Это как замена двигателей в летящем самолете: чего ждать от обновлений Ethereum 2.0

Как часто за день вы слышите такие слова как: блокчейн, криптовалюта, NFT, майнинг? Согласитесь: создается такое впечатление, будто они раздаются отовсюду. 

Думаю, многие согласятся с тем, что блокчейн Ethereum занял господствующее место в криптомире и стал опорой для развития IТ-проектов.

Для разработчиков рубеж этого года станет важным, ведь в третьем квартале запланирован запуск обновления The Merge, которое ознаменует переход к так называемому Ethereum 2.0.

Если для вас это понятие ново и нераскрыто или вам просто интересно, что же такого важного появится в новой версии легендарного блокчейна — предлагаю погрузиться вместе в мир удивительных нововведений Виталия Бутерина и его команды.

В рамках этой статьи я расскажу о том, что из себя представляет Ethereum 2.0, чем эта итерация отличается от предыдущей, причины перехода к этим изменениям, когда в конце концов ожидать обновления и действительно ли это будет прорывом для блокчейна, или здесь также не обошлось без подводных камней.

Что такое Ethereum 2.0

Ethereum 2.0 (или Serenity) – это очередное обновление для главной сети блокчейна Ethereum, нацеленное на улучшение его скорости, эффективности и масштабируемости.

На самом деле это название уже устарело и неправильно, ведь в начале этого года (2022) подверглось ребрендингу. Ранее команда разработчиков использовала термины Ethereum 1.0 (Eth1) для текущей итерации блокчейна, работающей по принципу доказательства работы (Proof-Of-Work) и Ethereum 2.0 (Eth2) для предстоящего обновления, которое должно было прийти на замену.

Но при работе над интеграцией Eth1 и Eth2 возникли некоторые сложности, которые привели к концепции «Раннего слияния» (Early Merge), где предложено использовать Eth1 как часть будущего Eth2.

Поэтому с целью утверждения идеи, что это две части одного целого, и избежания недоразумений у пользователей, решили вывести эти термины из употребления и заменить их на:

• «уровень выполнения» (execution layer) для Ethereum 1.0, где будут выполняться транзакции;
Онлайн-курс "Лідогенерація у B2B" від Laba.
Де шукати нових клієнтів, щоб збільшити дохід компанії та які інструменти лідогенерації застосовувати? Розбираємо покроково та комплексно.
Дізнатись більше про курс
• «уровень консенсуса» (consensus layer) для Ethereum 2.0, где будет разрешаться консенсус путем доказательства владения.

Несмотря на все эти изменения, название Ethereum 2.0 все равно можно встретить во многих других местах вне ресурса Ethereum.org (как, например, в этой статье), ведь оно все еще остается более известным для публики.

Новый механизм консенсуса

Главная идея, положенная в основу этого обновления для блокчейна Ethereum — это переход к использованию доказательства владения (Proof-Of-Stake) как механизма консенсуса в сети.

Это кардинальное изменение в главной части проекта, ведь для добавления нового блока к цепи используется алгоритм Ethash, основанный на механизме доказательства работы (Proof-Of-Work).

Именно он и стал самым большим недостатком блокчейна. Понимая это, команда разработчиков еще с момента создания проекта рассматривала способы использования PoS, но на тот момент эта технология была мало исследована. Именно поэтому его имплементацию отложили на «лучшие времена».

Доказательство работы (Proof-Of-Work) — это такой алгоритм консенсуса, при котором создание и проверка новых блоков происходит путем выполнения математических задач, далеко нетривиальных и требующих значительного количества вычислительных мощностей.

После того как они решены, новый блок добавляется в блокчейн, а тот, кому удалось сделать это первым, получает вознаграждение. Такой процесс, как многим уже известно, называется майнингом (mining). 

С ростом популярности блокчейна Ethereum увеличивается и сложность добычи его криптовалюты.

Это и есть причина постоянного увеличения расходов на потребленную электроэнергию и специальное вычислительное оборудование (чаще всего его роль выполняют графические и ASIC-процессоры). По оценкам Digiconomist, сеть Ethereum потребляет за один год 87,44 ТВт, что сравнимо с потребностями в электроэнергии для всей Финляндии.

Но кроме финансовых затрат, эта цифра неприятна, поскольку создает очень большой углеродный след — 48,77 Мегатонн.

Для сравнения, количество выбросов углерода в атмосферу от одной транзакции в Ethereum эквивалентно примерно 240 тысячам транзакций платежной системы VISA.

Эта проблема с огромными затратами электроэнергии и, как результат, ужасающими последствиями для окружающей среды, будет решена именно благодаря вышеупомянутому переходу к алгоритму достижения консенсуса путем доказательства владения.

При таком подходе не нужно иметь никаких сверхмощных вычислительных систем. За генерацию и добавление нового блока отвечают валидаторы. Для того, чтобы узел сети мог получить такой статус, необходимо проинвестировать значительную сумму, а именно 32 монеты Ether (в дальнейшем сумма может и измениться), которые будут заморожены и, в случае недобросовестности участника, или при несоблюдении им правил, будут сгорать частично или полностью.

После начала работы тестовой ветви блокчейна Ethereum, полностью работающей с использованием подхода Proof-Of-Stake, разработчики провели исследование ее энергоэффективности. Согласно ему, благодаря переходу к новому механизму консенсуса удалось достичь снижения затрат электроэнергии на 99,95%. Согласно оценкам в исследовании, утверждается, что на момент его проведения в сети работало около 88 тысяч валидаторов, достигших расходов электроэнергии в 2,62 Мега Вата, что примерно соответствует потреблению 2100 частных жилых домов.

Также интересно, что при использовании доказательства владения процесс добавления нового блока уже называется не майнингом, а стейкингом (staking).

The Beacon Chain — Ethereum с Proof-Of-Stake

Поскольку изменения к уже работающему проекту очень значимы и противоположно родственны (по сравнению с Eth1), переход к Ethereum 2.0 выполняется в несколько этапов с кропотливым тестированием на каждом из них.

Первым стало введение нового блокчейна The Beacon Chain, использующего PoS вместо PoW и временно работающего параллельно с главной сетью Ethereum.

Он, как правило, выполняет роль менеджера:

• управление валидаторами и их депозитными правами;
• контроль за вознаграждениями и штрафами для генераторов и аттестаторов;
• выбор генератора для блока;
• создание комитета валидаторов для аттестации;
• взаимообмен между цепями-шардами (еще одно нововведение, о котором пойдет речь ниже).

Для того, чтобы выполнились транзакции и создался новый блок, рандомным образом среди всех валидаторов выбирается один — генератор.

Что происходит дальше:

1. в его обязанности входит выполнение незначительных вычислений для создания нового блока;
2. далее ему необходимо пройти аттестацию — так называемую проверку корректности нового звена цепи;
Психологічний профорієнтаційний тест для IT-фахівців від Ithillel.
Пройдіть психологічний профорієнтаційний тест для IT-фахівців щоб дізнатися ваші сильні сторони, вподобання і інтереси і з'ясувати, яка IT-спеціальність вам підходить.
Пройти тест
3. с целью удовлетворения этого требования и последующего добавления блока в сеть необходимо, чтобы комитет, состоящий минимум из 128 валидаторов, подтвердил его корректность в течение периода в 12 секунд — слота (slot);
4. по достижению эпохи, которая соответствует 32 слотам (6,4 минуты), комитет валидаторов «распускается» и на его замену создается новый путем случайного выбора (из списка валидаторов).

После получения достаточного количества аттестаций, для созданного блока делается перекрестная ссылка (cross-link), добавляемая в сеть The Beacon Chain, а узел-генератор получает вознаграждение.

Кроме того, в распределенных сетях существует понятие «финальности», указывающее, что транзакция, как часть блока, не может больше меняться.

Для достижения этого используется протокол финальности Casper FFG, следящий за этим благодаря подходу с использованием контрольных точек. Первый блок каждой эпохи получает такую ​​отметку автоматически.

В дальнейшем в процессе работы валидаторы «голосуют» за пару контрольных точек, которые, по их мнению, действенные и корректные. В том случае, когда какая-то пара точек получает количество голосов больше 2/3 от числа всех валидаторов, то самая ранняя точка обозначается как «оправданная» (justified), а другая, которая старше, — «завершенная» (finalized). В результате в сети всегда будет продолжаться использование только цепи правильных блоков (за исключением ситуации с атакой 51% ).

На этом первом этапе у Ethereum 2.0 также есть минимальное ограничение количества активных валидаторов в сети для того, чтобы она считалась достаточно децентрализованной, и, как следствие, безопасной. Это число составляет 16384 единицы .

Обновление с введением The Beacon Chain было запущено 1 декабря 2020 года и до сих пор остается на стадии тестирования.

The Merge

Важно понимать, что на данном этапе перехода к Ethereum 2.0 существует две параллельные сети — Ethereum 1.0 и The Beacon Chain. Первая до сих пор работает по принципу доказательства работы, а вторая — доказательства владения.

На втором этапе перехода к Ethereum 2.0 планируется обновление The Merge, призванное выполнить объединение этих двух сетей в одну, где будет сохранена вся история Ethereum 1.0 и изменен процесс создания и добавления блоков на новый, как у The Beacon Chain.

Его важность и сложность не следует недооценивать, ведь такое слияние не должно никоим образом повлиять на действующих владельцев монет Ether и других пользователей сети.

Разработчики даже приводят такое сравнение, что переход от PoW к PoS и все сопутствующие обновления — это как замена двигателей авиалайнера, пока он находится в полете.

Интересно, что на первом этапе сеть The Beacon Сhain не поддерживала выполнение смарт-контрактов. Такая функциональность появится только после слияния.

Обновление The Merge запланировано на вторую часть третьего квартала текущего года (2022), которая уже состоится в ближайшее время.

Следить за этим процессом можно на ресурсе Alchemy, а за другими обновлениями — на Ethmerge. На нем собраны ответы на большинство волнующих вопросов.

The Shard Chains

Для блокчейн-систем существует такая широко известная трилемма, как треугольник DCS (Decentralized, Consistent, Scalable). Формулируется она следующим образом: невозможно достичь поддержки всех трех характеристик (децентрализации, согласованности и масштабируемости) одновременно — нужен только компромисс посредством сочетания только любых двух из них.

Команда разработчиков Ethereum предложила свое видение для решения этой проблемы путем реализации процесса шардинга (sharding) для блокчейна.

Понятие шардинга происходит от опыта работы с базами данных. Это стратегия горизонтального масштабирования для баз данных, когда все их содержимое разбивается на части и распределяется между разными физическими серверами (шардами).

Основная ее задача — повышение скорости и эффективности системы при нагрузках. На первый взгляд, это выглядит как довольно тривиальная задача, но, как часто бывает, первое впечатление ошибочно.

Особенно когда шардинг касается не обычных баз данных, а децентрализованных сетей блокчейна. В таком случае нужно создать определенный децентрализованный механизм управления этим процессом и для установления доверия между узлами с целью поддержки обмена данными.

В случае с новой версией блокчейна Ethereum такую обязанность возьмет на себя сеть The Beacon Chain, о чем уже частично говорилось выше.

Что касается непосредственно идеи шардов в проекте, то она состоит в том, что один общий блокчейн разобьется на несколько меньших взаимонезависимых цепей. Таким образом вся информация о состояниях и истории сети, хранящихся в одной цепи Ethereum 1.0, будет разбита между некоторыми частями (шардами).

Благодаря этому узлам (валидаторам), не нужно будет сохранять абсолютно всю последовательность блоков, что приведет к снижению требований по использованию постоянной памяти на вычислительных устройствах.

Они будут оперировать только теми данными шарда, к которому они принадлежат. В результате этого нововведения ожидается, что увеличится доступность самого блокчейна для новых валидаторов и, как следствие, возрастет размер и масштаб самой сети. А это уже, в свою очередь, напрямую приведет к повышению ее безопасности.

В результате выполнения шардинга вместо одного блокчейна будет несколько (The Shard Chains). В настоящее время есть информация, что количество таких мини-цепей будет составлять 64 единицы и плюс еще одна для The Beacon Chain. Такое новшество также окажет положительное влияние на скорость работы системы и стоимость комиссии «газа» (gas fee). Согласно заявлению Виталия Бутерина, пропускная способность для обновленной сети Ethereum должна достигнуть около 100 тыс. TPS (transactions per second). К примеру, скорость работы платежной системы VISA составляет около 24 тыс. TPS.

Добавление шардингов станет последним шагом в переходе к Ethereum 2.0 и предварительно оно запланировано на следующий год (2023).

Вывод

У Ethereum 2.0 есть большое количество преимуществ по сравнению с Ethereum 1.0:

• увеличение надежности системы благодаря валидаторам;
• снижение затрат на специальные вычислительные пулы и более эффективное использование электроэнергии;
• все валидаторы будут в равных условиях друг перед другом;
• увеличение эффекта децентрализации;
• увеличение пропускной способности для блокчейна;
• снижение комиссии по транзакции.

Но нет ничего идеального и везде можно найти свои недостатки:

• высокая стоимость первоначальных инвестиций, чтобы иметь возможность стать валидатором;
• низкая доходность стейкинга;
Онлайн-курс "Data Science with Python" від robot_dreams.
Навчіться користуватися бібліотеками Python для розв’язання задач дата-саєнтистики, обробки масивів даних та побудови ML-моделей.
Програма курсу і реєстрація
• невозможность быстро вывести вложенные активы до полного перехода блокчейна к Ethereum 2.0, который может занять около года.

На мой взгляд, Ethereum 2.0 и переход к Proof-Of-Stake — это правильное и своевременное решение, которое несет много новых возможностей для самого блокчейна и построенных на его основе проектов.