Проблемы масштабируемости Ethereum

Ограничения основной сети Ethereum

Согласно троичной проблеме блокчейна Виталика Бутерина, ни один блокчейн не может одновременно достичь децентрализации, безопасности и масштабируемости. Необходимо сделать компромисс между этими тремя факторами. Ethereum выбрал фокус на децентрализации и безопасности. Он успешно перешел от механизма Proof of Work (PoW) к механизму Proof of Stake (PoS), лидируя в инновациях и развитии в отрасли. В результате он стал крупнейшей публичной блокчейн экосистемой, занимающей второе место после Bitcoin по децентрализации и экономической безопасности.

Однако, несмотря на множество обновлений, масштабируемость Ethereum остается ограниченной. Среднее время блока составляет 12 секунд, а количество транзакций в секунду (TPS) составляет всего около 13. При росте активности сети возникает перегрузка, сопровождающаяся высокими комиссиями за транзакции, что серьезно влияет на пользовательский опыт. Проблемы масштабируемости Ethereum становятся более заметными по мере роста экосистемы с большим количеством приложений и пользователей. В ответ на это, в 2020 году Виталик Бутерин официально объявил, что будущая дорожная карта Ethereum будет сосредоточена на Rollups (т.е. решениях Layer 2), чтобы решить проблемы масштабируемости основной сети.

Скрытые проблемы уровня 2

Просто говоря, Layer 2 относится к вычислительному слою Ethereum. Принцип заключается в перемещении выполнения транзакций вне цепи для вычислений, а затем сжатии множества результатов транзакций в одну транзакцию, которая отправляется обратно на основную сеть Ethereum для проверки и окончательного урегулирования. Благодаря внеланцевым вычислениям TPS Layer 2 может быть в несколько раз выше, чем в основной сети. Кроме того, поскольку одна транзакция, возвращенная на основную сеть, объединяет множество деталей транзакций, расходы на проверку делятся между многими пользователями, снижая транзакционные издержки и обеспечивая более плавный пользовательский опыт. Это позволяет Layer 2 обрабатывать значительный трафик и нагрузку экосистемы, поступающие из основной сети.

Согласно статистике L2BEAT и Dune, по последним данным (18 ноября) общая заблокированная стоимость (TVL) во 2 уровне достигла 4,4 миллиарда долларов, с общим TPS около 360. Более 90% транзакций в экосистеме Ethereum теперь проводятся на 2 уровне.

Рисунок 1: Layer 2 TVL и TPS, Источник: L2BEAT

Рисунок 2: Доля транзакций Ethereum Mainnet против Layer 2, Источник: Dune

Однако в настоящее время существует 52 решения Layer 2, включая некоторые, которые еще не были официально запущены. Большое количество проектов Layer 2 привело к фрагментации пользователей и рассеянию ликвидности по разным платформам. Чтобы конкурировать за пользователей и средства, эти платформы потребляют значительные ресурсы. Пользователям также требуется часто передавать активы между разными решениями Layer 2, что вызывает дополнительные транзакционные издержки, а также повышает риски для их активов в процессе передачи.

Более того, из 52 решений Layer 2 только 6 соответствуют установленным L2BEAT стандартам безопасности первой фазы. Это указывает на то, что большинство решений Layer 2 недостаточно наследуют основную безопасность Ethereum, и средства пользователей могут быть заморожены в случае сбоя Layer 2.

(трехфазные стандарты безопасности L2BEAT для Layer 2:
Фаза 0: Решение уровня 2 работает нормально.
Фаза 1: Команда проекта отказывается от части контроля, позволяя определенной доле внешних сущностей участвовать, что приводит к более высокому уровню децентрализации. Пользователи могут решить, хотят ли они вывести свои активы.
Фаза 2: Полная децентрализация, где любой может участвовать и выходить без разрешения.)

В свете этих проблем Gear Protocol запустил Gear.exe, решение, не основанное на Layer 2, которое значительно увеличивает вычислительные возможности Ethereum — более чем в 1000 раз — не жертвуя безопасностью основной сети Ethereum, тем самым достигая более высокого уровня масштабируемости.

Введение в Gear.exe

Gear.exe, разработанный протоколом Gear, является децентрализованной вычислительной сетью, построенной на сети Vara (Layer 1, выпущенной протоколом Gear, о которой будет рассказано позже). Полностью совместимый с виртуальной машиной Ethereum (EVM), Gear.exe можно рассматривать как набор расширений для сети Ethereum. Он поддерживает бесконечное масштабируемое параллельное выполнение, компенсируя ограничения собственной масштабируемости Ethereum и обеспечивая опыт с низкой задержкой и низкой стоимостью транзакций. Важно отметить, что Gear.exe не является блокчейном и не генерирует собственные блоки. Вместо этого он служит инфраструктурой, обеспечивающей мощные вычислительные ресурсы, что означает, что он не конкурирует с существующими решениями Layer 2 для пользователей и средств, тем самым избегая дальнейшего фрагментирования активов.

Преимущества, принесенные интеграцией Gear.exe, включают:

• До 1000-кратного увеличения вычислительной производительности
• Снижение комиссий за газ на 90-99%
• Задержка менее секунды и быстрое завершение транзакции (ограничено только временем блока основной сети Ethereum)
• Пользовательский опыт, похожий на Web2
• Оптимизированная среда разработки на Rust

Благодаря мощным вычислительным ресурсам Gear.exe разработчики могут передавать сложные и вычислительно интенсивные задачи на Gear.exe, создавая DApps с сложными функциями и высокими вычислительными требованиями. Примеры использования включают DeFi, GameFi, искусственный интеллект, машинное обучение, доказательства нулевого знания и оракулы. Это повышает эффективность транзакций, снижает затраты и дополнительно оптимизирует пользовательский опыт.

Что касается безопасности, поскольку Gear.exe не является блокчейном и не имеет собственной защиты консенсуса, он вводит протокол повторной ставки, называемый Симбиотик. Через повторно поставленный ETH Симбиотик обеспечивает достаточную экономическую безопасность для Gear.exe, предотвращая вредоносные действия валидационных узлов. Это позволяет Gear.exe предоставить альтернативное решение масштабируемости, отличное от Уровня 2, которое улучшает масштабируемость Ethereum, не жертвуя децентрализацией или безопасностью, обеспечивая при этом больше вычислительно-тяжелых сценариев использования.

История развития

Протокол Gear был запущен в сентябре 2021 года как платформа смарт-контрактов, основанная на Substrate, специально разработанная для параллельной разработки программ с несколькими выделенными функциями, включая модель актера, постоянную память и WASM. Он поддерживает смарт-контракты, написанные на различных языках программирования, таких как Rust, Solidity, C и C++, что делает его совместимым с несколькими блокчейнами и позволяет развертывать контракты в разных сетях без необходимости их модификации.

(Substrate: Модульный фреймворк разработки, который облегчает интеграцию нескольких специализированных блокчейнов, увеличивая масштабируемость.)

Изначально протокол Gear обслуживал экосистему Polkadot. В то время реле-цепь Polkadot не поддерживала развертывание смарт-контрактов, поэтому разработчики, желающие подключиться к сети, должны были развертывать контракты на парачейнах или создавать новый блокчейн и подключать его к Polkadot. Из-за высокой стоимости последнего большинство разработчиков выбирали развертывание DApps на парачейнах. Протокол Gear, совместимый с различными языками программирования и предлагающий различную инфраструктуру, стал платформой выбора для разработчиков. В результате он стал центром DeFi, DAO, NFT и других типов DApp, играя ключевую роль в экосистеме Polkadot.

В сентябре 2023 года протокол Gear официально запустил свою независимую сеть уровня 1, Vara Network, разработанную на основе фреймворка Substrate. Vara Network интегрировала все технологии и функции протокола Gear, используя параллельные процессы для значительного повышения производительности сети. Она также может быть обновлена без разветвлений или простоя и фокусируется на снижении барьеров разработки для DApps, нацеливаясь на создание блокчейн-сети с долгосрочной устойчивостью благодаря своей надежной инфраструктуре.

В октябре 2024 года протокол Gear запустил Gear.exe, нацеливаясь на использование высокопроизводительных преимуществ Vara Network для решения сложных вычислительных задач для DApps и преодоления проблем масштабируемости Ethereum.

Фон команды

Протокол Gear был запущен в сентябре 2021 года. Команда включает в себя основных разработчиков из Polkadot и фреймворка разработки блокчейна Substrate. Обладая обширным опытом в Web3, команда обладает глубокими знаниями в области технологий, финансов, разработки и продаж.

Николай Вольф, сооснователь и генеральный директор, занимается работой с Polkadot и Substrate с 2015 года. Работая в компании по блокчейн-инфраструктуре Parity Technologies, он представил первый умный контракт на WebAssembly (WASM).

Илья Веллер, сооснователь и финансовый директор, имеет более 20 лет опыта работы в финансовой отрасли. Он занимал высокие должности по продажам в учреждениях, таких как Банк Америки, Morgan Stanley, Renaissance Capital, UniCredit и ITI Capital, привлекая более $1 миллиарда для различных проектов.

Александр Бугорков, сооснователь и технический директор, имеет обширный опыт работы в компаниях, таких как Lyft, New Relic и Spotify, где он работал над инновационными технологическими решениями.

Статус финансирования

В декабре 2021 года Gear Protocol завершил раунд финансирования на сумму 12 миллионов долларов, ведущим инвестором которого был Blockchange Ventures. Кроме того, в него вложились HashKey Capital, Lemniscap и Three Arrows Capital.

Как работает Gear.exe

Gear.exe поддерживает параллельные программы, а его основные технологии основаны на нескольких ключевых компонентах:

• Модель акторов

В компьютерном программировании "Актор" - это фундаментальная вычислительная единица, которая может отправлять и получать сообщения. Акторы могут представлять смарт-контракты или конечных пользователей. В модели актора состояние между акторами сохраняется в частном порядке и может быть изменено или передано только через передачу сообщений. Это обеспечивает конфиденциальность и безопасность для каждого актора. Все процессы асинхронны, что означает, что они выполняются параллельно, позволяя обрабатывать несколько задач одновременно без ожидания результата предыдущей задачи.

Чтобы проиллюстрировать, представьте, что вы готовите стейк и салат. Обычно вы сначала разогреваете сковороду с маслом, затем, пока ждете, пока сковорода разогреется, начинаете мыть овощи. Как только сковорода готова, вы возвращаетесь, чтобы готовить стейк, дать ему отдохнуть, и затем вернуться, чтобы приготовить салат. Этот процесс подобен параллельному выполнению, где, пока одна задача ждет результата, другая может быть обработана, что значительно повышает вычислительную эффективность.

Кроме того, чтобы избежать путаницы из-за одновременного получения нескольких сообщений, актер ограничен возможностью обработки только одного запроса за раз. Например, если A хочет внести $10 на счет, а B хочет снять $5 со счета в то же самое время, одновременная обработка обоих запросов может привести к неправильному балансу счета. В рамках модели актера даже если запросы поступают одновременно, система будет выполнять их последовательно (например, сначала обрабатывать запрос A, затем запрос B), чтобы гарантировать согласованность баланса счета.

• Постоянная память

Состояние каждого актера и необходимые данные хранятся в собственной памяти, а не во внешнем общем хранилище, таком как жесткие диски или базы данных. Это значительно уменьшает необходимость в вызовах API для взаимодействия с блокчейном, позволяя данным напрямую обращаться из локальной памяти, что снижает задержку. Более того, состояние каждого актера сохраняется, что означает, что даже если смарт-контракт приостанавливается или система перезапускается, состояние актера может быть немедленно восстановлено.

Протокол Gear также использует технологию виртуализации памяти, которая отслеживает поведение программ при доступе к памяти, чтобы гарантировать чтение и сохранение только необходимых данных. Это минимизирует потери вычислительных ресурсов, делая систему более эффективной.

• WebAssembly (WASM)

WebAssembly (WASM) - изолированная среда выполнения, которая позволяет эффективно запускать смарт-контракты. Она поддерживает широкий спектр языков программирования, поэтому разработчики могут использовать привычные средства разработки для развертывания смарт-контрактов на Gear.exe. Это значительно снижает барьеры в развертывании, облегчая разработчикам использование вычислительной мощности Gear.exe без необходимости изучать новые языки или фреймворки.

Процесс работы Gear.exe

Рисунок 3, Процесс работы Gear.exe, Источник: Протокол Gear

Gear.exe предоставляет разработчикам два основных метода интеграции для взаимодействия с его платформой:

1. Нативная интеграция
   В этом методе dApps напрямую вызывают операционные процедуры Gear.exe, не отправляя запросы на Ethereum. Это позволяет взаимодействовать с системой в реальном времени.

2. Интеграция на основе событий
   В этой модели смарт-контракты Ethereum генерируют события, которые запускают операции Gear.exe. Когда валидаторы Gear.exe обнаруживают событие, они немедленно выполняют соответствующий процесс. Это обеспечивает полностью децентрализованную интеграцию, в рамках которой Ethereum и Gear.exe могут работать безупречно.

Независимо от выбранного метода интеграции, операционный процесс следует следующим этапам:

Пошаговый процесс

1. Принятие запроса
   Получив запрос, валидирующие узлы Gear.exe выполняют программу развернутого dApp в среде Gear. Затем узлы подписывают окончательный результат вычислений, чтобы обеспечить его допустимость.

2. Экономическая безопасность через повторное стейкинг
   Для предотвращения злонамеренного поведения узлов экономическая безопасность Gear.exe защищается протоколом Symbiotic re-staking. Кроме того, участники стейкинга собственного токена Vara Network (VARA) также вносят вклад в обеспечение безопасности. Также существуют механизмы штрафов, чтобы предотвратить нечестное поведение.

3. Предварительное подтверждение
   После того, как Gear.exe начинает обработку запроса, он отправляет предварительное подтверждение пользователю. Это предварительное подтверждение выступает в качестве квитанции и содержит детали транзакции, такие как отправитель, получатель, хэш-значение, комиссия за транзакцию и т. д. Оно заверяет пользователя, что транзакция будет обработана и в конечном итоге завершена на Ethereum. Предварительное подтверждение является важным, потому что данные транзакции все еще обрабатываются, и окончательное урегулирование на Ethereum займет некоторое время. Предоставляя предварительное подтверждение, Gear.exe позволяет dApps избежать ожидания завершения транзакции, обеспечивая более быстрое пользовательское взаимодействие.

4. Агрегация результатов и загрузка
   Примерно каждые 8 секунд последователь собирает все вычислительные результаты (которые могут включать транзакции из нескольких dApps) и последний корень состояния. Затем эти результаты упаковываются и загружаются в смарт-контракт Gear.exe на Ethereum.

5. Обновление умных контрактов для dApps
   Финальные результаты транзакций отправляются в соответствующие смарт-контракты dApps, обновляя их корни состояния последними данными.

Основные особенности архитектуры Gear.exe

• Гибкость для разработчиков Web3:
  Архитектура и методы интеграции Gear.exe предоставляют разработчикам Web3 большую гибкость, позволяя им выбирать между нативными и событийно-ориентированными интеграциями в зависимости от их случая использования.

• Производительность и скорость:
  Предоставляя предварительные подтверждения и обрабатывая транзакции вне цепи, Gear.exe позволяет dApps предлагать пользователям гораздо более быстрый и плавный пользовательский опыт, поскольку пользователи могут сразу взаимодействовать с платформой, не дожидаясь окончательной фиксации транзакции на Ethereum.

• Безопасность и проверка:
  Комбинация повторного стейкинга, узлов валидаторов и механизмов наказания обеспечивает безопасность системы и сдерживает злонамеренные действия. Зависимость от основной сети Ethereum для окончательного расчета добавляет дополнительный уровень безопасности, поскольку консенсус Ethereum является окончательным арбитром легитимности транзакции.

Такой подход, объединяющий высокую производительность, быстрые транзакции и надежные функции безопасности, позволяет Gear.exe стать ценным инструментом для разработчиков Web3, стремящихся интегрировать внеланцетное вычисление с Ethereum в масштабируемом и эффективном формате.

Сравнение между Gear.exe и Layer 2

Как Gear.exe, так и различные решения Layer 2 нацелены на повышение масштабируемости Ethereum, позволяя ему вмещать больше пользователей и приложений. Однако существуют значительные различия в том, как эти два подхода реализованы. Это сравнение будет сосредоточено на двух критических аспектах: безопасности и производительности.

Безопасность

Как решения Gear.exe, так и Layer 2 перемещают вычислительные задачи Ethereum за пределы блокчейна, а затем упаковывают транзакции обратно в основную сеть. Это означает, что значительная часть обработки транзакций происходит вне блокчейна, и становится крайне важным обеспечить безопасность и согласованность данных транзакций во время вычислений вне сети, чтобы предотвратить злонамеренные изменения узлами.

• Уровень 2 (например, Arbitrum): В решениях уровня 2, таких как Arbitrum, процесс вычислений защищен собственным сетевым консенсусом. Транзакции упорядочиваются централизованным последователем, а затем загружаются в основную сеть для расчетов. Arbitrum использует оптимистичный механизм доказательства с 7-дневным периодом оспаривания. Система предполагает, что все загруженные данные транзакций являются правильными, но предоставляет возможность оспорить транзакцию. Если возникает оспаривание, валидаторы Ethereum несут ответственность за подтверждение правильности транзакции. Этот дизайн обеспечивает то, что даже если сетевые узлы Arbitrum злонамеренны, Ethereum может служить финальной линией обороны.
• Gear.exe: Gear.exe не имеет собственного сетевого консенсуса и вместо этого полагается на Symbiotic, который использует ETH в стейкинге для обеспечения экономической безопасности. Транзакции сначала упорядочиваются централизованным секвенсором, а затем передаются в основную сеть Ethereum. Тем не менее, текущая документация Gear.exe не уточняет, использует ли она такие механизмы, как Optimistic Proofs или Zero-Knowledge Proofs (ZKPs), для проверки правильности данных, загруженных в Ethereum. Таким образом, безопасность Gear.exe в значительной степени зависит от протокола рестейкинга Symbiotic. Остается неясным, может ли безопасность, обеспечиваемая этой моделью рестейкинга, полностью соответствовать нативному консенсусу Ethereum, поскольку механизм повторного стейкинга использует безопасность Ethereum через смарт-контракты, что создает потенциальные системные риски.

Кроме того, как Gear.exe, так и Layer 2 используют централизованный секвенсор для упорядочивания транзакций, вместо полаганиясь на консенсус сети. Это ускоряет работу сети, но также предоставляет секвенсору и команде проекта значительную власть. В экстремальных случаях команда проекта может манипулировать порядком транзакций в свою пользу и отклонять транзакции, которые наносят ущерб их интересам. Решения Layer 2, такие как Arbitrum и Optimism, предоставляют механизм ухода, позволяющий пользователям обойти секвенсор и отправлять транзакции напрямую на основную сеть. Однако Gear.exe не имеет такой конструкции.

Заключение о безопасности:
По сравнению с решениями уровня 2, безопасность Gear.exe в значительной степени зависит от Symbiotic и не имеет некоторых контрмер для экстремальных случаев, характерных для решений уровня 2. Она не такая зрелая и хорошо структурированная с точки зрения безопасности. Тем не менее, Gear.exe может предоставить более подробную информацию в будущих технических документах, чтобы прояснить свою модель безопасности.

Производительность

В плане производительности Gear.exe и Layer 2 оба возвращают предварительно подтвержденную информацию пользователям во время обработки транзакции, указывая, что система приняла транзакцию и будет ее обрабатывать. Это позволяет пользователям быстро получить начальные результаты транзакции и продолжить другие операции, не ожидая завершения формирования блока Ethereum, что значительно улучшает скорость и эффективность транзакции. Кроме того, Gear.exe и Layer 2 используют централизованные последователи для упорядочения транзакций, экономя время на формировании консенсуса и объединяя несколько транзакций в одну. Это снижает комиссии за газ и позволяет блокам Ethereum вмещать больше транзакций.

• Уровень 2:
  Решения уровня 2, такие как Arbitrum, обеспечивают улучшенную производительность по сравнению с базовым уровнем Ethereum за счет снятия вычислений. Однако уровень 2 все еще сталкивается с определенными ограничениями в терминах масштабируемости, поскольку обычно поддерживает линейное увеличение пропускной способности транзакций, а не экспоненциальные приросты.

• Gear.exe:
  Gear.exe интегрирует несколько передовых технологий, таких как модель акторов, постоянная память и WebAssembly (WASM), чтобы поддерживать параллельное выполнение задач. Это дополнительно оптимизирует вычислительную эффективность и использование ресурсов. Параллелизация процессов позволяет Gear.exe потенциально обеспечивать значительно более высокую сетевую производительность, чем решения уровня 2. Gear.exe утверждает, что может достичь вычислительной мощности базового уровня Ethereum в 1000 раз, но можно ли подтвердить это утверждение, зависит от будущих данных о производительности и тестирования.

Заключение по производительности:
Хотя решения уровня 2 уже значительно улучшают производительность Ethereum, Gear.exe может предложить еще более высокую производительность сети благодаря поддержке параллельного выполнения. Однако, можно ли достичь заявленного улучшения в 1000 раз, пока еще предстоит проверить на данных и тестировании в реальном мире.

Перспективы и вызовы

В простых терминах, Gear.exe улучшает производительность за счет параллельного выполнения, опираясь на существующую инфраструктуру Layer 2 и позиционируя себя как модуль расширения для Ethereum, а не как новый блокчейн. Он фокусируется исключительно на предоставлении вычислительных услуг для DApps на других цепях, избегая проблемы фрагментации активов, которая сопровождает множественные решения Layer 2. В будущем Gear.exe потенциально может заменить некоторые решения Layer 2, вновь объединяя экосистему Ethereum. Кроме того, благодаря своим высокопроизводительным возможностям, Gear.exe делает Ethereum более конкурентоспособным по сравнению с другими производительно-ориентированными публичными цепями, такими как Solana, Sei, Sui и Aptos.

Однако, остаётся вопрос, сможет ли операционная производительность и стабильность Gear.exe действительно соответствовать заявленным требованиям. Кроме того, с точки зрения безопасности, Gear.exe защищён только Symbiotics и лишён многих связанных мер, которые предоставляют существующие решения Layer 2. Существуют риски дизайна, особенно при сравнении с более зрелыми функциями безопасности решений Layer 2. Безопасность обычно является более высоким приоритетом для разработчиков и пользователей, особенно учитывая множество случаев, когда хакеры крали активы, включая с крупных централизованных бирж. Учитывая, что Gear.exe является полностью кодовым протоколом on-chain, его безопасность должна быть доказана как надёжная и надёжная, особенно при обработке ситуаций, таких как простои. В этой области Gear.exe будет нуждаться в улучшениях и укреплении, чтобы завоевать большее доверие рынка.

Вывод

С развитием технологии блокчейн и модульных блокчейнов, барьер для создания Layer 2 стал все ниже благодаря множеству платформ, предлагающих функции «создания цепочки в один клик». В результате количество решений Layer 2 чрезмерно возросло, оставив разработчиков и пользователей Ethereum в недоумении о том, что выбрать. Каждый слой Layer 2 требует создания своей экосистемы, но это просто повторяет то, через что уже прошли другие публичные цепочки, что в некотором смысле препятствует инновациям новых технологий.

Gear.exe предлагает более эффективное решение для DApps, чем Layer 2, и устраняет необходимость миграции существующих пользователей и средств. Используя ре-стейкинг для обеспечения безопасности, он предлагает уникальную альтернативу для проблем масштабируемости Ethereum. Хотя это решение пока еще не получило широкого распространения и должно пройти проверку на рынке, оно несомненно открывает новые возможности для Ethereum. Gear.exe может предложить более подходящее решение для масштабирования Ethereum, и его будущее развитие заслуживает постоянного внимания.