MITÄ SKAALAUS TARKOITTAA LOHKOKETJUSSA JA MIKSI SE ON HAASTAVAA?

Mitä on lohkoketjun skaalaus?

Skaalaus lohkoketjun yhteydessä viittaa lohkoketjuverkon kykyyn käsitellä kasvavaa määrää tapahtumia tai kasvavaa käyttäjäkuntaa vaarantamatta suorituskykyään, turvallisuuttaan tai hajauttamistaan. Skaalauksen perimmäisenä tavoitteena on lisätä läpimenoaikaa (tapahtumia sekunnissa), vähentää viivettä ja hallita verkon käyttöön liittyviä kustannuksia, erityisesti käyttöönoton kasvaessa.

Esimerkiksi alkuperäinen lohkoketjuverkko Bitcoin pystyy käsittelemään noin 7 tapahtumaa sekunnissa (TPS), kun taas johtava älysopimusalusta Ethereum käsittelee noin 15–30 TPS. Sitä vastoin perinteiset maksujärjestelmät, kuten Visa, pystyvät käsittelemään yli 24 000 TPS. Tämä valtava ero osoittaa lohkoketjuteknologian skaalautuvuushaasteen.

Skaalauslähestymistapoja on kaksi pääluokkaa:

• Ketjun skaalaus: Muutosten tekeminen päälohkoketjuprotokollaan, jotta voidaan sallia enemmän tapahtumia sekunnissa. Tämä voi tarkoittaa lohkon koon kasvattamista, lohkon käsittelyajan lyhentämistä tai konsensusalgoritmien muuttamista.
• Ketjun ulkopuolinen skaalaus: Transaktioiden käsittelyn siirtäminen apujärjestelmille tai toissijaisille kerroksille, jotka ovat vuorovaikutuksessa päälohkoketjun kanssa, mutta toimivat itsenäisesti kokonaisläpivirtauksen lisäämiseksi.

Tehokkaan skaalauksen tulisi ylläpitää lohkoketjun turvallisuutta ja hajautusta. Tämä on kuitenkin merkittävä tekninen haaste, sillä yhden ominaisuuden muutokset voivat vaarantaa muita, mikä johtaa niin sanottuun "skaalautuvuustrilemmaan".

Skaalautuvuustrilemma

Ethereumin perustajajäsen Vitalik Buterinin kehittämä skaalautuvuustrilemma olettaa, että lohkoketjujärjestelmät voivat saavuttaa korkeintaan kaksi seuraavista kolmesta ominaisuudesta samanaikaisesti:

• Hajauttaminen: Itsenäisten solmujen tasavertainen osallistuminen ilman keskusviranomaisiin turvautumista.
• Turvallisuus: Suojaus hyökkäyksiltä tai manipuloinnilta.
• Skaalautuvuus: Kyky käsitellä suurempia tapahtumamääriä tehokkaasti.

Vaikeus piilee kaikkien kolmen optimoinnissa. Läpäisykyvyn lisääminen saattaa edellyttää suurempia lohkoja, mikä hyödyttää skaalautuvuutta, mutta tämä vaatii usein enemmän laskentatehoa, solmujen osallistumisen keskittämistä ja hajauttamisen heikentämistä. Samoin lisäkonsensusvaiheiden lisääminen voi parantaa turvallisuutta, mutta mahdollisesti heikentää skaalautuvuutta.

Lohkoketjun käyttöönoton lisääntyessä eri toimialoilla – rahoituksesta toimitusketjuihin – skaalautuvuusongelman ratkaiseminen on ensiarvoisen tärkeää. Kehittäjät ja tutkijat tutkivat aktiivisesti innovatiivisia menetelmiä lohkoketjuverkkojen skaalaamiseksi säilyttäen samalla niiden ydinarvot.

Miksi lohkoketjun skaalaus on niin vaikeaa?

Lohkoketjuverkon skaalaus on luonnostaan ​​vaikeaa hajauttamista ja turvallisuutta painottavien perussuunnitteluvalintojen vuoksi. Nämä suunnitteluperiaatteet, jotka tarjoavat joitakin lohkoketjun suurimmista eduista – kuten muuttumattomuuden ja luotettavuuden – luovat myös rajoituksia prosessointinopeudelle ja tiedon tallennukselle.

1. Konsensusmekanismit

Minkä tahansa lohkoketjuverkon ytimessä on konsensusmekanismi eli menetelmä, jolla osallistujat sopivat kirjanpidon tilasta. Suositut mekanismit, kuten Proof of Work (PoW) ja Proof of Stake (PoS), vaativat joko intensiivistä laskentaa tai hajautettuja validointitoimia sen varmistamiseksi, että kaikki tapahtumat ovat laillisia.

Vaikka nämä mekanismit suojaavat petoksilta ja manipuloinnilta, ne aiheuttavat myös viivettä. Bitcoinin tapauksessa keskimääräinen lohkoaika on 10 minuuttia, mikä rajoittaa sitä, kuinka nopeasti tapahtumat voidaan viimeistellä. Lohkokoon kasvattaminen useampien tapahtumien pakkaamiseksi voi auttaa, mutta se myös kuormittaa solmuja suuremmilla tietomäärillä, mikä lannistaa osallistumista ja mahdollisesti keskittää hallintaa.

2. Verkon leviäminen

Toinen este on uusien lohkojen levittämiseen koko verkossa kuluva aika. Hajautetuissa järjestelmissä solmujen on kommunikoitava hajautettujen alueiden välillä. Suurempien lohkojen levittäminen kestää kauemmin, mikä lisää orpojen lohkojen ja konsensusongelmien riskiä, ​​jotka heikentävät luotettavuutta ja tehokkuutta.

3. Tiedon tallennus- ja solmuvaatimukset

Lohkoketjun tiedot tallennetaan redundanttisesti jokaiselle täydelle solmulle. Lohkoketjun kasvaessa myös solmun ylläpitämiseen tarvittavat tallennus- ja kaistanleveysvaatimukset kasvavat. Ilman huolellista tasapainottamista tämä johtaa siihen, että solmuja voi käyttää vähemmän yksilöitä, mikä jälleen vaarantaa hajauttamisen. Esimerkiksi Ethereum on ottanut käyttöön "osavaltion vuokraa" koskevia ehdotuksia ratkaistakseen skaalautumista haittaavat liialliset tiedontallennusongelmat.

4. Taaksepäin yhteensopivuus ja haarautuminen

Skaalautuvuuden parannusten toteuttaminen edellyttää yleensä lohkoketjun ydinprotokollan muuttamista. Nämä muutokset johtavat usein "koviin haarautumiin", jotka jakavat olemassa olevan ketjun ja ekosysteemin. Tämä voi aiheuttaa hämmennystä, pirstaloitumista ja yhteisön yksimielisyyden menetystä. Taaksepäin yhteensopivuuden ylläpitäminen skaalautuvia päivityksiä toteutettaessa on edelleen merkittävä haaste.

5. Tietoturvahaavoittuvuudet

Skaalausyritykset voivat tahattomasti tuoda mukanaan uusia hyökkäysvektoreita. Esimerkiksi toisen tason ratkaisut, kuten sivuketjut ja rollupit, toimivat osittain ketjun ulkopuolella ja saattavat periä heikompia tietoturvaoletuksia kuin pääketju. Laajemman skaalautuvuuden varmistaminen tekemättä järjestelmästä haavoittuvampaa on kehittäjien jatkuva huolenaihe.

Yhteenvetona voidaan todeta, että jokaisen lohkoketjuratkaisun skaalausyrityksen on navigoitava kompromissien verkossa. Olipa kyse sitten protokollan optimoinnista tai ketjun ulkopuolisista ratkaisuista, kehittäjien on säilytettävä lohkoketjun pilarit – turvallisuus ja hajauttaminen – samalla kun parannetaan suorituskykyä globaalisti hajautetussa ympäristössä. Mikään yksittäinen ratkaisu ei sovi kaikkiin verkkoihin, minkä vuoksi strategiat vaihtelevat eri alustoilla.

Ratkaisuja lohkoketjun skaalautuvuuteen

Esiteltyjen haasteiden vuoksi kehittäjät ovat ottaneet käyttöön monitahoisia lähestymistapoja lohkoketjuverkkojen skaalaamiseen. Nämä ratkaisut kohdistuvat kipupisteisiin, kuten transaktiovolyymiin, konsensustehokkuuteen ja datan tallennukseen. Ne luokitellaan laajasti ketjun sisäisiin ja ulkopuolisiin skaalausmenetelmiin sekä hybridimalleihin.

1. Kerroksen 2 ratkaisut

• Tilakanavat: Nämä mahdollistavat kahden osapuolen transaktioiden tekemisen ketjun ulkopuolella ja vain lopputuloksen tallentamisen pääketjuun, mikä vähentää merkittävästi ruuhkaa. Esimerkkejä ovat Bitcoinin Lightning Network ja Ethereumin Raiden Network.
• Plasma ja rollupit: Plasmaketjut toimivat puoliautomaattisina lapsiketjuina, jotka niputtavat transaktiot ennen niiden selvittämistä pääketjussa. Rollupit (optimistiset tai nollatietoiset) pakkaavat transaktiotiedot ja käsittelevät ne ketjun ulkopuolella samalla kun todisteet tallennetaan ketjuun. Tämä ylläpitää turvallisuutta ja parantaa läpimenoaikaa.

Kerros 2 -vaihtoehtoja suositaan yhä enemmän, koska ne mahdollistavat merkittävän tapahtumakapasiteetin kasvun muuttamatta perusprotokollaa.

2. Sharding

Shardingissa lohkoketju jaetaan pienempiin osiin eli "sirpaleisiin", joista kukin pystyy käsittelemään omat tapahtumansa ja älysopimuksensa. Pääketjun koordinoimina sirpaleet voivat skaalautua lineaarisesti verkon koon mukaan. Ethereum 2.0:ssa sharding on keskeinen skaalautuvuusominaisuus, mutta sen toteutus on monimutkaista ja jatkuvaa.

3. Vaihtoehtoiset konsensusmekanismit

Jotkut uudemmat lohkoketjut käyttävät konsensusmalleja, jotka tarjoavat luonnostaan ​​paremman skaalautuvuuden:

• Delegoitu panostustodistus (DPoS): EOS:n ja Tronin käyttämä DPoS perustuu rajoitettuun määrään validoijia, mikä lisää tapahtumien nopeutta, vaikkakin hajauttaminen vähenee.
• Historiatodistus (PoH): Solanan käyttämä PoH mahdollistaa tapahtumien nopean sekvensoinnin ja parantaa läpimenoaikaa.

Nämä mekanismit pyrkivät tasapainottamaan turvallisuutta ja skaalautuvuutta, vaikka kummallakin on omat rajoituksensa ja keskittämisriskinsä.

4. Lohkoketjun karsinta ja tallennuksen tehokkuus

Täydelliset lohkoketjuarkistot ovat huomattavia ja vaativat paljon tallennuskapasiteettia. Karsintatekniikat – tarpeettomien tai historiallisten tietojen poistaminen – pyrkivät helpottamaan solmujen osallistumista. Jotkut lohkoketjut tutkivat myös tilattomia asiakasmalleja, joissa validointiin tarvitaan vain nykyinen tilatieto, mikä vähentää kokonaiskuormitusta.

5. Yhteentoimivuus ja sivuketjut

Hyödyntämällä sivuketjuja – rinnakkaisia ​​lohkoketjuja, jotka on linkitetty pääketjuun – tapahtumakuormia voidaan jakaa. Esimerkiksi Polygon tarjoaa Ethereumin kanssa yhteensopivia sivuketjuja, jotka keventävät laskentaa ja tallennusta. Yhteentoimivuusprotokollat, kuten Polkadot ja Cosmos, helpottavat ketjujen välisiä tapahtumia, luoden skaalautuvan moniketjuisen ekosysteemin.

6. Johtopäätökset ja tulevaisuus

Mikään yksittäinen ratkaisu ei ratkaise lohkoketjun skaalautuvuutta. Edistyminen on iteratiivista ja vaatii usein kompromisseja. Johtavat alustat, kuten Ethereum, ottavat vähitellen käyttöön shardingia ja rolluppeja, kun taas vaihtoehtoiset lohkoketjut tutkivat uusia arkkitehtuureja. Samaan aikaan tutkijat jatkavat innovaatioiden tutkimista DAG-pohjaisista tilikirjoista tekoälyavusteiseen tapahtumien validointiin.

Lopulta lohkoketjujen kyky skaalautua tehokkaasti määrää, kuinka laajasti ne otetaan käyttöön globaalissa kaupankäynnissä, rahoituksessa ja muualla. Skaalautuvuus on edelleen sekä tekninen este että mahdollisuus muokata digitaalista infrastruktuuria hajautettujen järjestelmien avulla.