроизводительного процессора. Мы можем масштабировать эти ячейки бесконечно и ограничены только количеством графических процессоров в центре обработки данных.
Jolt Pro доказывает, что RISC-V работает примерно в 100 раз быстрее, чем существующие ZKVM. Этот прорыв - то, что наконец-то делает проверяемые вычисления в реальном времени практичными.
Сеть: Последнее узкое место
Решение проблем хранения, вычислений и ZK оставило нас с последним препятствием: отказоустойчивым блочным хранилищем. Стандартные блокчейны являются узким местом, поскольку каждый валидатор должен загружать каждую транзакцию. В нашей архитектуре валидаторам требуется только подтверждение транзакции и небольшая доля данных о транзакции. Это крошечный криптографический отпечаток, подтверждающий возможность извлечения данных, который представляет собой значительно меньший объем информации — менее 0,5% от исходных данных блока размером 128 МБ.
Чтобы масштабировать эти задачи, мы создали SVID (Scalable Verifiable Information Dispersal). Теоретически он обеспечивает огромную пропускную способность в 10 гигабайт в секунду, что более чем в 1000 раз быстрее, чем PeerDAS. Обеспечив, чтобы валидаторы загружали только самый минимум, мы преодолели последнее препятствие на пути к достижению 2 миллионов TPS в каждой зоне.
Первый в мире многоядерный компьютер
Прорыв в сетевом обеспечении завершает архитектурный цикл. Благодаря отделению доступности данных от проверки, SVID позволяет сети справляться с большими нагрузками, не перегружая отдельные узлы. В сочетании с QMDB для хранения данных, FAFO для планирования и Jolt Pro для проверки ZK сеть больше не является узким местом.
Достижение двух миллионов транзакций в секунду стало нашей четкой целью для каждого компонента системы. Достигнув этой цели, Zero сможет поддерживать наиболее производительные современные приложения.
Такая архитектура позволяет Zero функционировать как децентрализованный многоядерный мировой компьютер. Важно отметить, что зоны не являются независимыми цепочками, уровнями 2 или объединениями. Каждая зона принадлежит Zero и управляется одним и тем же унифицированным протоколом. Большинство блокчейнов, включая Ethereum, однопоточные; они работают на одном ядре. Zero работает на многих. Каждая зона функционально эквивалентна одному EVM, который работает на Ethereum, но мы выполняем их одновременно на нескольких ядрах.
В результате получается единый блокчейн, масштабируемый по горизонтали. Разработчикам не нужно создавать собственные зоны; они создают приложения поверх зон, предоставляемых Zero. Мы заменили фрагментированную универсальную модель на единую высокопроизводительную систему, которая обрабатывает множество приложений как параллельные процессы на одном современном многоядерном процессоре.
Благодаря такому значительному снижению затрат Zero является не только альтернативой существующим блокчейнам, но и надежной альтернативой централизованным облачным провайдерам, таким как AWS. Избавившись от накладных расходов, связанных с избыточной репликацией, мы наконец-то сделали децентрализацию жизнеспособной в глобальном масштабе. Zero - это первый в мире по-настоящему масштабируемый многоядерный компьютер.