Проблеми масштабованості Ethereum

Обмеження основної мережі Ethereum

Згідно з трилемою блокчейну Віталіка Бутеріна, жоден блокчейн не може одночасно досягти децентралізації, безпеки та масштабованості. Потрібно робити компроміси між цими трема факторами. Ефіріум вибрав фокусуватися на децентралізації та безпеці. Він успішно перейшов від консенсусу Proof of Work (PoW) до Proof of Stake (PoS), що призвело до інновацій та розвитку у галузі. В результаті він став найбільшою екосистемою громадського блокчейну, другою тільки за Біткоїном за децентралізацією та економічною безпекою.

Однак, незважаючи на численні оновлення, масштабованість Ethereum залишається обмеженою. Середній час блоку становить 12 секунд, а кількість транзакцій за секунду (TPS) становить лише близько 13. Коли мережева активність різко зростає, виникають перевантаження, що супроводжуються високими комісіями за транзакції, що серйозно впливає на користувацький досвід. Проблеми масштабованості Ethereum стали більш вираженими в міру того, як екосистема зростає з більшою кількістю додатків і користувачів. У відповідь на це у 2020 році Віталік Бутерін офіційно оголосив, що майбутня дорожня карта Ethereum буде зосереджена на Rollups (тобто рішеннях рівня 2) для вирішення проблем масштабованості основної мережі.

Приховані проблеми Layer 2

Просто кажучи, Layer 2 відноситься до обчислювального шару Ethereum. Принцип полягає в перенесенні виконання транзакцій на позачергове обчислення, а потім укомплектовуванні кількох результатів транзакцій в одну транзакцію, яка надсилається назад на Ethereum mainnet для перевірки та остаточного врегулювання. Завдяки позачерговому обчисленню TPS Layer 2 може бути у кілька разів вищим, ніж у mainnet. Крім того, оскільки одна транзакція, повернута на mainnet, узагальнює деталі кількох транзакцій, витрати на перевірку розподіляються між багатьма користувачами, зменшуючи витрати на транзакції та забезпечуючи плавний користувацький досвід. Це дало можливість Layer 2 обробляти значний трафік та екосистемне навантаження, що надходить з mainnet.

За статистикою L2BEAT та Dune, на останні дані (18 листопада) загальна сума заблокованих активів (TVL) на рівні 2 досягла 4,4 мільярда доларів, з загальною кількістю транзакцій на рівні 2 близько 360. Більш як 90% транзакцій в екосистемі Ethereum тепер здійснюються на рівні 2.

Рисунок 1: Layer 2 TVL та TPS, Джерело: L2BEAT

Фігура 2: Головна мережа Ethereum проти частки транзакцій Layer 2, Джерело: Dune

Проте наразі існує 52 рішення другого рівня, включаючи ті, що ще не були офіційно запущені. Велика кількість проектів другого рівня призвела до фрагментації користувачів та розкиданості ліквідності по різних платформах. Для конкуренції за користувачів та кошти ці платформи витрачають значні ресурси. Крім того, користувачам часто доводиться переміщати активи між різними рішеннями другого рівня, що призводить до додаткових витрат на операції, та підвищує ризики для їх активів під час процесу переказу.

Крім того, з 52 рішень рівня 2 лише 6 відповідають стандартам безпеки першої фази, встановленим L2BEAT. Це вказує на те, що більшість рішень рівня 2 не успадковують належним чином безпеку основної мережі Ethereum, і кошти користувачів можуть бути заморожені в разі збою рівня 2.

(Трифазні стандарти безпеки L2BEAT для рівня 2:
Фаза 0: Рішення на рівні 2 працює нормально.
Фаза 1: Команду проекту звільняє від частини контролю, дозволяючи певній кількості зовнішніх суб'єктів брати участь, що призводить до більш високого рівня децентралізації. Користувачі можуть вирішувати, чи знімати свої активи.
Фаза 2: Повна децентралізація, де кожен може брати участь і виходити без дозволу.)

У світлі цих проблем Gear Protocol запустив Gear.exe, рішення, що не належить до рівня 2, яке значно підвищує обчислювальну потужність Ethereum — більш ніж у 1000 разів — без шкоди для безпеки основної мережі Ethereum, таким чином досягаючи вищого рівня масштабованості.

Вступ до Gear.exe

Gear.exe, розроблена Gear Protocol, є децентралізованою обчислювальною мережею, побудованою на Vara Network (рівень 1, випущений Gear Protocol, який буде представлений пізніше). Повністю сумісний з віртуальною машиною Ethereum (EVM), Gear.exe можна розглядати як пакет розширення для мережі Ethereum. Він підтримує нескінченно масштабоване паралельне виконання, компенсуючи власні обмеження масштабованості Ethereum і забезпечуючи низьку затримку та низьку вартість транзакцій. Важливо, що Gear.exe не є блокчейном і не генерує власні блоки. Натомість він служить інфраструктурою, яка забезпечує потужні обчислювальні ресурси, тобто не конкурує з існуючими рішеннями рівня 2 для користувачів і коштів, таким чином уникаючи подальшої фрагментації активів.

Переваги, які приносить інтеграція Gear.exe, включають:

• До 1000-кратного покращення обчислювальної продуктивності
• Зменшення комісій за газ на 90-99%
• Затримка менше секунди та швидке проведення операцій (обмежене лише часом блоку головної мережі Ethereum)
• Враження користувача, подібне до Web2
• Оптимізоване середовище розробки на Rust

Завдяки потужним обчислювальним ресурсам Gear.exe розробники можуть замовити складні та обчислювально інтенсивні завдання Gear.exe, розробляючи DApps з складними функціями та високими обчислювальними вимогами. Сфери застосування включають DeFi, GameFi, штучний інтелект, машинне навчання, докази відсутності знань та оракули. Це підвищує ефективність транзакцій, зменшує витрати та подальше оптимізує користувацький досвід.

Щодо безпеки, оскільки Gear.exe не є блокчейном і не має власного захисту консенсусу, він впроваджує протокол переставлення під назвою Симбіотичний. Через переставлення ETH, Симбіотичний забезпечує достатню економічну безпеку для Gear.exe, запобігаючи зловмисним діям валідаторів. Це дозволяє Gear.exe надати альтернативне рішення щодо масштабованості, відмінне від Layer 2, яке підвищує масштабованість Ethereum без ущемлення децентралізації або безпеки, дозволяючи використовувати більше обчислювально-важких випадків.

Історія розвитку

Gear Protocol був запущений у вересні 2021 року як платформа для розумних контрактів на основі Substrate, спеціально розроблена для розробки паралельних програм з кількома присвяченими функціями, включаючи модель акторів, постійну пам'ять та WASM. Вона підтримує розумні контракти, написані на різних мовах програмування, таких як Rust, Solidity, C та C++, що забезпечує сумісність з кількома блокчейнами і дозволяє розгортання через мережі без необхідності змінювати контракти.

(Substrate: модульна система розробки, яка сприяє інтеграції кількох спеціалізованих блокчейнів, підвищуючи масштабованість.)

Спочатку Gear Protocol обслуговував екосистему Polkadot. У той час ретрансляційний ланцюг Polkadot не підтримував розгортання смарт-контрактів, тому розробники, які бажали підключитися до мережі, повинні були розгортати контракти на парачейнах або створювати новий блокчейн і підключати його до Polkadot. Через високу вартість останнього більшість розробників вирішили розгорнути DApps у парачейнах. Gear Protocol, будучи сумісним з різними мовами програмування та пропонуючи різноманітну інфраструктуру, став платформою вибору для розробників. У результаті він став центром для DeFi, DAO, NFT та інших типів DApp, відіграючи ключову роль в екосистемі Polkadot.

У вересні 2023 року Gear Protocol офіційно запустив свою незалежну мережу рівня 1, Vara Network, розроблену на основі фреймворку Substrate. Vara Network інтегрувала всі технології та можливості Gear Protocol, використовуючи паралельні процеси для значного покращення продуктивності мережі. Вона також може бути оновлена без форків чи перерви в роботі, і фокусується на зниженні бар'єрів для розробки децентралізованих додатків, маючи на меті створення блокчейн-мережі з довгостроковою стійкістю завдяки своїй потужній інфраструктурі.

У жовтні 2024 року Gear Protocol запустив Gear.exe, метою якого є використання високопродуктивних переваг Vara Network для вирішення складних обчислювальних завдань для DApps та вирішення проблем масштабованості Ethereum.

Командний фон

Протокол Gear був запущений у вересні 2021 року. Команда складається з основних розробників з Polkadot та фреймворку розробки блокчейну Substrate. З великим досвідом у галузі Web3 команда має глибоку експертизу в технологіях, фінансах, розробці і продажах.

Миколаї Вольф, співзасновник та генеральний директор, брав участь у проекті Polkadot та Substrate з 2015 року. Працюючи в компанії з інфраструктури блокчейну Parity Technologies, він впровадив перший розумний контракт WebAssembly (WASM).

Ілья Веллер, співзасновник та фінансовий директор, має понад 20 років досвіду в фінансовій галузі. Він займав високі посади з продажу в установах, таких як Bank of America, Morgan Stanley, Renaissance Capital, UniCredit та ITI Capital, залучивши понад 1 мільярд доларів на різні проекти.

Олександр Бугорков, співзасновник і технічний директор, має великий технічний досвід у таких компаніях, як Lyft, New Relic і Spotify, де він працював над інноваційними технологічними рішеннями.

Статус фінансування

У грудні 2021 року Gear Protocol завершив збір коштів у розмірі 12 мільйонів доларів, який очолив Blockchange Ventures. Серед інших інвесторів були HashKey Capital, Lemniscap і Three Arrows Capital.

Як працює Gear.exe

Gear.exe підтримує паралельні програми, а його основні технології базуються на кількох ключових компонентах:

• Модель акторів

У комп'ютерному програмуванні "Актор" - це фундаментальна обчислювальна одиниця, яка може надсилати та отримувати повідомлення. Актори можуть представляти смарт-контракти або кінцевих користувачів. У Моделі Актора стан між акторами зберігається приватним і може бути змінений або переданий лише шляхом передачі повідомлень. Це забезпечує конфіденційність та безпеку для кожного актора. Усі процеси є асинхронними, що означає, що вони виконуються паралельно, дозволяючи обробляти кілька завдань одночасно без очікування результату попереднього завдання.

Наприклад, уявіть, що ви готуєте як стейк, так і салат. Зазвичай ви спочатку нагріваєте сковороду та олію, а потім, поки чекаєте, поки сковорода нагріється, можете почати мити овочі. Як тільки сковорода буде готова, ви повертаєтесь, щоб смажити стейк, даєте йому відпочити, а потім повертаєтеся, щоб приготувати салат. Цей процес подібний до паралельного виконання, де поки одне завдання чекає на результат, інше може бути оброблене, що значно підвищує обчислювальну ефективність.

Крім того, щоб уникнути плутанини через одночасне надходження кількох повідомлень, актор обмежений обробкою лише одного запиту в один момент. Наприклад, якщо A хоче внести $10 на рахунок, тоді як B хоче зняти $5 з того ж рахунку одночасно, обробка обох запитів одночасно може призвести до неправильного залишку на рахунку. За моделлю актора, навіть якщо запити надходять одночасно, система виконає їх послідовно (наприклад, спочатку обробить запит A, а потім B), щоб забезпечити послідовність залишку на рахунку.

• Постійна пам'ять

Стан кожного актора та необхідні дані зберігаються у його власній пам'яті, а не в зовнішньому спільному сховищі, такому як жорсткі диски або бази даних. Це значно зменшує потребу в API-викликах для взаємодії з блокчейном, дозволяючи безпосередньо отримувати доступ до даних з локальної пам'яті, що зменшує затримку. Крім того, стан кожного актора зберігається, що означає, що навіть якщо розумний контракт призупиниться або систему перезапустять, стан актора можна негайно відновити.

Протокол Gear також використовує технологію Virtualization Memory, яка відстежує поведінку доступу до пам'яті програмами, щоб забезпечити, що читається та зберігається лише необхідна інформація. Це мінімізує витрати обчислювальних ресурсів, зроблює систему більш ефективною.

• WebAssembly (WASM)

WebAssembly (WASM) — це ізольоване середовище виконання, яке дозволяє смарт-контрактам працювати ефективно. Він підтримує широкий спектр мов програмування, тому розробники можуть використовувати знайомі інструменти розробки для розгортання смарт-контрактів на Gear.exe. Це значно зменшує бар'єри розгортання, полегшуючи розробникам використання обчислювальних потужностей Gear.exe без вивчення нових мов або фреймворків.

Процес операції Gear.exe

Рисунок 3, Процес роботи Gear.exe, Джерело: Протокол Gear

Gear.exe надає розробникам два основних методи інтеграції для взаємодії зі своєю платформою:

1. Вбудовання за замовчуванням
   У цьому методі dApps безпосередньо викликають операційні процедури Gear.exe, без необхідності надсилати запити до Ethereum. Це дозволяє взаємодіяти з системою в режимі реального часу.

2. Інтеграція на основі подій
   У цій моделі смарт-контракти Ethereum видають події, які спричиняють операції Gear.exe. Коли валідатори Gear.exe виявляють подію, вони негайно виконують відповідний процес. Це дозволяє повністю децентралізовану інтеграцію, де Ethereum та Gear.exe можуть безперешкодно працювати.

Незалежно від обраного методу інтеграції, операційний процес складається з наступних кроків:

Покроковий процес

1. Прийняття запиту
   Отримавши запит, вузли-перевірники Gear.exe виконують програму розгорнутої додатка в середовищі Gear. Потім вузли підписують остаточний результат обчислення, щоб гарантувати його валідність.

2. Економічна безпека через повторне укладання
   Щоб запобігти зловмисній поведінці з боку вузлів, економічна безпека Gear.exe захищена протоколом пере-розміщення Симбіозу. Крім того, учасники стейкінгу власного токена мережі Vara (VARA) сприяють забезпеченню безпеки. Також передбачені механізми покарання для стримування недобросовісної поведінки.

3. Передпідтвердження
   Після того, як Gear.exe починає обробку запиту, він надсилає попереднє підтвердження користувачеві. Це попереднє підтвердження виступає як квитанція, що містить деталі транзакції, такі як відправник, отримувач, хеш-значення, комісія за транзакцію тощо. Це запевняє користувача, що транзакція буде оброблена і, в кінцевому підсумку, завершена на Ethereum. Попереднє підтвердження є важливим, оскільки дані транзакції все ще обробляються, а остаточний розрахунок на Ethereum займе деякий час. Надаючи попереднє підтвердження, Gear.exe дозволяє додаткам уникнути очікування завершення транзакції, забезпечуючи швидший досвід користувача.

4. Агрегація та завантаження результатів
   Приблизно кожні 8 секунд секвенсор збирає всі обчислювальні результати (які можуть включати транзакції з кількох додатків) та останній кореневий стан. Потім ці результати упаковуються та завантажуються в розумний контракт Gear.exe на Ethereum.

5. Оновлення смарт-контрактів додатків
   Остаточні результати транзакції надсилаються відповідним розумним контрактам децентралізованих додатків (dApps), оновлюючи їх станові корені останніми даними.

Основні функції архітектури Gear.exe

• Гнучкість для розробників Web3:
  Архітектура та методи інтеграції Gear.exe надають розробникам Web3 більшу гнучкість, дозволяючи їм вибирати між нативною та подійною інтеграцією на основі їх використання.

• Продуктивність та швидкість:
  Надаючи попередні підтвердження та оброблюючи транзакції поза ланцюжком, Gear.exe дозволяє дапсам пропонувати значно швидший та плавніший досвід користувача, оскільки користувачі можуть без затримки взаємодіяти з платформою, не чекаючи, поки повна транзакція буде завершена на Ethereum.

• Безпека та перевірка:
  Поєднання перезаливу, валідаторних вузлів та механізмів покарання забезпечує безпеку системи та запобігає зловживанням. Залежність від основної мережі Ethereum для остаточного врегулювання додає додатковий рівень безпеки, оскільки консенсус Ethereum є остаточним арбітром законності транзакції.

Цей підхід, поєднуючи високу продуктивність, швидкі транзакції та надійні функції безпеки, позиціонує Gear.exe як цінний інструмент для розробників Web3, які прагнуть інтегрувати обчислення поза ланцюжком з Ethereum в масштабному та ефективному способі.

Порівняння між Gear.exe та Layer 2

Як Gear.exe, так і різноманітні рішення другого рівня спрямовані на покращення масштабованості Ethereum, забезпечуючи можливість роботи з більшою кількістю користувачів та додатків. Однак існують значні відмінності в тому, як ці два підходи реалізовані. У цьому порівнянні буде зосередженося на двох важливих аспектах: безпека та продуктивність.

Безпека

Як Gear.exe, так і рішення Layer 2 переносять обчислювальні завдання Ethereum поза ланцюжок, а потім упаковують транзакції назад на головну мережу. Це означає, що значна частина обробки транзакцій відбувається поза ланцюжком, і дуже важливо забезпечити безпеку й послідовність даних транзакцій під час позаланцюжкових обчислень, щоб запобігти зловмисним змінам вузлами.

• Рівень 2 (наприклад, Arbitrum): У рішеннях рівня 2, таких як Arbitrum, процес обчислень захищений власним мережевим консенсусом. Транзакції впорядковуються централізованим секвенсором, а потім завантажуються в основну мережу для розрахунків. Arbitrum використовує механізм Optimistic Proof з 7-денним періодом оскарження. Система припускає, що всі завантажені дані про транзакції правильні, але надає вікно для будь-кого, хто може оскаржити транзакцію. Якщо виникає проблема, валідатори Ethereum несуть відповідальність за підтвердження дійсності транзакції. Така конструкція гарантує, що, навіть якщо вузли мережі Arbitrum є шкідливими, Ethereum може служити останньою лінією захисту.
• Gear.exe: Gear.exe не має власного мережевого консенсусу і натомість покладається на Symbiotic, який використовує повторно поставлені ETH для забезпечення економічної безпеки. Транзакції спочатку впорядковуються централізованим секвенсором, а потім передаються в основну мережу Ethereum. Однак у поточній документації Gear.exe не уточнюється, чи використовує вона такі механізми, як Optimistic Proofs або Zero-Knowledge Proofs (ZKP), щоб перевірити правильність даних, завантажених на Ethereum. Таким чином, безпека Gear.exe значною мірою залежить від протоколу повторного стейкінгу Symbiotic. Залишається незрозумілим, чи може безпека, що забезпечується цією моделлю повторного стейкінгу, повністю відповідати нативному консенсусу Ethereum, оскільки механізм повторного стейкінгу використовує безпеку Ethereum за допомогою смарт-контрактів, створюючи потенційні системні ризики.

Крім того, і Gear.exe, і рівень 2 використовують централізований секвенсор для впорядкування транзакцій замість того, щоб покладатися на консенсус мережі. Хоча це прискорює мережу, це також дає секвенсору та команді проєкту значні повноваження. У крайніх випадках проектна команда може маніпулювати порядком транзакції на свою користь і відхиляти транзакції, які завдають шкоди її інтересам. Рішення рівня 2, такі як Arbitrum і Optimism, забезпечують механізм втечі, дозволяючи користувачам обходити секвенсор і відправляти транзакції безпосередньо в основну мережу. Однак такої конструкції Gear.exe не має.

Висновок щодо безпеки:
Порівняно з рішеннями Layer 2, безпека Gear.exe сильно залежить від Симбіотіки і не має деяких протиходійних заходів для екстремальних випадків, що зустрічаються в рішеннях Layer 2. Він не такий зрілий і добре структурований з точки зору безпеки. Однак Gear.exe може надати більше деталей у майбутніх білих книгах, щоб уточнити свою модель безпеки.

Продуктивність

З погляду продуктивності, Gear.exe та Layer 2 обидва повертають попередньо підтверджену інформацію користувачам під час обробки транзакцій, що свідчить про те, що система прийняла транзакцію та буде обробляти її. Це дозволяє користувачам швидко отримати початкові результати транзакції та продовжувати інші операції без очікування завершення формування блоку Ethereum, що значно підвищує швидкість та ефективність транзакцій. Крім того, Gear.exe та Layer 2 використовують централізовані послідовники для упорядкування транзакцій, що дозволяє зекономити час на формування згоди та стиснути кілька транзакцій в одну. Це зменшує комісійні витрати та дозволяє блокам Ethereum розмістити більше транзакцій.

• Рівень 2:
  Рішення другого рівня, такі як Arbitrum, пропонують покращену продуктивність порівняно з базовим рівнем Ethereum, перекладаючи обчислення. Однак, другий рівень все ще має деякі обмеження щодо масштабованості, оскільки він загалом підтримує лінійне покращення пропускної здатності транзакцій, а не експоненціальні прирости.

• Gear.exe:
  Gear.exe інтегрує кілька передових технологій, таких як модель акторів, постійна пам'ять та WebAssembly (WASM), щоб підтримувати паралельне виконання завдань. Це подальше оптимізує обчислювальну ефективність та використання ресурсів. Паралелізація процесів дозволяє Gear.exe потенційно забезпечувати значно вищу мережеву продуктивність, ніж рішення 2-го рівня. Gear.exe стверджує, що може досягти 1000 разів більшої обчислювальної потужності базового рівня Ethereum, але чи можна перевірити цей твердження залежить від майбутніх даних про продуктивність та тестування.

Висновок щодо продуктивності:
Хоча рішення рівня 2 вже надають значні покращення продуктивності порівняно з Ethereum, Gear.exe може запропонувати ще більше мережевої продуктивності завдяки своєй підтримці паралельного виконання. Однак, чи може воно забезпечити заявлене тисячекратне покращення, залишається підтвердити за допомогою даних та тестування в реальному світі.

Перспективи та виклики

Простіше кажучи, Gear.exe підвищує продуктивність за рахунок паралельного виконання, спираючись на існуючу інфраструктуру рівня 2 і позиціонуючи себе як модуль розширення для Ethereum, а не як новий блокчейн. Він зосереджений виключно на наданні обчислювальних послуг для DApps в інших ланцюгах, уникаючи проблеми фрагментації активів, яка поставляється з кількома рішеннями рівня 2. У майбутньому Gear.exe потенційно може замінити деякі рішення рівня 2, об'єднавши екосистему Ethereum. Крім того, завдяки своїм високопродуктивним можливостям Gear.exe робить Ethereum більш конкурентоспроможним порівняно з іншими публічними мережами, орієнтованими на продуктивність, такими як Solana, Sei, Sui та Aptos.

Однак, чи зможуть операційні показники та стабільність Gear.exe дійсно задовольнити заявлені вимоги, ще належить з'ясувати. Крім того, з точки зору безпеки, Gear.exe захищена лише Symbiotics і не має багатьох пов'язаних заходів, які забезпечують існуючі рішення рівня 2. Існують проектні ризики, які слід враховувати, особливо в порівнянні з більш зрілими функціями безпеки рішень рівня 2. Безпека, як правило, є вищим пріоритетом для розробників і користувачів, особливо з огляду на численні інциденти, коли хакери викрадали активи, в тому числі з великих централізованих бірж. Враховуючи, що Gear.exe є повністю керованим кодом ончейн-протоколом, необхідно довести, що його безпека є надійною та надійною, особливо в таких ситуаціях, як простої. Це сфера, яку Gear.exe потрібно буде вдосконалити та зміцнити, щоб завоювати більше довіри ринку.

Висновок

Зі зростанням технології блокчейну та модульних блокчейнів, бар'єр для створення Шару 2 ставав все меншим, оскільки багато платформ пропонують функції "створення ланцюжка за один клік". В результаті кількість рішень Шару 2 зросла надто багато, залишаючи розробників та користувачів Ethereum невпевненими у виборі. Кожен Шар 2 потребує створення свого екосистеми, але це лише реплікує те, через що вже пройшли інші публічні ланцюжки, що в певній мірі гальмує інновації нових технологій.

Gear.exe пропонує більш продуктивне рішення для DApps, ніж рівень 2, і усуває необхідність міграції існуючих користувачів і коштів. Використовуючи повторний стейкінг для безпеки, він забезпечує унікальну альтернативу проблемам масштабованості Ethereum. Хоча це рішення ще не набуло широкого поширення і має пройти перевірку ринку, воно, безсумнівно, відкриває нові можливості для Ethereum. Gear.exe міг би запропонувати більш підходяще рішення для масштабування Ethereum, і його майбутній розвиток вартий постійної уваги.