Чому сучасні блокчейни стали значно швидшими і як це все влаштовано

Ще кілька років тому блокчейн майже автоматично сприймався як щось повільне й незручне. І це було справедливо: транзакції оброблялися довго, комісії різко зростали в періоди навантаження, а сама ідея глобальної розподіленої мережі здавалася несумісною з високою швидкістю без втрати безпеки. Такий стан речей ставав одним із ключових бар’єрів на шляху до масового прийняття.

Але ситуація змінилася. Сьогодні мережі обробляють тисячі транзакцій за хвилини, підтверджують операції за секунди – без помітної втрати на рівні безпеки.

І справа не в прискоренні у звичному розумінні. Сучасні блокчейни змінилися на рівні архітектури. Замість одного лінійного ланцюжка з послідовною обробкою вони використовують паралелізацію, розподіл ролей і конвеєрні механізми для обробки даних. Навантаження виноситься за межі самої мережі – у L2-рішення, а в деяких випадках і в сервіси з більш гнучкою, частково централізованою моделлю.

Щоб зрозуміти, звідки взялася ця швидкість, важливо спочатку розібратися у зворотному – чому блокчейни спочатку були повільними і чому це не було недоліком.

Чому Bitcoin такий повільний

У ранніх блокчейнах – у мережі Bitcoin та її перших послідовниках – низька швидкість є не технічним обмеженням, а прямим наслідком базової моделі безпеки.

Блокчейн – це система, в якій безліч незалежних учасників мають дійти згоди щодо стану однієї бази даних, з чого випливає кілька обмежень:

1. По-перше, глобальний консенсус. Кожна транзакція має бути прийнята не одним сервером, а розподіленою мережею вузлів. Це означає, що швидкість обмежується не обчисленнями, а тим, як швидко учасники досягають згоди.
2. По-друге, послідовна модель обробки. Транзакції упаковуються в блоки, а блоки вибудовуються в ланцюжок. Поки один блок не додано і не підтверджено, наступний не може стати частиною канонічного стану.
3. По-третє, обмеження на розмір блоку та частоту створення. Якщо збільшувати блоки або робити їх занадто частими, зростають вимоги до вузлів, що веде до централізації, тому що не кожен учасник зможе витримувати навантаження.
4. По-четверте, пріоритет безпеки над швидкістю. У ранніх системах важливіше було гарантувати, що історію не можна переписати, ніж забезпечити миттєве підтвердження транзакцій. Звідси – затримки та очікування.

У результаті класичний блокчейн працює як надзвичайно надійна, але повільна система: кожна операція проходить через єдиний процес, у якому бере участь уся мережа. А тому, щоб пришвидшити його, недостатньо просто «бути швидшим». Потрібно змінити модель роботи, що й стало відправною точкою для сучасних рішень.

Як блокчейни стали швидшими: три рівні прискорення

Зростання швидкості блокчейн-систем – сукупність змін на різних рівнях: від базового механізму консенсусу до архітектури виконання та винесення навантаження за межі мережі. І важливо, що ці рівні не конкурують, а можуть доповнювати одне одного.

Рівень консенсусу

У системах з алгоритмом консенсусу Proof-of-Work (до яких належить і Bitcoin) створення блоку за своєю природою вимагає багато часу: учасники змагаються у обчисленнях, і блок підтверджується та створюється лише після знаходження рішення.

Поява мереж, що базуються на радикально інших методах досягнення консенсусу, змінила сам принцип створення блоків. Найпопулярнішим з них є Proof-of-Stake, де замість обчислювальної гонки мережа заздалегідь обирає одного валідатора, який запропонує блок у конкретний момент. Це робить процес швидким і керованим.

Наступним рівнем стало додавання BFT-подібних механізмів поверх PoS.

Це властивість системи досягати згоди щодо єдиного стану навіть в умовах, коли частина учасників може працювати некоректно або діяти зловмисно. У мережі це реалізується через механізм голосування валідаторів, за якого рішення вважається остаточним, якщо його підтримує кваліфікована більшість.

З переходом до PoS + BFT змінюються відразу дві речі:

1. Скорочується час до появи наступного блоку. Вони створюються за розкладом, без очікування обчислювальної гонки між вузлами мережі.
2. Різко скорочується час до остаточного підтвердження. Завдяки BFT не потрібно чекати ланцюжка підтверджень – блок стає остаточним за лічені секунди.

Приклади мереж із таким підходом:

• Ethereum перейшов з Proof-of-Work на Proof-of-Stake, підвищивши ефективність.
• Avalanche використовує власний BFT із швидким ймовірнісним консенсусом.
• Існує гібридний алгоритм – Tendermint, що лежить в основі блокчейну Cosmos, де одночасно застосовуються Delegated Proof-of-Stake (DPoS) і BFT.
• Verifiable Byzantine Fault Tolerance – алгоритм, що поєднує PoS, перевіряну випадкову функцію (VRF) та візантійську відмовостійкість (BFT).

Рівень виконання

Ранні блокчейни працювали як однопотокова система: одна транзакція за іншою, єдиний глобальний порядок виконання. Сучасні мережі намагаються відійти від цього обмеження, для чого використовують безліч рішень. Серед них варто виділити:

• Паралелізація дозволяє запускати кілька транзакцій одночасно, якщо вони не конфліктують за станом. Наприклад, транзакції на різні гаманці обробляються паралельно, що збільшує пропускну здатність.
• Пайплайнінг розділяє обробку блоків на етапи – створення, перевірку, поширення – і виконує їх одночасно для різних блоків. Це зменшує простої та дозволяє мережі обробляти більше блоків за той самий час.
• Оптимістичне виконання застосовує паралельне виконання з припущенням відсутності конфліктів – «optimistic» означає, що всі операції за замовчуванням є валідними. У разі їх виявлення операції скасовуються.

Приклади:

• У Solana, Aptos та Sui перекази між різними гаманцями не заважають один одному й обробляються паралельно, що значно підвищує швидкість мережі.
• Також у Solana мережа розбиває обробку на етапи і виконує їх одночасно. Поки блок перевіряється, наступний створюється, а попередній записується.
• Sui та Aptos виконують транзакції, припускаючи, що конфліктів немає. Якщо дві транзакції зачіпають одні й ті ж дані, одна з них перераховується.

Рівень архітектури

Однак навіть за умови швидкого консенсусу та паралельного виконання існує межа масштабування. Наступний крок – винести роботу за межі базового шару.

Рішення другого рівня (L2) дозволяють обробляти транзакції поза основною мережею з подальшою фіксацією результату в ній. Замість того, щоб кожна операція проходила через весь L1, транзакції виконуються і записуються у стислому вигляді.

Ключові підходи всередині L2:

• Rollups – виконання поза основною мережею, публікація стислих даних у L1.
• ZK-rollups – підтип rollups, де правильність транзакцій підтверджується криптографічним доказом (без необхідності довіри).
• Сайдчейни – окремі блокчейни зі своїм консенсусом, пов’язані з основною мережею мостами. Незалежні, але не успадковують безпеку L1.
• Канали станів – сторони відкривають канал між собою і здійснюють безліч операцій. У блокчейн потрапляє тільки відкриття та закриття каналу.

Найпопулярнішим прикладом застосування рішень другого рівня є мережа Ethereum – у її екосистемі сьогодні працює понад 70 L2-мереж. Провідними серед них є Polygon, Arbitrum, Optimism. Також такі рішення застосовуються для «прискорення» Bitcoin – найпопулярніший протокол Lightning Network використовує канали станів.

Напівцентралізовані та сервісні рішення йдуть далі і виносять виконання повністю за межі блокчейну – обробка відбувається «під капотом» додатків.

Це, наприклад, багато торгових платформ, що обробляють ордери оффчейн, і криптовалютні сервіси, як Trustee Plus, що завдяки своїй структурі дозволяють здійснювати перекази з 0% комісією, беруть на себе складнощі роботи з мережею і виключають поширені помилки новачків, не жертвуючи при цьому безпекою.

Чому блокчейни стали значно швидшими

Сьогодні блокчейн перестає бути системою, в якій кожна операція проходить через єдиний і повільний глобальний процес. Натомість він стає частиною ширшої інфраструктури, де різні компоненти виконують різні завдання.

• На рівні консенсусу мережа навчилася швидше досягати згоди.
• На рівні виконання вони відмовилися від суворої послідовності.
• На рівні архітектури навантаження виноситься за межі основної мережі.

Завдяки цим та іншим рішенням блокчейн більше не зобов’язаний бути швидким сам по собі. Але свою головну функцію він зберігає – бути шаром довіри та фіналізації.

У результаті технологія позбавляється «вузького горлечка». Те, що раніше сприймалося як повільний і складний інструмент, стає зручною і практично непомітною частиною інфраструктури. Блокчейн стає нормою – як базовий шар, на якому будуються швидкі, зрозумілі та зручні для людини фінанси, доступні кожному.