Что такое монолитные и модульные блокчейны?

Что такое монолитные блокчейны?

Как это следует из самого названия, монолитный блокчейн — распределенная система с единой структурой. В ней ноды отвечают за консенсус, исполнение транзакций и доступность данных.  

В отличие от модульных, в монолитных блокчейнах все эти задачи выполняются на одном уровне или в группе тесно связанных цепей (также работающих на одном уровне). 

Большинство блокчейнов криптоэкосистемы — монолитные. Например, биткоин, Solana, Ethereum (на первых этапах развития). 

Рассмотрим принцип работы монолитного блокчейна на примере протокола биткоина:

1. Биткоин-нода получает транзакцию от другого участника сети, проверяет подпись и обеспечивает соответствие этих данных правилам консенсуса. 
2. Если транзакция валидна, нода добавляет ее в мемпул (или отклоняет ее). 
3. Майнер «достает» транзакцию из мемпула и добавляет ее в блок-кандидат. 
4. Если майнеру удается найти значение nonce для блока-кандидата (как того требуют правила Proof-of-Work), появляется возможность транслировать этот блок другим узлам сети. Последние также проверяют транзакции и, если все сходится, добавляют новый блок в цепочку.

Ноды монолитного блокчейна обеспечивают:

1. Доступность данных. Каждая нода содержит копию всего блокчейна, сохраняя каждую транзакцию. Узел одноранговой сети может запросить данные у другого узла. 
2. Исполнение. Все ноды проверяют транзакции на их соответствие правилам алгоритма консенсуса. В блокчейнах на основе учетных записей (обычно поддерживающих смарт-контракты) узлы исполняют транзакции для вычисления нового состояния сети. 
3. Консенсус. Ноды «договариваются» между собой, какие транзакции будут обрабатываться для новых блоков и об их порядке.
4. Урегулирование или решение споров (settlement). Эта функция гарантирует необратимость подтвержденных транзакций и обеспечивает арбитраж в случае оспаривания их валидности.

Архитектура монолитных блокчейнов предполагает, что ноды выполняют все эти функции. В модульных системах исполнение отделено от урегулирования, консенсуса и доступности данных.

Что такое модульные блокчейны?

Модульный подход знаменует собой кардинальную смену парадигмы при построении блокчейнов. Суть заключается в специализации: один блокчейн отвечает за исполнение транзакций, другой — за поддержание консенсуса. 

Таким образом, модульный блокчейн сфокусирован на выполнении лишь некоторых задач, передавая остальные одному или нескольким отдельным уровням. Компоненты таких систем можно представить в виде кубиков Lego, которые можно комбинировать для создания различных конструкций.

Модульные блокчейны представляют собой подключаемые модули, каждый из которых может заменяться или объединяться с другим в зависимости от конкретного юзкейса. 

Пример таких модулей — роллапы. Эти решения масштабирования специализируются на обработке транзакций (исполнении). За консенсус, доступность данных и урегулирование отвечает родительская цепочка.

Как работают модульные блокчейны?

Рассмотрим принцип работы Ethereum в контексте модульного подхода. Как и биткоин, а также многие другие блокчейны первого поколения, сеть второй по капитализации криптовалюты была спроектирована как монолитная система. Однако для разрешения трилеммы масштабирования эфир превращается в модульную структуру. 

Один из важных этапов на этом пути — реализация шардинга. Идея состоит в постепенном отказе от модели, где каждая нода должна вычислять каждую операцию, в пользу модели параллельного выполнения, в которой ноды обрабатывают только определенные вычисления. Это позволяет обрабатывать множество транзакций одновременно.

Шардинг разбивает блокчейн на несколько подсетей, каждая из которых обрабатывает свою часть сетевой активности. Разделяя функции на несколько компонентов, достигается более высокая эффективность и производительность, чем если бы все части системы работали над одними и теми же задачами. 

Ethereum-разработчики внедряют систему из 64 компонентов (шардов), работающих параллельно. Ноды управляют только той частью реестра, за которой они закреплены (выполняют процессы и подтверждают транзакции), а не поддерживают весь реестр.

В контексте модульного подхода шардчейны хранят различные части данных Ethereum. Сегментирование исполнения позволяет каждому из 64 компонентов обрабатывать собственный набор транзакций. Такой подход помогает увеличить пропускную способность системы и повысить скорость выполнения операций. 

Некоторые разработчики являются сторонникам ориентированного на роллапы подхода к повышению производительности Ethereum. 

В отличие от других (более централизованных) решений масштабирования вроде сайдчейнов, роллапы тесно связаны с родительской цепочкой. Они представляют своего рода расширение для улучшения пропускной способности системы. 

Благодаря роллапам блокчейн Ethereum «передает на аутсорсинг» вычисления, фокусируясь на урегулировании, консенсусе и доступности данных.

L2-решения способны кардинально оптимизировать обработку транзакций без ущерба безопасности или децентрализации системы.

Какие преимущества и недостатки у монолитных блокчейнов?

Монолитные блокчейны — исторически первый подход к построению распределенных систем. Однако при такой схеме сложно решить проблему масштабирования, не пожертвовав безопасностью или децентрализацией. 

Основное преимущество монолитных блокчейнов заключается в их простоте. С одноуровневым дизайном меньше сложностей при создании и обслуживании системы. Такой подход также понятнее для новичков, пытающихся разобраться в особенностях технологии. 

Главные недостатки монолитных блокчейнов:

• низкая пропускная способность, влияющая на эффективность системы. Для повышения производительности разработчики могут уменьшать интервал между блоками и увеличивать их размер. Это предполагает более высокие требования к оборудованию для нод. Как результат, уменьшается число нод, способных валидировать цепь, что чревато централизацией и связанными с ней рисками;
• ограниченная гибкость. Внедрение изменений и улучшений в монолитных блокчейнах может оказаться сложной задачей — систему непросто оптимизировать без достижения компромисса с другими ее аспектами. Такая негибкость порождает трудности адаптации сети к возникающим потребностям и технологическим достижениям; 
• непрерывный рост размера блокчейна с течением времени, что связано с необходимостью хранения всех транзакционных данных. В результате повышаются требования к оборудованию, создавая риски для децентрализации; 
• ограниченный контроль. Приложения должны следовать предопределенным правилам сети, в которой они развернуты: парадигме программирования, возможностям реализации хардфорков, культуре сообщества и т. д.; 
• возможные трудности привлечения майнеров или валидаторов, от которых зависит безопасность сети.

«Накладные расходы при развертывании монолитных блокчейнов высоки. Что еще хуже, фрагментируется безопасность, поскольку у каждой цепочки есть задача по созданию собственного набора валидаторов. Если мы хотим интернет блокчейнов, нельзя, чтобы каждый из них обеспечивал собственную безопасность», — отмечают представители проекта Celestia.

По их словам, фрагментация из-за относительной закрытости монолитных блокчейнов может создавать препятствия интероперабельности, усложнять жизнь разработчикам и негативно сказываться на пользовательском опыте.

Какие преимущества и недостатки у модульных блокчейнов?

Из плюсов модульных блокчейнов можно выделить: 

• масштабируемость — благодаря тому, что обработка транзакций и другие ресурсоемкие задачи возлагаются на L2-сети. Последние способны обрабатывать большие объемы ончейн-операций без ущерба для безопасности или децентрализации; 
• высокий уровень безопасности и децентрализации, обеспечиваемый базовым уровнем;
• гибкость и совместимость с другими L1- и L2-системами, что позволяет разработчикам легко запускать различные сети и виртуальные машины, включая EVM; 
• хороший пользовательский опыт. В частности, модульный дизайн позволяет достичь высокого уровня интероперабельности. Это позволяет разработчикам создавать универсальные приложения, снижать входные барьеры для новичков и упрощать взаимодействие для существующих блокчейн-пользователей; 
• перспективность. Модульные блокчейны лучше адаптируемы к изменениям и улучшениям технологии. Вынося отдельные функции на другие уровни, цепочки легче обновлять, не оказывая существенного влияния на всю систему; 
• равномерное распределение безопасности между сетями модульной системы.
• суверенность. Приложения на основе монолитных блокчейнов связаны предопределенным набором правил (технические аспекты, язык программирования для создания смарт-контрактов, социальный консенсус и т. д.). В контексте модульных систем разработчики могут свободно вносить изменения в технологический стек, например, для создания более эффективной среды исполнения или для изменения механизма обработки транзакций.

Минусы и риски модульных блокчейнов: 

• сложность. Разработка и обслуживание многоуровневой архитектуры модульных блокчейнов может оказаться непростой задачей. Сложность подобных систем — потенциальный барьер и для новичков индустрии, которые еще только начинают разбираться в новых технологиях;
• не столь длинный послужной список в сравнении с монолитными блокчейнами. Многим модульным системам еще предстоит доказать свою жизнеспособность; 
• риски, связанные с безопасностью. Если неэффективен уровень, отвечающий за консенсус и доступность данных, модульная система может выйти из строя; 
• потенциально низкий спрос на криптоактивы некоторых модульных блокчейнов из-за их ограниченного применения. Например, отвечающий за консенсус и доступность данных уровень, скорее всего, будет менее активно использовать собственный utility-токен, чем в случае с уровнем исполнения.

Какие есть примеры модульных блокчейнов?

Celestia и Polygon Avail

Celestia — один из наиболее известных представителей модульных блокчейнов. В октябре 2022 года проект привлек $55 млн в раунде под руководством Bain Capital Crypto и Polychain Capital.

Блокчейн позволяет роллапам и другим модульным цепочкам использовать Celestia для обеспечения доступности данных и консенсуса. Ноды могут подтверждать доступность данных без необходимости загрузки всего набора для конкретного блока.

Архитектура Celestia разработана таким образом, чтобы позволить ее узлам одновременно достигать консенсуса в различных сетях при выполнении транзакций офчейн. 

Четкое разделение уровней консенсуса и исполнения позволяет Celestia сосредоточиться на создании организованного и системного подхода к хранению данных, оставляя выполнение транзакций отдельным цепочкам.

В марте 2023 года компания выделила разработанную модульную структуру Rollkit для поддержки роллапов на блокчейне биткоина в отдельное направление бизнеса.

Осенью 2023 года разработчики Celestia запустили мейннет Lemon Mint, а токен TIA начал торговаться на ряде крупных бирж. 

Проект Polygon разрабатывает схожее модульное решение — Avail. Оно предназначено для снижения нагрузки на блокчейны за счет переноса данных и повышения масштабируемости «по всем направлениям». 

Avail позиционируется как слой доступности данных для Optimism, Validium и других решений на базе доказательств с нулевым разглашением, которые будут работать поверх него. Технология позволит размещать и подтверждать доступность данных вне сети, выступая ключевым компонентом концепции модульной сетевой структуры.

«Avail специализируется на упорядочивании транзакций и сохранении их доступности, не занимаясь валидацией, как это происходит в типичных блокчейнах», — объяснил соучредитель Polygon Анураг Арджун.

Решение позволяет создавать произвольные блокчейны с любой средой выполнения (EVM, wasm и другие) без ущерба для децентрализации или безопасности.

Роллапы

Как уже упоминалось, роллапы работают в контексте модульного подхода. Optimistic rollups используют Optimistic Virtual Machine, а ZK-rollups — zkEVM в качестве уровня исполнения (смарт-контракты, обработка транзакций). 

Оба типа роллапов полагаются на Ethereum для прочих важных функций:

• доступность данных и консенсус. Роллапы публикуют данные транзакций в основную сеть как CALLDATA;
• урегулирование. Все объединенные транзакции финализируются в Ethereum. В случае с ZK-rollups это происходит после верификации доказательства с нулевым разглашением. В контексте Optimistic rollups пакеты транзакций по умолчанию считаются валидными, а транзакции проверяют, только если кто-либо ее оспорил.

Validium

Технология масштабирования под названием Validium имеет много общего с ZK-rollups. Ее особенность в том, что транзакции выполняются офчейн. Затем система отправляет данные пакетами (батчами) в родительскую цепочку вместе с доказательством валидности. 

В таких платформах может использоваться структура вроде «комитета доступности данных» (DAC) или отдельной сети на базе Proof-of-Stake как в случае с Celestia. 

Таким образом, модульный стек Validium состоит из таких элементов: 

• уровень исполнения;
• уровень урегулирования и безопасности (родительская цепочка);
• уровень доступности данных и консенсуса (DAC или отдельная PoS-сеть).

Примеры систем на базе Validium (согласно L2BEAT): Immutable X, ZKFair, ApeX, rhino.fi, Sorare.