Архитектура блокчейна. (Pow, PoS, DPoS, PoI, PoSpace, PoST, PoB/L0, L 1, L 2)

Этой статьёй я хотел бы помочь многим из вас улучшить своё базовое понимание архитектуры и законов блокчейна.

Содержание

Введение

Блокчейн. Что это, простыми словами?

Трилемма блокчейна

Алгоритмы консенсуса(PoW, PoS...)

Уровни блокчейна (L0,L1,L2,L3)

Блокчейн. Определение и основные особенности

Итак, сегодня мы поговорим о блокчейне, его видах, различных алгоритмах консенсуса и, в завершении, об уровнях или, так называемых, слоях блокчейна.

По традиции: обо всём по порядку и как можно более доступным языком!

Технология блокчейна, по своей сути, является способом хранения и передачи разного рода информации.

Простейший пример:

Вася передал Пете, что в пятницу он с друзьями планирует сходить в ресторан и приглашает Петю присоединиться.

Петя согласился и они оба записали информацию об этом в свои ежедневники. Но это еще не все!

На самом деле, Вася, вдобавок, сообщил Пете, что сам он получил это приглашение от Жени, а тот, в свою очередь, от Юли и так далее вплоть до человека, которому вообще пришла в голову мысль о встрече.

Пригласив Петю, Вася, к тому же, обязан был уведомить всех участников этой цепи, чтобы если кто-нибудь из друзей забудет о встрече или скажет в дальнейшем, что не был приглашен, то, буквально, все остальное сообщество напомнило бы этому человеку о договоренности.

Если же определять блокчейн более академично, то...

Блокчейн - это, буквально, цепочка блоков. Каждый блок представляет собой хранилище криптографически зашифрованной информации о транзакциях, которые в него входят, а также хэш-сумму предыдущего блока. Таким образом, сверяя хэш-суммы и двигаясь назад по цепочке блоков можно не только проверить транзакции предыдущего или предпредыдущего блока, но и дойти до первичного блока.

Блокчейн предполагает отсутствие единого контролёра-администратора, вместо этого данные распределяются между участниками сети, каждый из которых может взаимодействовать с ней напрямую. При этом сеть защищена от взлома за счет того, что каждый блок содержит информацию о предыдущем. Попытка изменить данные в одном из них приведёт к отказу в подтверждении со стороны других блоков.

В конечном счёте, для того, чтобы взломать такую систему понадобился бы сверхмощный квантовый компьютер, способный к одновременному взлому более 50% всех блоков, что, на настоящий момент не представляется возможным.

Итак, мы можем сделать вывод, что особенностью такого вида хранения информации является высокая степень надёжности, прозрачность(все транзакции могут быть проверены) и децентрализация.

Перед тем, как идти дальше, продолжая углубляться в свойства этой технологии, я хотел бы отметить, что, хотя широкую известность она получила именно в связи с ростом интереса к криптовалютам, на практике блокчейн может быть использован и уже используется в совершенно различных отраслях.

Блокчейн, как технология, шире всей сферы криптовалют и является результатом очередной революции в поисках новых методов хранения информации, наряду с изобретением телеграфа, радио и персонального компьютера.

Трилемма блокчейна

Несмотря на то, что блокчейн предложил миру абсолютно новую модель информационного пространства, он, тем не менее, не лишен определенных недостатков. Самым емким способом описания уязвимых мест блокчейна является, так называемая, трилемма блокчейна.

В отличие от термина "дилемма", предполагающего ситуацию с необходимостью выбора между двумя исходами, - "трилемма" подразумевает три таких исхода или возможности и, применительно к блокчейну, относится к трём его основным свойствам: децентрализации, безопасности и масштабируемости.

Полностью трилемма блокчейна может быть сформулирована так:

невозможно одновременно добиться высоких показателей трех основных характеристик сети. Усиления какой-либо одной неизбежно ослабляет другую.

Трилемма эта не была придумана на пустом месте. В частности, одна из первых научных работ на эту тему была опубликована ещё в 90х годах профессором из Беркли, Эриком Брюером. Он сформулировал, так называемую, "теорему CAP", которая гласит, что распределённый реестр (блокчейн является частным случаем как раз такого типа баз данных) может обладать только двумя характеристиками из трёх основных:

CONSISTESTENSY/Последовательность, AVAILABILITY/Доступность и PARTITION/Делимость.

Применительно к блокчейну это децентрализация, безопасность и масштабируемость, соответственно.

Я посчитал, что необходимо сделать это отступление и рассказать о трилемме блокчейна потому что именно само существование такой проблемы провоцирует развитие всей отрасли, а также поиск и создание новых форм блокчейна. Давайте продолжим знакомство со его структурой!

Алгоритмы консенсуса.

Итак, у нас есть цепочка блоков, содержащих информацию о всех транзакциях в сети, при этом каждый новый блок, как бы запирает предыдущий. Это значит, что данные в предыдущих блоках не могут быть изменены после их регистрации или подтверждения.

И здесь мы подходим к следующему этапу, а именно, формированию нового блока транзакций.

Для его создания система блокчейн устанавливает набор правил, с помощью которых участники одобряют транзакции. Свод этих правил называется алгоритмом консенсуса.

Алгоритм консенсуса позволяет гарантировать, что ни один из участников сети не сможет произвольно добавлять, удалять или менять данные содержащиеся в реестре. Реализованы подобные алгоритмы за счёт сетевых программ, осуществляющих аудит данных на всех узлах сети, проверяя транзакции и согласовывая изменения быстрее, чем это могли бы сделать живые администраторы. Консенсус считается достигнутым, когда изменения в хэше совпадают со всеми узлами сети.

Теперь давайте поговорим о различных видах алгоритмов консенсуса, которые определяют и тип блокчейна.

Начать следует с алгоритма получившего название Proof-of-work(PoW) или "доказательство работы".

Что же это за работа и кому нужно предоставлять доказательства о ней?

Всё дело в том, что при создании очередного блока вычислительный узел или майнер выполняет большое количество математических рассчетов по поиску хеша криптографической функции, который в результате предоставляет сети в качестве доказательства проделанной работы. Как итог: сеть получает новый блок, а майнер - вознаграждение в виде определённого количества монет.

Самой известным примером использования этого вида консенсуса является блокчейн Bitcoin.

К достоинствам этого алгоритма следует отнести: высокий уровень децентрализации и безопасность.

Однако есть и недостатки, такие, например, как: высокие затраты электроэнергии(чем больше сеть, тем сложнее процесс майнинга и выше совокупные энергозатраты на обеспечение её функционирования)

Низкая пропускная способность. (опять же, по мере увеличения сети, количество вычислительных операций растёт, следовательно снижается скорость транзакций)

Повышенные комиссии. (с развитием сетей на PoW отдельные майнеры стали объединяться в пулы для повышения результативности майнинга, вместе с повышением сложности майнинга стали расти и комиссии за транзакции)

Proof-of-Stake (PoS)

"Доказательство доли владения" является вторым по популярности алгоритмом консенсуса.

PoS не предполагает наличия майнинга, вместо этого используя в качестве доказательства определённые "замороженные" объёмы криптовалют, называемые стейками (от англ. to stake - делать ставку). Эти объёмы принадлежат конкретным узлам-валидаторам или же нодам и, чем большим объемом располагает тот или иной узел, тем больше вероятность подтвердить транзакцию и получить вознаграждение.

На этом алгоритме работают такие блокчейны как Etherium, Binance Smart Chain, Cardano, Tron...

Что же мы имеем в итоге?

Снижение энергопотребления из-за отсутствия процесса майнинга, повышение пропускной способности, уменьшение комиссий, но при этом наличие угрозы централизации. Представьте, что большой объем криптовалюты консолидируется в руках ограниченного количества валидаторов, и они смогут оказывать влияние на всю сеть.

Чтобы решить эту проблему был создан алгоритм Delegated Proof-of-Stake (DPoS)

Нетрудно догадаться, что это разновидность PoS, которая дословно переводится, как "делегированное доказательство доли владения" и отличается от своего предшественника правом держателей монет делегировать, то есть назначать валидаторов транзакций путём голосования. При этом любой участник сети может стать как стать валидатором, так и лишится этого статуса, если голоса в его пользу будут отозваны.

На практике, недостатками такого алгоритма являются потенциальная низкая активность участников сети, деанонимизация валидаторов и централизация производства блоков.

Примеры использования: Cosmos, Tron, EOS.

Уже на этом моменте вы можете заметить, что попытки решить трилемму блокчейна не зря считаются многими "игрой с нулевой суммой".

Однако, я всё же расскажу вам ещё о нескольких любопытных алгоритмах консенсуса!

Proof-of-Importance (PoI)

Алгоритм основывается на, буквально, "значимости" валидатора. В отличие от PoS и DPoS, этот алгоритм консенсуса принимает во внимание не только объем "замороженных" средств, но также активность валидатора: количество транзакций и общее время в сети. Как вы понимаете, решая проблему пассивности участников, этот вид алгоритма, тем не менее, не продвигается сильно в решении проблемы централизации и безопасности.

Пример: NEM

Proof-of-Space и Proof-of-Space-Time (PoSpace/PoST)

Эти два алгоритма очень схожи и основаны на предоставлении свободного пространства жёстких дисков участников, которое реквизируется под потребности блокчейна, например, под заполнение хэш-кодами для валидации новых блоков.

Отличие PoST состоит в том, что он учитывает ещё и количество времени, на протяжении которого был предоставлен доступ к дисковому пространству.

Примеры использования: Burstcoin(PoSpace),Chia(PoST)

Proof-of-Burn

Довольно интересный алгоритм, при использовании которого майнер отправляет монеты на случайный "адрес-пожиратель" сгенерированного хеша. Данный адрес не имеет приватного ключа, так чтобы завладеть этими монетами ни у кого не было бы возможности. Транзакция записывается в реестр и является доказательством "сжигания" монет. За это майнер получает возможность присоединить новый блок к блокчейну и получить вознаграждение. Причём чем больше монет вы сжигаете, тем больше шансов намайнить очередной блок.

В чём же смысл?

Весь процесс здесь можно сравнить с алгоритмом PoW. Только вместо того чтобы покупать дорогостоящее оборудование для майнинга, вы заменяете его виртуальным. Кроме того, вы можете сжигать не только нативную валюту сети, но и криптовалюту других блокчейнов.

Пример использования: XCP

Поговорив о различных видах алгоритмов консенсуса, важно добавить, что поиски решений проблемы масштабируемости блокчейна на этом не ограничиваются.

Уровни блокчейна (L1,L2 и.т.д)

Весьма вероятно, что многие их вас слышали термины Layer 1, Layer 2- проекты...

Давайте же разберёмся с тем, что это такое и в чём разница между этими "слоями" или уровнями блокчейна. (Layer - англ. слой)

Начнём с первого уровня:

Этот уровень является фундаментальным. К нему относят, например, такие классические блокчейны, как Bitcoin и Etherium. Блокчейны первого уровня являются самодостаточными, так как могут проводить транзакции без участия других сетей. Кроме этого они осуществляют такие операции как обеспечение алгоритма консенсуса, проверку адресов кошельков, публичных и приватных ключей, решение споров и прочие...

Само возникновение трилеммы блокчейна связано с сетями первого уровня.

Примеры: Bitcoin, Etherium

Теперь нужно упомянуть нулевой уровень блокчейнов/Layer 0/L0.

С развитием криптовалютной отрасли потребовались решения, позволяющие осуществлять взаимосвязь между различными самостоятельными (Layer1) сетями. Для этого были созданы, так называемые, блокчейны нулевого уровня. Они позволяют передавать криптовалюту между разными блокчейнами,

Разрабатывать dApps, децентрализованные приложения для работы с несколькими блокчейнами одновременно и снижать стоимость транзакций.

Примеры: Polkadot, Cosmos, Avalanche

Второй уровень блокчейнов/Layer 2/L2

Блокчейны этого уровня были созданы, чтобы решить проблему масштабируемости сетей L1. Если попытаться объяснить простыми словами общий принцип их работы, то можно сравнить это с аутсорсингом: сети первого уровня передают часть работы над обработкой своих внутренних транзакций сетям второго уровня. L2 сети обрабатывают весь объем полученной информации и затем возвращают готовый результат в блокчейны первого уровня.

Существуют различные виды блокчейнов L2:

Каналы состояний (Payment channels)

Принцип работы такого блокчейна похож на запасной железнодорожный путь, куда отгоняются вагоны для укомплектовки нового состава: транзакции фиксируются в специальном канале вне основного(L1) блокчейна. Вместе с этим средства в основном блокчейне временно блокируются за счёт создания смарт-контракта до момента пока канал не будет заполнен и все транзакции внутри него совершены. После этого конечные результаты возвращаются в блокчейн L1.

Примеры: Lightning Network (Bitcoin)

Вложенные блокчейны (Nested blockchains)

Такие L2 блокчейны функционируют поверх основной сети, обрабатывая за неё часть транзакций. L1 в таком случае выступает арбитром в разрешении споров и устанавливает общую архитектуру взаимодействия(алгоритм консенсуса).

L1 блокчейн может иметь несколько блокчейнов второго уровня. Результатом, как и в случае с каналами состояний, становится увеличение производительности сети и понижение стоимости транзакций.

Примеры: Plasma (OmiseGO)

Сайдчейны (Sidechains)

Этот тип является производным двух предыдущих. Работая также поверх основной сети, сайдчейны могут иметь свой собственный алгоритм консенсуса и занимаются обработкой информации самостоятельно. В конечном счёте, они предоставляют готовый результат в L1 сеть через кроссчейн-мосты. На время, пока сайдчейн осуществляет обработку транзакций, активы блокируются в основном блокчейне.

Примеры: WAX (EOS), Ronin(Etherium)

Роллапы (Rollups)

Следующим шагом в развитии сетей второго уровня стали роллапы - отдельные чейны, которые обрабатывают транзакции вне основного блокчейна, затем объединяют их в пулыи возвращают финальный результат обработки в основной блокчейн. От сайдчейнов они отличаются тем, что могут предоставлять доказательства валидности всего роллапа для L1 сети.

Выделим два основных типа роллапов:

Оптимистические (Optimistic rollups)

В процессе обработки информации не осуществляют проверку транзакций, то есть не производят криптографических вычислений. За счёт этого удаётся достичь существенного повышения скорости обработки информации.

Страховочный механизм реализуется с помощью возможности каждого узла оспорить транзакцию в течение определенного времени. В этом случае L2 сеть осуществит проверку. Недостатком этого типа роллапов является большое количество времени требующееся на вывод средств в основной чейн.

Примеры: Optimism, Arbitrum, MetisDAO, Boba

ZK-роллапы( Zero Knowledge)

Такие роллапы проверяют валидность транзакций вне основной сети и возвращают всю информацию обратно на уровень L1 в виде одной единственной транзакции. Zero Knowledge или "нулевое знание", в данном случае, означает то, что основная сеть может проверить финальный результат работы, ничего не зная о составных частях всего процесса.

Безопасность таких роллапов выше и срок вывода средств существенно меньше.

Примеры: Immutable X, Polygon, Matter Labs StarkWare

Ну и, наконец,

Третий уровень/Layer 3/L3

На практике, его нельзя отнести к самим блокчейнам. L3 является прикладным и содержит децентрализованные приложения и протоколы, обеспечивающие работу приложений.

Примеры: Uniswap, Orbs

Подведём итог.

Как вы можете видеть экосистема блокчейна активно развивается, стремясь к решению вышеописанной трилеммы "Безопасность-Децентрализация-Масштабируемость". Так или иначе, с момента появления первой криптовалюты с алгоритмом консенсуса PoW, успел сформироваться устойчивый тренд на увеличение скорости сетей и снижение комиссий за транзакции. На протяжении всей статьи я старался отмечать достоинства и недостатки различных видов блокчейна, чтобы вы в дальнейшем могли делать самостоятельные выводы относительно перспектив той либо иной монеты. В любом случае, выбирая криптоактив для инвестирования, я советую вам внимательно изучать его технические показатели. Поэтому необходимо наблюдать за развитием всей отрасли и стараться фиксировать наиболее интересные нововации! Удачи вам и до встречи на моем канале!

Статья подготовлена командой Pifagor Trade

Телеграм-канал: t.me/pifagortrade

YouTube: @Pifagortrade