Вступ

Трилема блокчейну

Через свою децентралізацію, незмінність та прозорість технологія блокчейну стала основою для інновацій у різних галузях. Однак відома багатогранна проблема блокчейну постійно викликає виклики для його прийняття - складність одночасного досягнення децентралізації, безпеки та масштабованості. Ці три фактори властиві взаємозалежності, що ускладнює оптимізацію всіх трьох одночасно для систем блокчейну.

• Децентралізація забезпечує незалежну роботу мережі блокчейн від будь-якого контролюючого суб'єкта. Однак високоякісна децентралізована мережа може призвести до зниження ефективності транзакцій.
• Безпека є невід'ємною умовою для захисту мережі від зловмисних атак, проте підвищення безпеки часто потребує додаткових обчислювальних ресурсів, що може сповільнити обробку транзакцій.
• Масштабованість фокусується на підвищенні швидкості та пропускної здатності транзакцій, але досягнення цього часто відбувається за рахунок децентралізації або безпеки.

Поширення додатків блокчейну стає все ширшим, і знаходження оптимального балансу в межах трилеми стає ключовим викликом для розробників та дослідників.

Діаграма: Трилемма блокчейну (Джерело:IT Дім)

Дорожня карта Ethereum

Співзасновник Ethereum Віталік Бутерін встановив амбіційну мету для наступної фази масштабування мережі Ethereum: перевищення показника у 100 000 транзакцій на секунду. У пості блогу жовтня 2024 року він згадав про початкові дні технології блокчейну, виділивши дві основні стратегії масштабування, визначені в дорожній карті Ethereum: Розщеплення та Протоколи 2-го рівня (L2).

• Шардування зменшує навантаження на окремі вузли, дозволяючи їм перевіряти та зберігати лише невеликий підмножину транзакцій, схоже на те, як працюють мережі взаємного обміну файлами, наприклад, BitTorrent. Цей підхід підвищує масштабованість мережі за рахунок ефективного розподілу навантаження.
• Протоколи 2-го рівня будуються на основі головної мережі Ethereum, зберігаючи дані та обчислення поза ланцюжком, при цьому успадковуючи гарантії безпеки Ethereum.

Діаграма: The Surge - Видання дорожньої карти 2023 (Джерело:Блог Віталіка)

Протягом 2024 року було досягнуто значного прогресу в стратегії масштабування Ethereum. Однак залишається кілька проблем:

• Rollups потребують значної пропускної здатності для передачі даних on-chain, що означає, що вони все ще сильно залежать від ресурсів головної мережі Ethereum.
• Централізовані послідовники в rollups створюють ризики цензури транзакцій та експлуатації вартості видобутку майнерів (MEV).
• Фрагментована екосистема рівня 2 змушує розробників пройти виклики взаємодії та складності прийняття рішень на Gate.io.

Блог Виталика підкреслює, що поточним пріоритетом є вдосконалення дорожньої карти, орієнтованої на ролапи, забезпечуючи при цьому стійкість та децентралізацію рівня 1 (L1) Ethereum. У цьому контексті з'явилися нові інновації масштабування, такі як Based Rollups та Preconfirmation:

• Спільні послідовники: Надають уніфіковану послугу упорядкування транзакцій для кількох ланцюжків другого рівня. Однак, як оператори сторонніх осіб, вони вводять проблеми довіри та стимулювання.
• На основі Rollups: Розраховуйте на Ethereum L1 для послідовності транзакцій, спрощуючи архітектуру та зміцнюючи децентралізацію. Проте швидкість фіналізації їх транзакцій обмежена часом блоку Ethereum.
• Попереднє підтвердження: Надає попереднє підтвердження транзакції шляхом моніторингу активності у мемпулі перед офіційним включенням у блок. Це значно зменшує час очікування користувача, відкриваючи нові можливості для покращення ефективності та досвіду користувача.

Сьогоднішня стаття розгляне технічні принципи попередньої підтвердження, її використання та те, як вона допомагає забезпечити кращу рівновагу між ефективністю та децентралізацією в блокчейн мережах.

Що таке попередня підтвердження?

Концепція попереднього підтвердження

Підтвердження до підтвердження можна розуміти як надійне зобов'язання до транзакції, перш ніж вона офіційно підтверджується на блокчейн. Цей механізм надає сигнал раннього підтвердження, зменшуючи час очікування користувача та підвищуючи ефективність транзакції. Він особливо корисний у високотрафікових або часочутливих сценаріях, де швидкий зворотний зв'язок є вирішальним.

Передпідтвердження схоже на ситуації в реальному світі, коли надається попереднє зобов'язання перед остаточним підтвердженням:

• Бронювання в ресторані: коли ви бронюєте стіл, ресторан підтверджує ваше бронювання, але остаточне підтвердження відбувається, коли ви приходите. Це схоже на попереднє підтвердження - надійний попередній перегляд майбутнього виконання.
• Замовлення онлайн-покупок: Коли ви розміщуєте замовлення, у статусі може відображатися «Обробка», що означає, що продавець отримав ваш запит і зарезервував запаси. Однак остаточне підтвердження вимагає перевірки платежу та відвантаження. Це відображає попереднє підтвердження блокчейну, коли транзакція попередньо схвалена, але все ще потребує остаточної перевірки.
• Бронювання авіаквитків: після придбання квитка ваше місце тимчасово зарезервоване, що представляє попереднє підтвердження. Остаточне підтвердження відбувається під час реєстрації. Так само, попереднє підтвердження в блокчейні забезпечує початкове зобов'язання до транзакції без її остаточного підтвердження.

Концепція 0conf Bitcoin

На початкових етапах блокчейну спільнота Bitcoin досліджувала схожу концепцію, яку називали «0conf» (транзакції без підтвердження). Цей підхід дозволяв тимчасово вважати транзакції дійсними до повного підтвердження на блокчейні.

0conf був особливо корисним для швидких сценаріїв оплати, які потребують негайної обробки транзакцій. Однак через ризики подвійного витрачання, коли злоумисники можуть транслювати конфліктні транзакції, 0conf ніколи не став загальноприйнятим рішенням.

Передпідтвердження на основі ланцюжка Ethereum

У 2023 році дослідник блокчейну Урі Кларман розширив концепцію попереднього підтвердження на Ethereum, представивши ідею «ланцюжкового попереднього підтвердження». Основною інновацією було те, що майбутні попередні підтверджувачі успадковують попередні записи підтвердження, утворюючи безперервний ланцюжок попереднього підтвердження, який підвищує надійність транзакцій.

Того ж року команда Primev подвинула технологію попереднього підтвердження, розробивши mev-commit, платформу, спрямовану на координацію вартості, екстрагованої майнерами (MEV). Інтегруючи механізм аукціону, mev-commit зробив попереднє підтвердження транзакцій більш ефективним та надійним.

Які проблеми має на меті вирішити Preconfirmation?

У технології блокчейну, особливо в системах на основі Rollup, неефективність підтвердження транзакцій довго була основною проблемою для користувацького досвіду. Коли користувачі відправляють транзакції на Шар 2 (L2), остаточне підтвердження залежить від опублікування даних назад на Шар 1 (L1). Цей процес включає кілька викликів, особливо в сценаріях високочастотної торгівлі або децентралізованої фінансової діяльності (DeFi), таких як:

• Затримки транзакцій та невизначеність підтвердження
  У механізмах Rollup остаточне підтвердження транзакції користувача потребує очікування генерації блоку L1. Цей процес може бути затриманий через мережеву затор або проблеми з послідовністю транзакцій. Наприклад, у Оптимістичних Rollups, вікно виклику зазвичай триває сім днів, щоб запобігти шахрайським транзакціям, що призводить до затримок у виведенні та зменшенню ліквідності. У той час як ZK Rollups забезпечують швидше підтвердження, генерація доказів з нульовими знаннями вимагає значних обчислювальних ресурсів.

• Втрати в високочастотній торгівлі
  Користувачі DeFi та арбітражу покладаються на миттєвість транзакцій, щоб використати ринкові можливості. Однак, якщо підтвердження транзакції займає занадто багато часу або якщо змінюється порядок транзакцій, користувачі можуть зазнати фінансових втрат.

• Проблеми довіри до централізованих послідовників
  Більшість Rollups використовують централізованих послідовників для упорядкування транзакцій, що призводить до потенційних ризиків, таких як цензура транзакцій та нечесне виконання транзакцій через вартість видобутку майнерами (MEV).

Рішення передпідтвердження

Попередня підтвердження надає початкове підтвердження до того, як транзакції будуть офіційно записані на ланцюжку, вирішуючи вищезазначені проблеми:

• Зменшує час очікування користувача – Надає зворотний зв'язок щодо статусу транзакції в реальному часі, що мінімізує невизначеність, спричинену затримками.
• Збільшує впевненість користувачів – Дозволяє користувачам відстежувати прогрес транзакції більш прозоро, збільшуючи довіру до мережі.
• Покращує прозорість послідовності транзакцій – Зобов'язується заздалегідь до порядку транзакцій, пом'якшуючи фінансові втрати, спричинені змінами в порядку.

Відмінності між попередньою підтвердженням та традиційними механізмами підтвердження

Основний концепт та операція

• Традиційний механізм підтвердження:

  • Транзакція спочатку надсилається в пам'ять, після чого майнери чекають, щоб упакувати її в наступний блок. Транзакцію вважають офіційно підтвердженою лише після того, як блок підтверджується через механізм консенсусу (такий як Proof of Work (PoW) або Proof of Stake (PoS)). Цей процес вимагає чекати принаймні одного покоління блоків.

• Попередня підтвердження:

  • Після того, як транзакція потрапляє в мемпул, її ймовірність включення в наступний блок прогнозується на основі таких факторів, як плата за газ, пріоритет і умови мережі. Користувачі можуть отримати початковий сигнал підтвердження протягом декількох секунд, не чекаючи повного процесу генерації блоку.
  • Для підвищення надійності централізовані послідовники 2-го рівня (наприклад, Rollups) можуть надавати зобов'язання, або можуть використовуватися механізми передпідтвердження on-chain.

Швидкість підтвердження

• Традиційний механізм підтвердження:
• Підтвердження транзакції вимагає очікування генерації блоку та кількох підтверджень.
• Як тільки транзакція включена в блок, цей блок стає частиною блокчейну.
• Що більше підряд блоків пов'язані з ним, тим більше збільшується кількість підтверджень, роблячи транзакцію більш безпечною.
• Перевантаження мережі або затримки у досягненні консенсусу можуть уповільнити процес.

Надійність підтвердження

• Традиційний механізм підтвердження:

  • Висока надійність - Як тільки транзакцію підтвердять кілька разів, вона практично неможлива до відміни та необоротна, що робить її ідеальною для високонадійних застосувань.
  • Гарантія остаточності - Підтвердження підтримується механізмом консенсусу блокчейну, і як тільки транзакція досягає певної кількості підтверджень, практично неможливо її відмінити.

• Передпідтвердження:

  • Лише початкове зобов'язання - це передбачення того, що угода 'імовірно' буде включена в наступний блок, але не гарантує остаточності.
  • Ризик перепланування або скасування - Якщо умови мережі змінюються або послідовник діє по-іншому, транзакцію все ще можуть скасувати або перепланувати. Підходить для високошвидкісних сценаріїв, де остаточність менш критична.

Витрати на технології та впровадження

• Традиційний механізм підтвердження:
  • Повністю покладається на механізм консенсусу блокчейну.
• Підтвердження перед
  • Вимагає широкого аналізу даних мемпула, алгоритмів упорядкування транзакцій та надійних послідовників.
  • Потрібні механізми резервного копіювання у разі невдачі передпідтвердження.

Таблиця: Порівняння традиційного механізму та попереднього підтвердження (Джерело: Самостійно складено)

Case Study: Передпідтвердження в Taiko

Підвищення ефективності та децентралізації за допомогою попереднього підтвердження Taiko

Taiko - децентралізований проект ZK-EVM Rollup, побудований на Ethereum. Його основний дизайн спрямований на досягнення повної сумісності з Ethereum, використовуючи механізм попереднього підтвердження та децентралізовану систему пропозиційників для вирішення проблем ефективності та справедливості транзакцій.

(Джерело:Офіційний веб-сайт Taiko)

Огляд Taiko

• Плавний користувацький досвід - EVM Taiko повністю сумісний з Ethereum, не потребує перекомпіляції або змін у засобах розробки. Розробники можуть використовувати існуючі смарт-контракти та інструменти Ethereum без модифікацій.
• За участю спільноти - Taiko є повністю відкритим, що дозволяє спільноті вільно використовувати та змінювати його код, сприяючи децентралізації та участі спільноти.
• Підхід, спрямований на безпеку – Як Ethereum-базовий Rollup, Taiko має бездозвільну, децентралізовану мережу пропозиційників та підтверджувачів, успадковуючи безпеку та децентралізацію Ethereum.
• Послідовність на основі Ethereum - Taiko використовує механізм послідовності транзакцій на основі Ethereum, де валідатори Ethereum відповідають за упорядкування транзакцій. Це забезпечує простоту, зберігаючи при цьому активність та мінімізацію довіри до Ethereum.

Механізм попередньої підтвердження Taiko

Механізм послідовності на основі Taiko дозволяє валідаторам Ethereum безпосередньо брати участь у впорядкуванні транзакцій на рівні 2 (L2). Валідатори можуть мостити ETH на мережу Taiko за допомогою сервісу мосту Taiko, щоб забезпечити митне попереднє підтвердження, покращуючи терміновість транзакцій та користувацький досвід, зберігаючи децентралізацію та безпеку.

Модель зміни Taiko's Based Contestable Rollup (BCR)

Taiko використовує модель Based Contestable Rollup (BCR), розроблену для забезпечення справедливості та прозорості через відкриту та бездозвільну систему:

• ✅ Повністю бездозвільний та децентралізований - будь-хто може брати участь в системі Taiko без спеціальних дозволів, забезпечуючи високий рівень децентралізації.
• ✅ Конкурентна модель пропонентів - Пропоненти змагаються за Максимальну Витяжку Вартості (MEV) та інші економічні стимули, а також приймають на себе операційну відповідальність, покращуючи ефективність та стабільність системи.
• ✅ Інтегрована послідовність Ethereum - Taiko усуває потребу в централізованому послідовникові, поділяючи ту саму роль, що й пропоненти блоків Ethereum, повністю покладаючись на інфраструктуру Ethereum.
• ✅ Механізм виборів лідера - У будь-який момент часу обирається лише один пропонент як лідер, що надає їм виключні права на завершення блоку. Це допомагає уникнути витрат ресурсів та конфліктів.

Примітка: В даний час Taiko використовує SGX як доказ Trusted Execution Environment (TEE), RiscZero і SP1 для доказів з нульовим розголошенням (ZKP) і Guardian (перевірка з мультипідписом) від Taiko Labs. Більш детальну інформацію можна знайти в Документація Taiko.

Приклад: Процес згортання Taiko’s Based Contestable Rollup

Огляд процесу:

Пропозиція блоку – Пропонувач подає новий блок.

Первинне подання доказів - перший рівень доказувача (наприклад, за допомогою SGX TEE) подає доказ про дійсність блоку та надає депозит TAIKO в якості застави.

Період охолодження та виклик (~4 години) - Протягом цього часу будь-хто може викликати дійсність доказу, подавши свій власний депозит (наприклад, "Cindy" на діаграмі).

Перевірка доказу високого рівня - вищий рівень доведення (наприклад, використання ZKPs від RiscZero або Succinct) перевіряє правильність основного доказу.

Результат та стимули:

• Якщо первинне доказав → Первинний доказує отримує свій депозит повертається та заробляє винагороду, тоді як викликач втрачає свій депозит.
• Якщо основне доказ не вірне → Оспірник отримує повернення депозиту та отримує винагороду, тоді як основний доводжувач втрачає свій депозит.

Цей багатошаровий механізм доказів забезпечує можливість викликати докази на різних рівнях, підвищуючи безпеку та децентралізацію системи.

Діаграма: Приклад процесу оскаржуваного зведення Taiko (Джерело:Документація Taiko’s Contestable Rollup)

Висновок

Технологія попереднього підтвердження виходить на передній план як ключове рішення для покращення ефективності транзакцій у блокчейні та користувацького досвіду. Хоча традиційні механізми підтвердження транзакцій забезпечують високий рівень безпеки та надійності, вони стикаються з довгими затримками та низькою ефективністю, що робить їх непридатними для торгівлі з високою частотою та реального часу застосунків, таких як платежі. Попереднє підтвердження, завдяки своєму швидкому зворотньому зв'язку та попередньому підходу до зобов'язань, допомагає пом'якшити ці обмеження, пропонуючи користувачам більш негайний та прозорий досвід транзакцій.

Наприклад, проект Taiko інтегрує конкурентну модель Rollup для забезпечення балансу децентралізації та ефективності. Крім того, багаторівнева структура доказів та механізм виборів лідера Taiko забезпечують справедливість та безпеку через економічні стимули та прозору конкуренцію, служачи цінним посиланням для майбутніх дизайнів масштабованості блокчейну.

Проте, попередня підтвердження не є ідеальним рішенням. Надійність початкових підтверджень та ризик скасування транзакції все ще потребують подальших технічних оптимізацій та резервних механізмів. Продовження інновацій необхідне для покращення досвіду транзакцій, вирішення трилеми блокчейну: децентралізації, безпеки та масштабованості.

Поза тільки технічними інноваціями, попередня підтвердження є інструментом побудови довіри, який може прискорити прийняття технології блокчейн. По мірі того, як технологія попереднього підтвердження розширюється поза високочастотну торгівлю на щоденні платежі, блокчейн стане більш інтегрованим у повсякденне життя, допомагаючи реалізувати візію глобальної фінансової інклюзії.