Введение

Троица блокчейнов

Благодаря своей децентрализации, неизменяемости и прозрачности технология блокчейн стала основой для инноваций в различных отраслях. Однако известная "Трилемма блокчейна" постоянно ставит под вопрос его принятие - сложность одновременного достижения децентрализации, безопасности и масштабируемости. Эти три фактора взаимозависимы, что затрудняет оптимизацию всех трех сразу для блокчейн систем.

• Децентрализация гарантирует, что сеть блокчейна работает независимо от любой единственной контролирующей структуры. Однако высокая децентрализованность сети может привести к снижению эффективности транзакций.
• Безопасность необходима для защиты сети от злонамеренных атак, но улучшение безопасности часто требует дополнительных вычислительных ресурсов, что может замедлить обработку транзакций.
• Масштабируемость направлена на улучшение скорости и емкости транзакций, однако часто это достигается за счёт уменьшения децентрализации или безопасности.

По мере расширения приложений блокчейн поиск оптимального баланса в рамках трилеммы стал ключевой задачей для разработчиков и исследователей.

Диаграмма: Троица блокчейна (Источник:IT Дом)

Дорожная карта Ethereum

Сооснователь Ethereum Виталик Бутерин поставил перед собой амбициозную цель для следующей фазы масштабирования сети Ethereum: превышение 100 000 транзакций в секунду. В октябре 2024 года он в своем блоге вспомнил о ранние дни технологии блокчейн, выделив две основные стратегии масштабирования, изложенные в дорожной карте Ethereum: Шардинг и протоколы Layer 2 (L2).

• Шардинг снижает нагрузку на отдельные узлы, позволяя им проверять и хранить только небольшой поднабор транзакций, аналогично тому, как работают пиринговые сети, такие как BitTorrent. Этот подход повышает масштабируемость сети за счет эффективного распределения нагрузки.
• Протоколы уровня 2 строятся поверх основной сети Ethereum, удерживая данные и вычисления вне цепи, сохраняя гарантии безопасности Ethereum.

Диаграмма: The Surge – 2023 Roadmap Edition (Источник:Блог Виталика)

Значительные успехи были достигнуты в стратегии масштабирования Ethereum на протяжении 2024 года. Однако остаются несколько вызовов:

• Роллапы требуют значительной полосы пропускания данных on-chain, что означает, что они все еще сильно зависят от ресурсов главной сети Ethereum.
• Централизованные секвенсоры в роллапах представляют риски цензуры транзакций и эксплуатации значения, извлекаемого майнерами (MEV).
• Фрагментированная экосистема уровня 2 заставляет разработчиков сталкиваться с вызовами взаимодействия и сложностями принятия решений на Gate.io.

Блог Виталика подчеркивает, что текущим приоритетом является совершенствование дорожной карты, ориентированной на роллапы, обеспечивая при этом устойчивость и децентрализацию Уровня 1 (L1) Ethereum. В этом контексте появились новые инновации в масштабировании, такие как Based Rollups и Preconfirmation:

• Общие последователи: обеспечивают единое службу упорядочения транзакций для нескольких цепей уровня 2. Однако, как сторонние операторы, они вносят проблемы доверия и стимулирования.
• На основе Rollups: Они полагаются на Ethereum’s L1 для последовательности транзакций, упрощая архитектуру и укрепляя децентрализацию. Однако скорость завершения их транзакций ограничена временем блока Ethereum.
• Предварительное подтверждение: Предлагает предварительное подтверждение транзакции путем отслеживания активности памяти перед официальным включением в блок. Это значительно сокращает время ожидания пользователя, открывая новые возможности для повышения эффективности и опыта пользователя.

Сегодняшняя статья рассмотрит технические принципы Предварительного подтверждения, его применение и то, как это помогает достичь лучшего баланса между эффективностью и децентрализацией в блокчейн сетях.

Что такое предварительное подтверждение?

Концепция предварительного подтверждения

Предварительное подтверждение можно понимать как надежное обязательство к сделке до ее официального подтверждения на блокчейне. Этот механизм предоставляет сигнал раннего подтверждения, сокращая время ожидания пользователя и повышая эффективность сделки. Он особенно полезен в ситуациях с большим объемом или требованиями к быстрому реагированию, где быстрая обратная связь критична.

Предварительное подтверждение подобно ситуациям в реальном мире, когда делается предварительное обязательство перед окончательным подтверждением:

• Бронирование ресторанов: когда вы бронируете стол, ресторан подтверждает ваше бронирование, но окончательное подтверждение происходит, когда вы приезжаете. Это похоже на предварительное подтверждение - надежный предварительный просмотр будущего исполнения.
• Онлайн-заказы: Когда вы размещаете заказ, статус может отображаться как "Обработка", что означает, что продавец получил ваш запрос и зарезервировал товар. Однако окончательное подтверждение требует проверки оплаты и отправки. Это напоминает предварительное подтверждение в блокчейне, когда транзакция временно одобрена, но все еще требует окончательной проверки.
• Бронирование рейса: После покупки билета ваше место временно зарезервировано, что представляет собой предварительное подтверждение. Окончательное подтверждение происходит во время регистрации. Точно так же предварительное подтверждение в блокчейне обеспечивает первоначальное обязательство по сделке без ее окончательного подтверждения.

Концепция 0conf в Bitcoin

В начале эры блокчейна сообщество биткоина изучило похожую концепцию, называемую «0conf» (транзакции с нулевым подтверждением). Этот подход позволял временно считать транзакции действительными до полного подтверждения на блокчейне.

0conf был особенно полезен для быстрых сценариев платежей, требующих мгновенной обработки транзакций. Однако из-за рисков двойных расходов, когда злоумышленники могли транслировать противоречивые транзакции, 0conf так и не стал основным решением.

Предварительное подтверждение на основе цепи Ethereum

В 2023 году исследователь блокчейна Ури Кларман расширил концепцию предварительного подтверждения на Ethereum, представив идею "цепного предварительного подтверждения". Ключевым новшеством было то, что будущие предварительные подтверждения наследуют предыдущие записи предварительного подтверждения, образуя непрерывную цепь предварительного подтверждения, которая повышает надежность транзакций.

В том же году команда Primev дальше продвинула технологию предварительного подтверждения, разработав mev-commit, платформу, направленную на координацию Miner Extractable Value (MEV). Интегрировав механизм аукциона, mev-commit сделал предварительное подтверждение транзакций более эффективным и надежным.

Какие проблемы решает предварительное подтверждение?

В технологии блокчейн, особенно в системах на основе Rollup, неэффективность подтверждения транзакций давно является основной проблемой для пользовательского опыта. Когда пользователи отправляют транзакции на уровне 2 (L2), окончательное подтверждение зависит от передачи данных обратно на уровень 1 (L1). Этот процесс вводит несколько вызовов, особенно в сценариях высокочастотной торговли или децентрализованных финансовых (DeFi) средах, таких как:

• Задержки транзакций и неопределенность подтверждения
  В механизмах Rollup окончательное подтверждение транзакции пользователя требует ожидания генерации блока L1. Этот процесс может быть задержан из-за сетевой перегрузки или проблем с последовательностью транзакций. Например, в Оптимистичных Rollups окно вызова обычно длится семь дней, чтобы предотвратить мошеннические транзакции, вызывая задержки при выводе и уменьшая ликвидность. В то время как ZK Rollups обеспечивают более быстрое подтверждение, генерация доказательств в нулевом знании требует значительных вычислительных ресурсов.

• Потери в высокочастотной торговле
  Пользователи DeFi и арбитража полагаются на мгновенность совершения транзакций, чтобы успеть воспользоваться рыночными возможностями. Однако, если окончательное совершение транзакции занимает слишком много времени или порядок транзакций меняется, пользователи могут понести финансовые потери.

• Проблемы доверия с централизованными последователями
  Большинство Rollups полагается на централизованных последователей для упорядочения транзакций, что вводит потенциальные риски, такие как цензура транзакций и несправедливое исполнение транзакций из-за значения, извлекаемого майнерами (MEV).

Решение предварительного подтверждения

Предварительное подтверждение обеспечивает начальное подтверждение до того, как транзакции официально записываются в цепочке, решая упомянутые выше проблемы:

• Сокращает время ожидания пользователей – Предлагает обратную связь о статусе транзакции в реальном времени, минимизируя неопределенность, вызванную задержками.
• Повышает уверенность пользователей – Позволяет пользователям отслеживать прогресс транзакции более прозрачно, увеличивая доверие к сети.
• Улучшает прозрачность последовательности транзакций – Обязуется заранее определить порядок транзакций, смягчая финансовые потери, вызванные изменениями порядка.

Различия между предварительным подтверждением и традиционными механизмами подтверждения

Основные концепции и операции

• Традиционный механизм подтверждения:

  • Транзакция сначала отправляется в пул памяти, а затем майнеры ждут, чтобы упаковать ее в следующий блок. Транзакция считается официально подтвержденной только после того, как блок будет проверен через механизм консенсуса (например, доказательство работы (PoW) или доказательство доли (PoS)). Для этого процесса требуется подождать как минимум одно поколение блока.

• Предварительное подтверждение:

  • После того, как транзакция попадает в пул транзакций, вероятность ее включения в следующий блок прогнозируется на основе таких факторов, как комиссии за газ, приоритет и сетевые условия. Пользователи могут получить сигнал о начальном подтверждении в течение нескольких секунд, не дожидаясь завершения процесса генерации полного блока.
  • Для повышения надежности централизованные последователи уровня 2 (L2) (например, Rollups) могут обеспечивать обязательства, или механизмы предварительного подтверждения on-chain могут быть использованы.

Скорость подтверждения

• Традиционный механизм подтверждения:
• Подтверждение транзакции требует ожидания генерации блока и нескольких подтверждений.
• Как только транзакция включается в блок, этот блок становится частью цепочки блоков.
• Поскольку к нему присоединяется все больше последующих блоков, количество подтверждений увеличивается, что делает транзакцию более безопасной.
• Сетевая перегрузка или задержки в достижении консенсуса могут замедлить процесс.

Подтверждение Надежности

• Традиционный механизм подтверждения:

  • Высокая надежность – Как только транзакция подтверждена несколько раз, она фактически становится необратимой и неизменной, что делает ее идеальной для приложений с высоким уровнем безопасности.
  • Гарантии окончательности - Подтверждение обеспечивается механизмом консенсуса блокчейна, и после того, как транзакция достигает определенного количества подтверждений, ее почти невозможно отменить.

• Предподтверждение:

  • Только первоначальное обязательство - это предсказание того, что транзакция 'скорее всего' будет включена в следующий блок, но не гарантирует окончательности.
  • Риск изменения порядка или отмены – Если изменятся условия сети или поведение последователя, транзакция все равно может быть отменена или изменена приоритет. Подходит для ситуаций высокой скорости, где окончательность менее критична.

Технологии и затраты на внедрение

• Традиционный механизм подтверждения:
  • Полностью зависит от механизма консенсуса блокчейна.
• Предварительное подтверждение:
  • Требуется обширный анализ данных памяти, алгоритмы упорядочения транзакций и надежные последователи.
  • Нужны механизмы резервного копирования в случае сбоя предварительного подтверждения.

Таблица: Сравнение традиционного механизма и предварительного подтверждения (Источник: Самостоятельное составление)

Исследование случая: Предварительное подтверждение в Taiko

Повышение эффективности и децентрализации с помощью предварительного механизма подтверждения Taiko

Taiko - это децентрализованный проект ZK-EVM Rollup, построенный на Ethereum. Его основной дизайн направлен на достижение полной совместимости с Ethereum при использовании механизма предварительного подтверждения и децентрализованной системы предложения для решения проблем эффективности и справедливости транзакций.

(Источник:Официальный веб-сайт Taiko)

Обзор Taiko

• Бесшовный пользовательский опыт – EVM Taiko полностью совместим с Ethereum и не требует повторной компиляции или изменений в инструментах разработки. Разработчики могут использовать существующие умные контракты и инструменты Ethereum без модификации.
• Сообщество-ориентированный - Taiko является полностью открытым исходным кодом, позволяя сообществу свободно использовать и изменять его код, способствуя децентрализации и участию сообщества.
• Подход с упором на безопасность — Taiko, как Rollup на основе Ethereum, представляет собой разрешенную, децентрализованную сеть предложителей и доказывателей, наследуя безопасность и децентрализацию Ethereum.
• Последовательность на основе Ethereum - Taiko использует механизм последовательности транзакций на основе Ethereum, где валидаторы Ethereum обрабатывают упорядочивание транзакций. Это обеспечивает простоту при сохранении живости Ethereum и нейтральности с минимальным доверием.

Механизм предварительного подтверждения Taiko

Механизм секвенирования на основе Taiko позволяет валидаторам Ethereum напрямую участвовать в упорядочении транзакций уровня 2 (L2). Валидаторы могут мостить ETH на сеть Taiko, используя мостовую службу Taiko для предоставления мгновенного предварительного подтверждения, улучшая оперативность транзакций и пользовательский опыт, сохраняя децентрализацию и безопасность.

Модель оспариваемого роллапа (BCR) на основе Taiko

Taiko принимает модель Based Contestable Rollup (BCR), разработанную для обеспечения справедливости и прозрачности через открытую и разрешенную систему:

• ✅ Полностью безразрешенный и децентрализованный - Любой может участвовать в системе Тайко без специальных разрешений, обеспечивая высокую степень децентрализации.
• ✅ Модель конкурентоспособного предлагающего - Предлагающие конкурируют за Максимальную Извлекаемую Стоимость (MEV) и другие экономические стимулы, а также берут на себя операционную ответственность, улучшая эффективность и стабильность системы.
• ✅ Интегрированная секвенирование Ethereum - Taiko устраняет необходимость в централизованном секвенсоре, деля ту же роль, что и предлагатели блоков Ethereum, полностью полагаясь на инфраструктуру Ethereum.
• ✅ Механизм выборов лидера – В любой момент времени выбирается только один предлагающийся в качестве лидера, предоставляя ему эксклюзивные права на завершение блока. Это позволяет избежать ресурсных потерь и конфликтов.

Примечание: В настоящее время Taiko использует SGX в качестве доверенной среды выполнения (TEE) для подтверждения, RiscZero и SP1 для доказательства нулевого знания (ZKP), а также Guardian (проверка мультиподписи) от Taiko Labs. Более подробную информацию можно найти вДокументация Taiko.

Пример: Процесс контестабельного сворачивания на основе Taiko

Обзор процесса:

Предложение блока – Предлагающий отправляет новый блок.

Первичное подтверждение – Провайдер первого уровня (например, используя SGX TEE) представляет доказательство правильности блока и предоставляет депозит TAIKO в качестве залога.

Период охлаждения и оспаривания (~4 часа) – В течение этого времени любой желающий может оспорить доказательство действительности, отправив свой собственный депозит (например, «Синди» на диаграмме).

Продвинутая проверка доказательств - более высокий уровень доказывающего лица (например, использующий ZKPs от RiscZero или Succinct) проверяет правильность первичного доказательства.

Результат и стимулы:

• Если первичное доказательство верно → первичному доказательству возвращается депозит и он получает вознаграждение, в то время как оспаривающий теряет свой депозит.
• Если первичное доказательство неверно → Оппонент получает возврат своего депозита и зарабатывает награду, в то время как первичный доказатель теряет свой депозит.

Этот многоуровневый механизм доказательств обеспечивает возможность оспаривания доказательств на разных уровнях, повышая безопасность и децентрализацию системы.

Диаграмма: Пример процесса контролируемого сворачивания Taiko (Источник:Документация по конкурентному роллапу Taiko)

Заключение

Технология предварительного подтверждения становится ключевым решением для повышения эффективности транзакций на блокчейне и опыта пользователей. В то время как традиционные механизмы подтверждения транзакций обеспечивают высокий уровень безопасности и надежности, они страдают от длительных задержек и низкой эффективности, что делает их непригодными для высокочастотной торговли и приложений в реальном времени, таких как платежи. Предварительное подтверждение, с его быстрым обратным связыванием и предварительным подходом к обязательствам, помогает смягчить эти ограничения, предлагая пользователям более мгновенный и прозрачный опыт транзакций.

Например, проект Taiko интегрирует конкурентную модель Rollup для балансировки децентрализации и эффективности. Кроме того, многоуровневая структура проверки и механизм выборов лидера Taiko обеспечивают справедливость и безопасность с помощью экономических стимулов и прозрачной конкуренции, служа как ценный источник для будущих концепций масштабируемости блокчейна.

Однако предварительное подтверждение не является идеальным решением. Надежность первоначальных подтверждений и риск аннулирования транзакции все еще требуют дальнейшей технической оптимизации и резервных механизмов. Продолжение инноваций необходимо для улучшения опыта транзакций при решении трилеммы блокчейна: децентрализации, безопасности и масштабируемости.

Помимо чисто технического инновационного подхода, предварительное подтверждение - это инструмент построения доверия, который может ускорить принятие технологии блокчейн. По мере расширения технологии предварительного подтверждения за пределы высокочастотной торговли в повседневные платежи, блокчейн будет все более интегрироваться в повседневную жизнь, помогая осуществить видение глобальной финансовой инклюзии.