Technologia blockchain oferuje zdecentralizowane systemy, które mogą działać bez polegania na centralnym podmiocie. Jednak wraz z rosnącą liczbą użytkowników, aplikacji i transakcji sieci blockchain stają przed podstawowym wyzwaniem: jak obsłużyć znacznie większą aktywność, nie stając się przy tym wolniejszymi, droższymi lub coraz bardziej scentralizowanymi?

To wyzwanie określa się jako skalowalność blockchaina. Wpływa ono na wszystko, od opłat transakcyjnych i czasu potwierdzania po sprzęt wymagany do obsługi sieci. Deweloperzy zaproponowali wiele rozwiązań, w tym większe bloki, sieci Layer 2, sharding, alternatywne mechanizmy konsensusu i nowe architektury blockchain. Nie istnieje jednak uniwersalne rozwiązanie, ponieważ zwiększenie przepustowości często wiąże się z kompromisami w innych obszarach.

Zrozumienie skalowalności pomaga wyjaśnić, dlaczego sieci blockchain są projektowane na tak różne sposoby i dlaczego skalowanie pozostaje jednym z najważniejszych wyzwań technicznych w branży.

Co oznacza skalowalność blockchaina?

Skalowalność opisuje zdolność sieci blockchain do obsługi rosnącej aktywności przy jednoczesnym zachowaniu akceptowalnej wydajności.

Skalowalna sieć powinna w idealnym przypadku być w stanie obsługiwać więcej użytkowników i transakcji bez gwałtownego wzrostu opłat, czasu potwierdzania lub wymagań infrastrukturalnych.

Ze skalowalnością powszechnie wiąże się kilka wskaźników, w tym:

• Przepustowość transakcji: Ile transakcji sieć może przetworzyć w określonym czasie.
• Czas potwierdzenia: Jak długo użytkownicy zazwyczaj czekają, zanim transakcja zostanie uznana za wystarczająco potwierdzoną.
• Koszt transakcji: Jak kosztowne staje się korzystanie z sieci, gdy rośnie zapotrzebowanie.
• Przepustowość sieci: Ile danych blockchain może przetwarzać i przechowywać.
• Wymagania dotyczące węzłów: Ile mocy obliczeniowej, przepustowości łącza i przestrzeni dyskowej jest potrzebne do uczestnictwa w sieci.

Skalowalności nie można jednak sprowadzić do jednej liczby, takiej jak liczba transakcji na sekundę. Sieć przetwarzająca tysiące transakcji na sekundę niekoniecznie jest "lepsza", jeśli wymaga to kosztownej infrastruktury lub odbywa się kosztem decentralizacji.

Dlaczego blockchainy trudno skalować

Tradycyjne scentralizowane systemy często mogą zwiększyć swoją wydajność poprzez modernizację serwerów, dodawanie baz danych lub rozdzielanie obciążeń pomiędzy centra danych.

Publiczne blockchainy działają inaczej.

Zamiast powierzać jednej organizacji utrzymywanie nadrzędnej bazy danych, sieci blockchain rozdzielają odpowiedzialność pomiędzy wielu niezależnych uczestników. W zależności od sieci liczne węzły mogą odbierać transakcje, weryfikować je, przechowywać dane blockchaina oraz bezpośrednio lub pośrednio uczestniczyć w konsensusie.

Ta redundancja jest cenna, ponieważ zmniejsza zależność od centralnego operatora. Jednocześnie powoduje jednak dodatkowe obciążenie.

Jeśli tysiące niezależnych komputerów muszą weryfikować te same informacje, system nie może być po prostu zoptymalizowany pod kątem maksymalnej szybkości przetwarzania. Trzeba również uwzględnić, czy zwykli uczestnicy nadal będą mogli niezależnie weryfikować sieć.

Sprawia to, że skalowalność blockchaina jest częściowo kwestią tego, jak wiele pracy sieć może wymagać od swoich uczestników, nie wykluczając przy tym zbyt wielu z nich.

Trylemat blockchaina

W dyskusjach o skalowalności często pojawia się trylemat blockchaina, koncepcja powszechnie kojarzona ze współzałożycielem Ethereum, Vitalikiem Buterinem.

Opisuje on trudność jednoczesnego maksymalizowania trzech pożądanych właściwości:

• Decentralizacja: Kontrola i weryfikacja są rozdzielone pomiędzy wielu niezależnych uczestników.
• Bezpieczeństwo: Sieć pozostaje odporna na ataki, manipulacje, cenzurę i nieprawidłowe transakcje.
• Skalowalność: Sieć może efektywnie przetwarzać dużą ilość aktywności.

Trylemat nie jest ścisłym prawem matematycznym mówiącym, że blockchain może posiadać tylko dwie z tych właściwości. Jest raczej użytecznym sposobem opisania kompromisów, z którymi deweloperzy spotykają się podczas projektowania zdecentralizowanych sieci.

Na przykład zwiększenie ilości danych przetwarzanych w każdym bloku może poprawić przepustowość transakcji. Jeśli jednak znacznie zwiększy to wymagania dotyczące sprzętu i przepustowości łącza, mniej osób będzie mogło obsługiwać węzły.

Sieć staje się szybsza, ale potencjalnie mniej zdecentralizowana.

Dlaczego zwiększenie rozmiaru bloków nie jest pełnym rozwiązaniem

Jednym z pozornie prostych sposobów na zwiększenie przepustowości blockchaina jest umożliwienie stosowania większych bloków.

Wyobraź sobie blok jako pojemnik zawierający transakcje. Jeśli każdy taki pojemnik może pomieścić więcej transakcji, blockchain może teoretycznie przetwarzać więcej aktywności w tym samym czasie.

Większe bloki zawierają jednak również więcej danych.

Węzły muszą pobierać, weryfikować, przesyłać i potencjalnie przechowywać te dodatkowe informacje. Wraz ze wzrostem rozmiaru bloków rosną również wymagania sieci.

Operatorzy mogą potrzebować:

• Szybszych połączeń internetowych
• Większej przestrzeni dyskowej
• Większej mocy obliczeniowej
• Większej ilości pamięci
• Droższego sprzętu

Jeśli obsługa węzła stanie się zbyt wymagająca, mniej osób może zdecydować się na jego prowadzenie lub być w stanie to robić.

Pokazuje to powtarzający się problem związany ze skalowalnością: zwiększenie samej przepustowości może przenieść koszty skalowania na uczestników sieci.

Dlaczego szybsze bloki również wiążą się z kompromisami

Innym możliwym podejściem jest skrócenie czasu pomiędzy blokami.

Jeśli bloki są tworzone częściej, transakcje mogą potencjalnie być przetwarzane szybciej.

Bloki potrzebują jednak czasu, aby rozprzestrzenić się w sieci. Kiedy tworzony jest nowy blok, informacje o nim muszą dotrzeć do uczestników znajdujących się w różnych lokalizacjach geograficznych i korzystających z różnych połączeń internetowych.

Bardzo szybkie tworzenie bloków może utrudniać synchronizację sieci i zwiększać prawdopodobieństwo, że uczestnicy będą tymczasowo mieć różne informacje na temat najnowszego stanu blockchaina.

Różne architektury blockchain rozwiązują ten problem na różne sposoby, ale samo przyspieszenie tworzenia bloków nie eliminuje podstawowych ograniczeń sieciowych.

Przeciążenie sieci i opłaty transakcyjne

Problemy ze skalowalnością stają się szczególnie widoczne w okresach dużego zapotrzebowania.

Blockchain ma w danym momencie ograniczoną przepustowość transakcji. Kiedy więcej osób chce przesłać transakcje, niż sieć jest w stanie natychmiast przetworzyć, w praktyce konkurują one o ograniczone miejsce w blokach.

W sieciach wykorzystujących rynek opłat użytkownicy mogą oferować wyższe opłaty, aby zachęcić walidatorów lub górników do nadania ich transakcjom wyższego priorytetu.

Może to powodować gwałtowny wzrost opłat transakcyjnych w okresach przeciążenia sieci.

Przeciążenie może być wywołane przez wiele rodzajów aktywności, w tym:

• Gwałtowne ruchy na rynku kryptowalut
• Popularne premiery tokenów
• Aktywność związana z NFT
• Aplikacje DeFi
• Gry blockchain
• Airdropy
• Spekulacja meme coinami
• Nagły wzrost ogólnego wykorzystania sieci

Wysokie opłaty często nie są więc po prostu arbitralną cechą blockchaina. Mogą być objawem tego, że zapotrzebowanie przekracza dostępną przepustowość.

Dlaczego liczba transakcji na sekundę może być myląca

Sieci blockchain są często porównywane na podstawie liczby transakcji na sekundę, zwykle określanej skrótem TPS.

Choć TPS jest przydatnym wskaźnikiem, należy interpretować go ostrożnie.

Nie wszystkie transakcje wymagają takiej samej ilości pracy obliczeniowej lub danych. Prosty transfer kryptowaluty może wymagać znacznie mniej zasobów niż złożona interakcja ze smart kontraktem.

Różne projekty mogą również w różny sposób obliczać lub przedstawiać TPS.

Co ważniejsze, blockchain może osiągnąć niezwykle wysoką przepustowość poprzez wymaganie wydajnych serwerów i ograniczenie liczby maszyn zdolnych do walidacji sieci.

Taki system może być szybki, ale jego poziom decentralizacji znacznie różniłby się od sieci zaprojektowanej tak, aby umożliwiać weryfikację przy użyciu stosunkowo niewymagającego sprzętu.

Z tego powodu przepustowość należy rozpatrywać razem z decentralizacją, wymaganiami sprzętowymi, bezpieczeństwem, finalnością i innymi właściwościami sieci.

Rosnący problem danych blockchaina

Skalowalność nie dotyczy wyłącznie szybkiego przetwarzania transakcji. Obejmuje również zarządzanie rosnącą ilością danych blockchaina.

Wraz z gromadzeniem się transakcji historia blockchaina może osiągnąć ogromne rozmiary.

W zależności od sieci i konfiguracji węzła uczestnicy mogą potrzebować znacznej przestrzeni dyskowej do przechowywania danych blockchaina. Szybki wzrost przepustowości transakcji może dodatkowo przyspieszyć przyrost tych danych.

Rodzi to ważne długoterminowe pytanie:

Jeśli aktywność blockchaina wzrośnie o kilka rzędów wielkości, kto będzie w stanie przechowywać powstałe dane i niezależnie je weryfikować?

Technologie takie jak pruning, snapshoty, badania nad statelessness, wyspecjalizowane konfiguracje węzłów i bardziej wydajne struktury danych mają na celu zmniejszenie tego obciążenia.

Dostępność danych i ich weryfikacja pozostają jednak ważnymi elementami wyzwania związanego ze skalowalnością.

Skalowanie Layer 1

Ulepszenia skalowalności wprowadzane bezpośrednio w bazowym blockchainie są ogólnie określane jako skalowanie Layer 1.

Możliwe podejścia w ramach Layer 1 obejmują:

• Zwiększanie pojemności bloków
• Usprawnianie przetwarzania transakcji
• Optymalizację struktur danych
• Wykorzystywanie bardziej wydajnych mechanizmów konsensusu
• Równoległe wykonywanie transakcji
• Wprowadzenie shardingu
• Usprawnianie komunikacji sieciowej i propagacji bloków
• Ograniczanie zbędnego obciążenia obliczeniowego

Różne projekty blockchain podejmują różne decyzje w zależności od swoich priorytetów.

Niektóre sieci świadomie akceptują wyższe wymagania sprzętowe w zamian za większą przepustowość. Inne traktują priorytetowo możliwość niezależnej weryfikacji blockchaina przez szerszą grupę użytkowników.

Nie istnieje jeden właściwy model, ponieważ różne sieci są optymalizowane pod kątem różnych celów.

Sharding

Sharding to podejście zaprojektowane tak, aby każdy uczestnik nie musiał przetwarzać całej aktywności sieci.

Zamiast traktować blockchain jako jedno obciążenie przetwarzane w ten sam sposób przez całą sieć, sharding dzieli określone zadania pomiędzy różne grupy lub części.

Teoretycznie pozwala to wykonywać wiele operacji równolegle.

Koncepcja przypomina podzielenie dużego obciążenia pomiędzy kilka zespołów, zamiast wymagania od każdego członka zespołu samodzielnego wykonania całej pracy.

Sharding blockchaina rodzi jednak trudne pytania.

Jak shardy bezpiecznie komunikują się ze sobą? Co się dzieje, gdy transakcja obejmuje wiele shardów? Jak gwarantowana jest dostępność danych? W jaki sposób system zapobiega skoncentrowaniu przez atakujących zasobów przeciwko konkretnemu shardowi?

Sharding może poprawić skalowalność, ale jednocześnie wprowadza znaczną złożoność architektury.

Sieci Layer 2

Zamiast zmuszać bazowy blockchain do bezpośredniego przetwarzania każdej pojedynczej transakcji, inną strategią jest przeniesienie części aktywności do systemów Layer 2.

Rozwiązania Layer 2 wykonują transakcje lub obliczenia poza warstwą bazową, jednocześnie wykorzystując bazowy blockchain do rozliczeń, zapewniania bezpieczeństwa, dostępności danych, rozstrzygania sporów lub połączenia tych funkcji.

Jednym z najbardziej znanych przykładów jest wykorzystanie rollupów.

Rollupy przetwarzają wiele transakcji poza bazową warstwą wykonawczą, a następnie przesyłają skompresowane dane, dowody lub wyniki transakcji z powrotem do bazowego blockchaina.

Dwie główne kategorie to:

• Optimistic rollups, które zasadniczo zakładają, że przesłane wyniki są prawidłowe, dopóki nie zostaną zakwestionowane.
• Zero-knowledge rollups, które wykorzystują dowody kryptograficzne do wykazania, że obliczenia zostały wykonane prawidłowo.

Łącząc wiele transakcji w mniejszą ilość aktywności na warstwie bazowej, rollupy mogą znacząco zwiększyć efektywną przepustowość.

Skalowanie za pomocą kanałów płatności

Kanały płatności oferują kolejny sposób na przeniesienie powtarzających się transakcji poza główny blockchain.

Dwóch uczestników może utworzyć kanał, przeprowadzić między sobą wiele transakcji, a następnie rozliczyć końcowy wynik na blockchainie.

Lightning Network Bitcoina jest dobrze znanym przykładem tego podejścia.

Zamiast zapisywać każdą niewielką płatność bezpośrednio na warstwie bazowej Bitcoina, uczestnicy mogą dokonywać płatności za pośrednictwem sieci kanałów.

Może to umożliwić szybkie i tanie transakcje, jednocześnie zmniejszając zapotrzebowanie na miejsce w blokach warstwy bazowej.

Sieci kanałów płatności mają jednak własne wyzwania, w tym zarządzanie płynnością, routing, dostępność kanałów i doświadczenie użytkownika.

Alternatywne architektury blockchain

Nie każdy blockchain działa zgodnie z tradycyjnym modelem, w którym transakcje są grupowane w jeden liniowy łańcuch bloków.

Niektóre projekty eksperymentują z alternatywnymi architekturami zaprojektowanymi tak, aby przetwarzać aktywność wydajniej lub równolegle.

Obejmują one różne formy:

• Skierowanych grafów acyklicznych (DAG)
• BlockDAG
• Systemów równoległego wykonywania
• Modułowych architektur blockchain
• Ekosystemów wielu łańcuchów

Takie architektury mogą umożliwiać jednoczesne przetwarzanie transakcji lub bloków, zamiast kierowania całej aktywności przez jedną sekwencyjną ścieżkę.

Alternatywne architektury nadal muszą jednak rozwiązywać podstawowe problemy związane z konsensusem, bezpieczeństwem, dostępnością danych, komunikacją sieciową i decentralizacją.

Zmiana architektury może zmienić kompromisy, ale nie sprawia, że znikają.

Modułowe blockchainy

Tradycyjne blockchainy często realizują kilka głównych funkcji w ramach tego samego systemu:

Wykonywanie: Przetwarzanie transakcji i smart kontraktów.

Konsensus: Ustalanie zgodności co do stanu sieci.

Rozliczenie: Ustalanie ostatecznego wyniku transakcji.

Dostępność danych: Zapewnienie dostępu do informacji wymaganych do weryfikacji blockchaina.

Modułowe architektury blockchain próbują oddzielić od siebie część tych zadań.

Zamiast wymagać, aby jeden blockchain realizował wszystkie funkcje, wyspecjalizowane warstwy mogą zajmować się różnymi zadaniami.

Na przykład jedna warstwa może koncentrować się na wykonywaniu transakcji, inna zapewniać dostępność danych, a kolejna pełnić funkcję warstwy rozliczeniowej.

Celem jest umożliwienie niezależnego skalowania różnych komponentów.

Kompromisem jest większa złożoność. Użytkownicy i deweloperzy muszą korzystać z wielu warstw, mostów, protokołów i różnych założeń dotyczących bezpieczeństwa.

Wymagania sprzętowe mają znaczenie

Jednym z najważniejszych, ale czasami pomijanych aspektów skalowalności blockchaina jest sprzęt wymagany do uczestnictwa w sieci.

Załóżmy, że blockchain mógłby przetwarzać setki tysięcy transakcji na sekundę, ale niezależna weryfikacja sieci wymagałaby niezwykle drogich serwerów i ogromnej przepustowości łącza.

Taka sieć mogłaby mieć doskonałą przepustowość.

Jednak tylko profesjonalni dostawcy infrastruktury mogliby być w stanie obsługiwać pełne węzły walidujące.

Mogłoby to doprowadzić do koncentracji infrastruktury sieciowej w rękach stosunkowo niewielkiej liczby organizacji.

Z drugiej strony utrzymywanie bardzo niskich wymagań sprzętowych może zwiększyć dostępność niezależnej weryfikacji, ale jednocześnie ograniczyć ilość aktywności, którą sieć może przetwarzać bezpośrednio.

Skalowalność nie polega więc wyłącznie na przyspieszaniu blockchainów. Chodzi o zwiększanie przepustowości przy jednoczesnym zachowaniu właściwości, które przede wszystkim nadają zdecentralizowanym systemom wartość.

Skalowalność i decentralizacja

Sama decentralizacja jest trudna do zmierzenia.

Blockchain może mieć tysiące węzłów, podczas gdy produkcja bloków jest zdominowana przez zaledwie kilka podmiotów. Inna sieć może mieć wielu walidatorów, ale w dużym stopniu polegać na niewielkiej liczbie dostawców infrastruktury, implementacji oprogramowania, pul stakingowych lub centrów danych.

Przy ocenie rozwiązań dotyczących skalowalności warto zastanowić się, gdzie pojawiają się dodatkowe wymagania.

Czy skalowanie wymaga droższego sprzętu?

Czy utrudnia obsługę walidatora?

Czy zachęca uczestników do polegania na wyspecjalizowanych dostawcach infrastruktury?

Czy tworzy nowych zaufanych pośredników?

Czy zwiększa zależność od mostów lub sekwencerów?

Te pytania pomagają dostrzec mniej oczywiste koszty skalowania.

Skalowalność to również problem związany z doświadczeniem użytkownika

Użytkowników zazwyczaj nie obchodzi, ile transakcji na sekundę blockchain może teoretycznie przetworzyć.

Liczy się dla nich to, czy ich transakcja działa.

Aplikacja blockchain, która wymaga od użytkowników zrozumienia przeciążenia sieci, ręcznego dostosowywania opłat, przenoszenia aktywów pomiędzy sieciami za pomocą mostów, zarządzania wieloma tokenami potrzebnymi do opłat gas lub czekania przez trudny do przewidzenia czas na potwierdzenie, może być trudna w użyciu, nawet jeśli stojąca za nią technologia jest zaawansowana.

Wielowarstwowe architektury skalowania mogą również prowadzić do fragmentacji płynności i aplikacji pomiędzy wieloma sieciami.

W rezultacie poprawa skalowalności coraz częściej obejmuje również ulepszanie infrastruktury łączącej różne warstwy i sieci.

Portfele, mosty, protokoły interoperacyjności, abstrakcja konta i lepsze interfejsy aplikacji mogą sprawić, że skomplikowana infrastruktura skalowania stanie się w dużej mierze niewidoczna dla zwykłych użytkowników.

Dlaczego nie istnieje uniwersalne rozwiązanie skalowania

Projekty blockchain podejmują różne decyzje projektowe, ponieważ służą różnym celom.

Sieć zaprojektowana głównie z myślą o częstych transakcjach w grach może traktować priorytetowo inne właściwości niż sieć przeznaczona do zapewniania wysoce bezpiecznych rozliczeń wartościowych aktywów finansowych.

Podobnie kryptowaluta skoncentrowana na płatnościach może podchodzić do skalowalności inaczej niż uniwersalna platforma smart kontraktów.

Deweloperzy muszą więc znaleźć równowagę pomiędzy wieloma czynnikami:

• Przepustowość
• Opóźnienie
• Bezpieczeństwo
• Decentralizacja
• Wymagania sprzętowe
• Wymagania dotyczące przestrzeni dyskowej
• Dostępność danych
• Koszty transakcji
• Finalność
• Interoperacyjność
• Doświadczenie deweloperów
• Doświadczenie użytkownika

Poprawa jednej właściwości może wpływać na kilka innych.

Dlatego skalowalność blockchaina lepiej rozumieć jako wielowymiarowe wyzwanie inżynieryjne, a nie jako wyścig o osiągnięcie jak najwyższej liczby TPS.

Przyszłość skalowalności blockchaina

Przyszłość skalowania blockchaina będzie prawdopodobnie opierać się na współpracy kilku technologii, a nie na jednym przełomowym rozwiązaniu wszystkich problemów.

Protokoły warstwy bazowej mogą stać się bardziej wydajne. Sieci Layer 2 mogą przenosić dużą część aktywności poza przeciążone warstwy bazowe. Ulepszone dowody kryptograficzne mogą zmniejszyć wymagania związane z weryfikacją. Technologie dostępności danych mogą sprawić, że przetwarzanie transakcji na dużą skalę stanie się bardziej praktyczne. Równoległe wykonywanie operacji może pozwolić lepiej wykorzystać nowoczesny sprzęt.

Jednocześnie portfele i aplikacje mogą ukryć przed użytkownikami znaczną część tej złożoności.

Ostatecznym celem nie musi być jeden blockchain zdolny do bezpośredniego przetwarzania każdej transakcji na świecie.

Zamiast tego ekosystemy blockchain mogą rozwinąć się w połączone ze sobą warstwy i wyspecjalizowane sieci, które rozdzielają obciążenia, jednocześnie wykorzystując zdecentralizowaną infrastrukturę do weryfikacji, rozliczeń i zapewniania bezpieczeństwa.

Skalowalność wymaga zachowania równowagi

Skalowalność blockchaina jest wyzwaniem, ponieważ zdecentralizowane sieci są celowo projektowane inaczej niż tradycyjne systemy scentralizowane.

Samo zwiększenie przepustowości transakcji jest stosunkowo łatwe, jeśli decentralizacja, dostępność i wymagania sprzętowe nie mają znaczenia. Trudność polega na zwiększaniu przepustowości przy jednoczesnym zachowaniu cech, które sprawiają, że technologia blockchain jest użyteczna.

Większe bloki, krótszy czas tworzenia bloków, sharding, sieci Layer 2, kanały płatności, modułowe architektury i nowe modele konsensusu podchodzą do tego problemu na różne sposoby. Każde z tych rozwiązań oferuje korzyści, ale jednocześnie wprowadza własne ograniczenia i kompromisy.

Dlatego prawdopodobnie nie będzie jednego ostatecznego rozwiązania problemu skalowalności blockchaina.

Skalowalność będzie natomiast nadal ewoluować, gdy deweloperzy będą znajdować lepsze sposoby na rozdzielanie obliczeń, ograniczanie wymagań dotyczących danych, ulepszanie weryfikacji kryptograficznej i koordynowanie coraz bardziej złożonych ekosystemów blockchain.

Dla użytkowników zrozumienie tych kompromisów stanowi znacznie lepszy sposób oceny sieci blockchain niż zwykłe pytanie o to, która z nich jest najszybsza.