Це як заміна двигунів у літаку, який летить: чого чекати від оновлень Ethereum 2.0

Як часто за день ви чуєте такі слова, як: блокчейн, криптовалюта, NFT, майнинг? Погодьтесь: складається таке враження, ніби вони лунають звідусіль. 

Думаю, багато хто погодиться з тим, що блокчейн Ethereum зайняв панівне місце у криптосвіті та став опорою для розвитку ІТ-проєктів.

Для розробників цьогорічній рубіж стане важливим, адже у третьому кварталі заплановано запуск оновлення The Merge, яке знаменуватиме перехід до так званого Ethereum 2.0.

Якщо для вас це поняття є новим та нерозкритим або вам просто цікаво, що ж такого важливого з’явиться у новій версії легендарного блокчейну — пропоную поринути разом у світ дивовижних нововведень Віталія Бутеріна та його команди.

У рамках цієї статті я розповім про те, що з себе представляє Ethereum 2.0, чим ця ітерація відрізняється від попередньої, причини переходу до цих змін, коли врешті-решт очікувати на оновлення та чи дійсно це буде проривом для блокчейну, чи тут також не обійшлось без підводних каменів.

Що таке Ethereum 2.0

Ethereum 2.0 (або Serenity) — це чергове оновлення для головної мережі блокчейну Ethereum, яке націлена на покращення його швидкості, ефективності та масштабованості.

Насправді, ця назва вже є застарілою та не правильною, адже на початку цього року (2022) зазнала ребрендингу. Раніше команда розробників використовувала терміни Ethereum 1.0 (Eth1) для поточної ітерації блокчейну, яка працює за принципом доказу роботи (Proof-Of-Work), та Ethereum 2.0 (Eth2) для майбутнього оновлення, яке повинно було б стати на заміну.

Проте при роботі над інтеграцією Eth1 та Eth2 виникли деякі складності, які призвели до концепції «Раннього злиття» (Early Merge), де запропоновано використовувати Eth1 як частину майбутнього Eth2.

Тому з метою затвердження ідеї, що це дві частини одного цілого, та уникнення непорозумінь у користувачів, було ухвалене рішення про виведення ціх термінів з ужитку та подальшою їх заміною на:

• «рівень виконання» (execution layer) для Ethereum 1.0, де виконуватимуться транзакції;
• «рівень консенсусу» (consensus layer) для Ethereum 2.0, де вирішуватиметься консенсус шляхом доказу володіння.

Незважаючи на усі ці зміни, назву Ethereum 2.0 все одно можна зустріти у багатьох інших місцях поза межами ресурсу Ethereum.org (як, наприклад, у цій статті), адже вона все ще залишається більш відомою для публіки.

Новий механізм консенсусу

Головною ідеєю, яку покладено в основу цього оновлення для блокчейну Ethereum, є перехід до використання доказу володіння (Proof-Of-Stake) як механізму консенсусу в мережі.

Це кардинальна зміна у головну частину проєкту, адже наразі для додавання нового блоку до ланцюга використовується алгоритм Ethash, що базується на механізмі доказу роботи (Proof-Of-Work).

Саме він і став найбільшим недоліком блокчейну. Усвідомлюючи це, команда розробників ще від моменту створення проєкту розглядала способи використання PoS, але на той момент дана технологія була мало досліджена. Саме через це його імплементацію відклали на «кращі часи».

Доказ роботи (Proof-Of-Work) — це такий алгоритм консенсусу, при якому створення та перевірка нових блоків відбувається шляхом виконання математичних задач, які є далеко не тривіальними та вимагають значної кількості обчислювальних потужностей.

Після того, як вони вирішені, новий блок додається до блокчейну, а той, кому вдалось зробити це першим, отримує винагороду. Такий процес, як багатьом уже відомо, має назву майнінг (mining). 

Зі зростанням популярності блокчейну Ethereum збільшується й складність видобутку його криптовалюти.

Це є причиною постійного збільшення витрат на спожиту електроенергію та на спеціальне обчислювальне обладнання (частіше за все його роль виконують графічні та ASIC процесори). За оцінками Digіconomist, мережа Ethereum споживає за один рік 87,44 ТВт, що можна порівняти із потребами у електроенергії для усієї Фінляндії.

Проте, окрім фінансових витрат, ця цифра є неприємною, адже створює дуже великий вуглецевий слід — 48,77 Мегатон.

Для порівняння, кількість викидів вуглецю у повітря від однієї транзакції у Ethereum еквівалентна приблизно 240 тисячам транзакцій платіжної системи VISA.

Ця проблема з величезними витратами електроенергії та, як результат, жахливими наслідками для навколишнього середовища буде вирішена саме завдяки згаданому вище переходу до алгоритму досягнення консенсусу шляхом доказу володіння.

При такому підході не потрібно мати жодних надпотужних обчислювальних систем. За генерацію та додавання нового блоку відповідають валідатори. Для того, аби вузол мережі міг отримати такий статус, необхідно проінвестувати значну суму, а саме 32 монети Ether (надалі сума може й змінитись), які будуть заморожені та, у випадку недоброчесності учасника, або за недотримання ним правил, згоратимуть частково або повністю.

Після початку роботи тестової гілки блокчейну Ethereum, яка повністю працює з використанням підходу Proof-Of-Stake, розробники провели дослідження її енергоефективності. Згідно з ним, завдяки переходу до нового механізму консенсусу вдалось досягнути зниження затрат електроенергії на 99,95%. Відповідно до оцінок у дослідженні, стверджується, що на момент його проведення у мережі працювало близько 88 тисяч валідаторів, які досягли витрат електроенергії у 2,62 Мега Вати, що приблизно відповідає споживанню 2100 приватних житлових будинків.

Курс

Python

Вивчіть програмування за допомогою Python, та приборкайте цю змію.

Вивчити курс

Також цікаво, що при використанні доказу володінням процес додавання нового блоку вже називається не майнінгом, а стейкінгом (staking).

The Beacon Chain — Ethereum з Proof-Of-Stake

Оскільки зміни до вже працюючого проєкту є дуже значущими та протилежно спорідненими (в порівнянні з Eth1), перехід до Ethereum 2.0 виконується у декілька етапів з кропітким тестування на кожному з них.

Першим стало запровадження нового блокчейну The Beacon Chain, який використовує PoS замість PoW та тимчасово працює паралельно з головною мережею Ethereum.

Він, здебільшого, виконує роль менеджера:

• керування валідаторами та їх депозитними правами;
• контроль за винагородами та штрафами для генераторів та атестаторів;
• вибір генератора для блоку;
• створення комітету валідаторів для атестації;
• взаємообмін між ланцюгами-шардами (ще одне нововведення, про яке йтиметься нижче).

Для того, аби виконались транзакції та створився новий блок, рандомним чином серед усіх валідаторів обирається один — генератор.

Що відбувається далі:

1. в його обов’язки входить виконання незначних обчислень для створення цього нового блоку;
2. далі йому необхідно пройти атестацію — так звану перевірку коректності нової ланки ланцюга;
3. з метою задоволення цієї вимоги та подальшого додавання блоку в мережу необхідно, аби комітет, що складається мінімум зі 128 валідаторів, підтвердив його коректність протягом періоду в 12 секунд — слоту (slot);
4. по досягненню епохи, яка відповідає 32 слотам (6,4 хвилини) комітет валідаторів «розпускається» та на його заміну створюється новий шляхом випадкового вибору (зі списку валідаторів).

Після отримання достатньої кількості атестацій, для створеного блоку робиться перехресне посилання (cross-link), яке додається у мережу The Beacon Chain, а вузол-генератор отримує винагороду.

Окрім цього, у розподілених мережах існує поняття «фінальності», яке вказує, що транзакція, як частина блоку, не може більше змінюватись.

Для досягнення цього використовується протокол фінальності Casper FFG, який слідкує за цим завдяки підходу з використанням контрольних точок. Перший блок кожної епохи отримує таку відмітку автоматично.

Надалі в процесі роботи валідатори «голосують» за пару контрольних точок, які, на їх думку, є дійcними та коректними. У тому випадку, коли якась пара точок отримує кількість голосів більшу за 2/3 від кількості усіх валідаторів, то найбільш рання точка позначається як «виправдана» (justified), а інша, що є старшою, — «завершена» (finalized). В результаті чого у мережі завжди буде продовжуватись використання тільки ланцюга правильних блоків (за винятком ситуації з атакою 51%).

На цьому першому етапі у Ethereum 2.0 є також мінімальне обмеження кількості активних валідаторів у мережі для того, щоб вона вважалась достатньо децентралізованою та, як наслідок, безпечною. Це число складає 16384 одиниці.

Оновлення із запровадженням The Beacon Chain було запущене 1 грудня 2020 року та доcі залишається на стадії тестування.

The Merge

Важливо розуміти те, що на даному етапі переходу до Ethereum 2.0 існує дві паралельні мережі — Ethereum 1.0 та The Beacon Chain. Перша досі працює за принципом доказу роботи, а друга — доказу володіння.

На другому етапі переходу до Ethereum 2.0 планується оновлення The Merge, яке покликано виконати об’єднання цих двох мереж в одну, де буде збережено всю історію Ethereum 1.0 та змінено процес створення й додавання блоків на новий, як у The Beacon Chain.

Його важливість та складність не варто недооцінювати, адже таке злиття не повинно жодним чином вплинути на діючих власників монети Ether та інших користувачів мережі.

Розробники навіть наводять таке порівняння, що перехід від PoW до PoS та всі супутні оновлення — це ніби заміна двигунів авіалайнера, поки він знаходиться у польоті.

Цікаво також відмітити, що на першому етапі мережа The Beacon Сhain не підтримувала виконання смарт-контрактів. Така функціональність з’явиться лише після злиття.

Оновлення The Merge заплановане на другу частину третього кварталу поточного року (2022), що вже має відбутись найближчим часом.

Слідкувати за цим процесом можна на ресурсі Alchemy, а за іншими оновленнями — на Ethmerge. На ньому також зібрані відповіді на більшість хвилюючих питань.

The Shard Chains

Для блокчейн-систем існує така широковідома трилема, як трикутник DCS (Decentralized, Consistent, Scalable). Формулюється вона наступним чином: неможливо досягнути підтримки всіх трьох характеристик (децентралізації, узгодженості та масштабованості) одночасно — потрібен лише компроміс у вигляді поєднання тільки будь-яких двох із них.

Команда розробників Ethereum запропонувала своє бачення для вирішення цієї проблеми шляхом реалізації процесу шардингу (sharding) для блокчейну.

Поняття шардингу походить від досвіду роботи з базами даних. Це стратегія горизонтального масштабування для баз даних, коли увесь їх вміст розбивається на частини та розподіляється між різними фізичними серверами (шардами).

Основною її задачею є збільшення швидкості та ефективності системи при навантаженнях. На перший погляд, це виглядає як досить тривіальна задача, але, як то часто буває, перше враження є хибним.

Особливо, коли шардинг стосується не звичайних баз даних, а децентралізованих мереж блокчейну. В такому випадку необхідно створити певний децентралізований механізм для керування цим процесом, та для встановлення довіри між вузлами з метою підтримки обміну даними.

У випадку з новою версією блокчейну Ethereum такий обов’язок візьме на себе мережа The Beacon Chain, про що уже частково йшлося вище.

Що стосується безпосередньо ідеї шардів у проєкті, то вона полягає у тому, що один загальний блокчейн розіб’ється на декілька менших взаємонезалежних ланцюгів. Таким чином вся інформація про стани та історію мережі, яка наразі зберігаються у одному ланцюгу Ethereum 1.0, буде розбита між деякими частинами (шардами).

Завдяки цьому, вузлам, які є валідаторами, буде не потрібно зберігати абсолютно всю послідовність блоків, що призведе до зниження вимог з використання постійної пам’яті на обчислювальних пристроях.

Натомість вони будуть оперувати лише тими даними шарду, до якого вони належать. В результаті цього нововведення очікується, що збільшиться доступність самого блокчейну для нових валідаторів, та, як наслідок, зросте розмір й масштаб самої мережі. А це вже, в свою чергу, напряму призведе до підвищення її безпеки.

В результаті виконання шардингу замість одного блокчейну буде декілька (The Shard Chains). Наразі існує інформація, що кількість таких міні-ланцюгів складатиме 64 одиниці та, безпосередньо, плюс ще один для The Beacon Chain. Таке нововведення матиме також позитивний вплив на швидкість роботи системи й вартість комісії «газу» (gas fee). Відповідно до заяви Віталія Бутеріна, пропускна здатність для оновленої мережі Ethereum повинна досягнути близько 100 тис. TPS (transactions per second). Для прикладу, швидкість роботи платіжної системи VISA складає близько 24 тис. TPS.

Додавання шардингів стане останнім кроком у переході до Ethereum 2.0 та попередньо воно заплановане на наступний рік (2023).

Висновок

Ethereum 2.0 має дуже велику кількість переваг в порівнянні з Ethereum 1.0:

• збільшення надійності системи завдяки валідаторам;
• зниження витрат на спеціальні обчислювальні пули та більш ефективне використання електроенергії;
• усі валідатори будуть в рівних умовах один перед одним;
• збільшення ефекту децентралізації;
• збільшення пропускної здатності для блокчейну;
• зниження комісії за транзакції.

Проте, немає нічого ідеального та всюди можна знайти свої недоліки:

• висока вартість початкових інвестицій, аби мати можливість стати валідатором;
• низька прибутковість стейкінгу;
• неможливість швидко вивести вкладені активи до повного переходу;
• блокчейну до Ethereum 2.0, що може тривати близько року.

На мою думку, Ethereum 2.0 та перехід до Proof-Of-Stake — це правильне та своєчасне рішення, яке несе багато нових можливостей для самого блокчейну та проєктів, які побудовані на його основі.