МЕТОДЫ И СТРАТЕГИИ МАСШТАБИРУЕМОСТИ БЛОКЧЕЙН-ТЕХНОЛОГИЙ: АНАЛИЗ, СРАВНЕНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ

Международный научный журнал «ВЕСТНИК НАУКИ» № 11 (68) Том 4. НОЯБРЬ 2023 г. УДК 004

Абдулжалилов А.З.

студент магистратуры Дагестанский государственный технический университет

МЕТОДЫ И СТРАТЕГИИ МАСШТАБИРУЕМОСТИ БЛОКЧЕЙН-ТЕХНОЛОГИЙ: АНАЛИЗ, СРАВНЕНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ

Аннотация: в данной статье рассмотрены различные методы масштабирования блокчейн технологии. Особое внимание уделено шардингу, сегментированию и федеративному подходу. Также рассмотрена концепция парачейнов, которая позволяет повысить эффективность блокчейн системы. Решение проблемы масштабируемости является ключевым аспектом развития блокчейн технологии и требует дальнейших исследований и разработок.

Ключевые слова: блокчейн, масштабируемость, сеть, узел, транзакция, пропускная способность.

Blockchain - это децентрализованная, распределенная и защищенная от несанкционированного доступа база данных, которая хранит информацию о всех транзакциях в сети. Она работает по принципу "цепочки блоков", где каждый новый блок связан с предыдущим, что обеспечивает безопасность и неизменность информации. Принцип работы блокчейна проиллюстрируем на рис. 1.

Типы и виды блокчейна могут различаться по различным параметрам, таким как назначение (частные, общедоступные, гибридные), консенсус (например, PoW, PoS, DAG), архитектура (например, цепочка, дерево, решетка) и другие. Некоторые из наиболее известных типов блокчейнов включают в себя:

Биткоин (Bitcoin) - наиболее известный тип блокчейна, который используется для обработки транзакций с криптовалютой.

Эфириум (Ethereum) - платформа с поддержкой смарт-контрактов и возможностью создания собственных токенов на основе блокчейна.

Corda - блокчейн, предназначенный для корпоративных сетей и обеспечивающий высокую степень контроля над данными.

Hyperledger Fabric - блокчейн-решение с акцентом на приватность и контроль доступа к данным.

IOTA Tangle - блокчейн без майнинга, основанный на технологии DAG и обеспечивающий масштабируемость и энергоэффективность.

Рис. 1. Функциональная схема работы блокчейн-технологии

Для достижения цели исследования был проведен обзор актуальной литературы и научных статей, посвященных проблеме масштабируемости блокчейна. В ходе обзора были выявлены основные методы и идеи, предлагаемые исследователями и разработчиками для улучшения масштабируемости блокчейна.

На основе обзора литературы и научных исследований были выявлены следующие уникальные методы и идеи, которые могут быть использованы для масштабируемости блокчейна:

1. Распределенные системы управления списками (Distributed Ledger Technology) - данная концепция предлагает использование распределенных систем управления списками, которые позволяют эффективно хранить и обрабатывать большие объемы данных в блокчейне. Такие системы могут обеспечить параллельную обработку операций и уменьшение времени на подтверждение транзакций.

2. Использование шардинга - шардинг представляет собой разделение блокчейна на несколько фрагментов или шардов, каждый из которых может обрабатывать независимые операции. Это позволяет увеличить пропускную способность и масштабируемость системы, так как каждый шард может работать независимо и параллельно.

3. Применение sidechains (боковых цепей) - боковая цепь представляет собой отдельную цепочку блоков, которая может быть связана с главным блокчейном. Такие цепи могут использоваться для обработки определенных типов транзакций или данных, что позволяет улучшить производительность и масштабируемость системы.

4. Внедрение алгоритмов консенсуса, основанных на доказательстве доли, таких как Delegated Proof-of-Stake (dPoS) или Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT). Эти алгоритмы позволяют достичь высокой производительности и масштабируемости блокчейна за счет выбора небольшого количества участников для проверки и подтверждения транзакций.

В теоретической перспективе, общий подход к решению вопроса масштабируемости заключается в улучшениях на уровне протокола. Распространенным решением для увеличения масштабируемости сети Биткойн является увеличение размера блока. Есть и другие предложения, включая перенос части вычислительной нагрузки за пределы блокчейна - например, используя сети состояния, находящиеся за пределами блокчейна. На основе этих решений, все предложения можно разделить на две категории - решения внутри блокчейна, базирующие на идее изменения основных протоколов, поддерживающих работу блокчейна, и решения за пределами блокчейна,

использующие сторонние ресурсы сети и процессов для его разгрузки и совершенствования.

Одно из предложений по решению проблем блокчейна было представлено Эндрю Миллером и другими в работе [1, стр. 9] -Масштабирование децентрализованных блокчейнов (On Scaling Decentralized Blockchains). В этой статье предлагается рассматривать блокчейн как состоящий из нескольких абстрактных уровней, называемых плоскостями. Каждая из этих плоскостей выполняет определенные функции, включая сетевую плоскость, плоскость консенсуса, и стороннюю плоскость. Этот подход позволяет работать над проблемами и ограничениями в каждой плоскости отдельно и структурировано. В следующих разделах приводится краткое описание каждой плоскости с примерами из системы Bitcoin.

Плоскость сети - играет ключевую роль в распространении транзакций. В сети Bitcoin она использует низкую пропускную способность, так как подтверждение транзакции узлом требует много времени и дублируется при трансляции транзакции и майнинге блока.

Плоскость консенсуса - данный уровень играет ключевую роль в майнинге и достижении консенсуса. Ограничения на этом уровне связаны с PoW-алгоритмами, поскольку увеличение скорости и пропускной способности может негативно повлиять на безопасность сети из-за возрастания числа вилок (форков).

Плоскость хранения - обеспечивает хранение регистрационного журнала и сталкивается с проблемой необходимости хранения полной копии каждого узла. В сети Биткойн используется метод "обрезки", который позволяет узлам не хранить весь блокчейн, удаляя старые подтвержденные данные. Это значительно улучшает ситуацию с хранилищем.

Плоскость вида - предлагает оптимизацию работы майнеров Bitcoin с использованием представления всего регистрационного журнала вместо всего блокчейна. Это устраняет необходимость хранения всего блокчейна на майнинговых узлах. Авторы исследования предложили концепцию транзакций

за пределами блокчейна, которая все еще поддерживается основным блокчейном Bitcoin. Эта модель может быть использована для описания ограничений и улучшений в существующих блокчейнах. Также было предложено несколько общих стратегий для улучшения текущих блокчейнов Bitcoin и Ethereum, которые обсуждаются в следующем разделе.

Увеличение размера блока - одно из предложений для повышения производительности блокчейна (пропускная способность обработки транзакций) Bitcoin. Сейчас сеть способна обрабатывать от 3 до 7 транзакций в секунду, что существенно ограничивает применение блокчейна Bitcoin в обработке микротранзакций. Размер блока сети Bitcoin установлен в коде на уровне 1 MB, но при увеличении размера блока можно вместить больше транзакций и улучшить время подтверждения. Различные проекты развития Bitcoin (предложения по улучшению Биткоин - BIP), поддерживают увеличение размера блока, включая BIP100, BIP101, BIP102, BIP103 и BIP109.

Уменьшение интервала блока - обсуждается как способ увеличения производительности сети. Это может ускорить процесс финализации блоков, но также может привести к снижению безопасности из-за большего количества возможных разветвлений. В Ethereum время создания блока составляет около 14 секунд, по сравнению с 10 минутами в сети Bitcoin. Ethereum решает проблему большого количества "лишних" блоков благодаря механизму Greedy Heaviest Observed Subtree (GHOST), который включает их в итоговый блокчейн. На текущий момент Ethereum перешел на доказательство владения (PoS), решив вопрос масштабирования и устранив необходимость в майнинге. Транзакции теперь подтверждаются почти мгновенно.

Инвертированная таблица поиска Блума (IBLT) - один из способов уменьшения объема данных, передаваемых в сети Биткоин. Данный способ предложен Гэвином Андресеном и не вызывает форков при ее использовании. Вместо передачи всех транзакций используется передача только тех, которых нет в пуле узла. Это ускоряет синхронизацию и повышает общую масштабируемость сети Биткоин.

Шардинг - метод масштабирования для распределенных систем (например, MongoDB, MySQL). Разделяет задачи на части, обрабатываемые разными узлами. В блокчейне по аналогии: состояние сети делится на шарды с балансами, кодом и т. д. Шарды - это фрагменты блокчейна в одной сети.

Каналы состояния - это метод оптимизации работы с блокчейном, который включает использование сторонних каналов для обработки операций вне основной цепи, с последующим сохранением обновленного состояния в основной блокчейн. Это ускоряет транзакции, уменьшает нагрузку на основную сеть и может служить решением проблемы масштабирования. Хотя это и не является полноценной заменой шардинга, в результате получается быстрая и надежная сеть.

Приватный блокчейн - обеспечивает высокую скорость операций и обходит проблему масштабирования публичного блокчейна. Однако, это не является полноценным решением, и приватные блокчейны оптимальны только для определенных сфер и структур, например, известных предприятий.

Доказательство доли владения - вместо использования алгоритма доказательства работы (Proof of Work - PoW) используется алгоритм доказательства доли владения (Proof of Stake - PoS). Блокчейны, работающие на таком алгоритме, многократно быстрее.

Сайдчейны - это технология, которая может улучшить масштабируемость блокчейна за счет совместной работы с основным блокчейном нескольких сайдчейнов. Менее безопасные и быстрые операции выполняются в сайдчейнах, однако они остаются связанными с основным блокчейном. Принцип работы сайдчейна основан на двусторонней связи, что позволяет переводить монеты из основного блокчейна в сайдчейн и обратно.

Сабчейны - это новый метод, предложенный Питером Р. Ризуном, основанный на создании «слабых» блоков, которые затем складываются в уровни, формируя «сильный» блок. Использование сабчейнов ускоряет обработку транзакций и уменьшает вероятность появления «сиротских» блоков.

Для реализации сабчейнов не обязательны мягкие или жесткие вилки (форк), однако требуется одобрение сообщества.

Цепи-деревья - это еще один метод масштабирования сети Bitcoin, который меняет структуру блокчейна с линейной последовательности на дерево. Он работает как бинарное дерево, исходящее от основного блокчейна Bitcoin. Этот метод похож на использование сайдчейнов и не требует серьезных изменений в протоколе или размере блока. Он улучшает пропускную способность транзакций, поскольку сами блокчейны разбиваются на части и распределяются по сети. В цепях-деревьях не требуется майнинг для подтверждения блоков, пользователи могут самостоятельно подтверждать заголовки блоков. Однако этот подход еще не готов к массовому использованию и требует дополнительных исследований для улучшения эффективности.

В дополнение к уже упомянутым методам, в работе [3 c.46-48] были предложены специфичные для сети Bitcoin усовершенствования. Их автор -Кристиан Декер, описал их в книге "On The Scalability And Security Of Bitcoin". Метод основывается на ускорении процесса распространения данных, так как текущий механизм часто приводит к созданию вилок в блокчейне. Методы включают минимизацию процесса верификации, упорядочивание распространения блоков и улучшение связности. Эти изменения не требуют кардинальных изменений на уровне протокола и могут быт внедрены независимо в программное обеспечение узлов Bitcoin.

Метод распространения блоков (пайплайнинг). Этот метод основан на ранней доступности блока, уменьшая тем самым время оборота между узлами. Проблема длинных дистанций между источником транзакции и узлами также замедляет распространение. Исследования Кристиана Декера показали, что улучшение связи уменьшает задержку распространения блоков и транзакций. Это приводит к уменьшению расстояния между узлами и ускоряет распространение информации в сети. Эффективным решением проблем масштабируемости вероятно станет комбинация различных методов, как распространение блоков и сабчейны.

Несколько инициатив по решению проблем масштабирования и безопасности блокчейнов сейчас готовы к реализации или уже применяются. Например, Segregated Witness (SegWit) может значительно помочь с масштабированием и требует лишь мягкого форка для внедрения.

Bitcoin-NG - еще один метод, привлекший внимание, основан на идее микроблоков и выборе лидера для каждого цикла создания блоков. Блок разделяется на два типа: лидерский (ключевой) блок, отвечающий за доказательство выполнения работы и содержащий актуальные транзакции, и микроблоки, создаваемые выбранным лидером без требования доказательства выполнения работы. Это увеличивает производительность и ускоряет транзакции. С другой стороны, Виталий Бутерин представил документацию Ethereum mauve на Ethereum Devcon2 в Шанхае, описывающую масштабируемость и прочие вызовы.

Plasma - еще одно предложение по масштабированию, разработанное Джозефом Пуном и Виталием Бутериным, описывает идею запуска смарт-контрактов на основном блокчейне (таком как Ethereum MainNet) с возможностью использования дочерних блокчейнов для обработки большого количества транзакций с минимальными затратами для основного блокчейна. В данной модели блокчейны формируют иерархическое древо, майнинг в котором ведется только на основном (базовом) блокчейне, который затем передает дочерним блокчейнам доказательства своей безопасности. Такая система также известна как "система второго уровня", как и каналы состояния, которые функционируют на втором уровне базового блокчейна.

В данной статье были проанализированы уникальные методы и идеи для масштабируемости блокчейна. Результаты исследования показали, что данные методы и идеи могут значительно улучшить масштабируемость блокчейна и повысить его производительность. Однако, перед применением данных методов необходимо учитывать их особенности, ограничения и риски.

Дальнейшие исследования и разработки в данной области помогут улучшить уже существующие методы и идеи, а также предложить новые решения и подходы к проблеме масштабируемости блокчейна.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Kyle Croman., Christian Decker и др. On Scaling Decentralized Blockchains // In financial сryptography workshops. 2016. С. 106 - 125;

2. Back, M. Corallo, L. и др. Enabling Blockchain Innovations with Pegged Sidechains // Blockstream.com. 2014. [Электронный ресурс]. URL:https://www.blockstream.com/sidechains.pdf.;

3. Decker. О масштабируемости и безопасности Биткойна // Январь. 2016. ISBN: 1530769450.;

4. Buterin, V. Ethereum: A Next Generation Smart Contract and Decentralized Application Platform. 2013.;

5. Eyal, I., and Sirer, E.G. Majority is not enough: Bitcoin mining is vulnerable. 2014.;

6. Sompolinsky, Y., and Zohar, A. Secure High-Rate Transaction Processing in Bitcoin. 2015.;

7. Прасти Н. П70 Блокчейн: Разработка приложений // Пер. с англ. — СПб.: БХВ-Петербург. 2018. C. 256.;

8. C. Decker and R. Wattenhofer. Information propagation in the bitcoin network // In IE-E-E P2P. 2013. C. 1-10.

Abdulzhalilov A.Z.

Dagestan State Technical University

METHODS AND STRATEGIES FOR SCALABILITY OF BLOCKCHAIN TECHNOLOGIES: ANALYSIS, COMPARISON AND PROSPECTS

Abstract: this article discusses various methods of scaling blockchain technology. Particular attention is paid to sharding, segmentation and the federated approach. The concept of parachains is also considered, which allows to increase the efficiency of the blockchain system. Solving the scalability problem is a key aspect of the development of blockchain technology and requires further research and development.

Keywords: blockchain, scalability, network, node, transaction, throughput.