Абдулжалилов А.З.
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
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.
Номер журнала Вестник науки №11 (68) том 4
Ссылка для цитирования:
Абдулжалилов А.З. МЕТОДЫ И СТРАТЕГИИ МАСШТАБИРУЕМОСТИ БЛОКЧЕЙН-ТЕХНОЛОГИЙ: АНАЛИЗ, СРАВНЕНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ // Вестник науки №11 (68) том 4. С. 625 - 634. 2023 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/11140 (дата обращения: 17.05.2024 г.)
Вестник науки СМИ ЭЛ № ФС 77 - 84401 © 2023. 16+