С момента появления биткоина в 2009 году вокруг децентрализованных сетей развилась целая индустрия. Сегодня, в августе 2023 года, сфера децентрализованных технологий значительно отличается от того, как она выглядела десять или даже несколько лет назад. Практически каждый месяц появляются новаторские проекты, которые расширяют горизонты применения технологии, порой даже в непредсказуемых направлениях. Например, блокчейн-решения для борьбы с преступностью в реальном времени.

Истоки

Как появился блокчейн?

Существует несколько точек зрения на то, когда именно появился прототип блокчейна. Стоит отметить, что блокчейн, по своей сути, является структурой данных, а то, что широкая общественность называет блокчейнами сегодня – это децентрализованные сети, в которых криптовалюты применяются для решения прикладных задач. 

По нашему мнению, с технической точки зрения, отсчет точнее всего начинать с регистрации Ральфом Мерклом патента хэш дерева в 1979 году. Квинтэссенция идеи Меркла заключалась в хранении данных в цепочке. Однако в 1991 году изначальная идея получила дальнейшее развитие. А именно, хэши были связаны в цепочку, где последняя ячейка хэша становится частью следующего блока. В наше время изобретение хорошо известно тем, кто занимается разработкой децентрализованных решений. Оно связано с именем своего создателя — деревом Меркла.

Как появился блокчейн Биткойна?

Биткойн — это блокчейн первого поколения, вайт пейпер которого был опубликован в 2008 году. Автор этого технического документа до сих пор неизвестен. Однако авторство чаще всего приписывается анонимной фигуре Сатоши Накамото. Биткойн стал настоящим прорывом, потому что именно там впервые была реализована концепция по-настоящему децентрализованной сети акторов, в рамках которой стал возможен перенос ценности без участия централизованных посредников, таких как банки. Кроме того, Биткойн предоставил целый ряд значимых преимуществ:

• Анонимность - под анонимностью мы подразумеваем факт того, что ваш адрес в сети Биткойн не привязан к вашей личности, как в случае с банковскими счетами (только если вы не проходили KYC идентификацию на централизованных биржах).

• Отсутствие возможности манипулировать данными - в блокчейне Биткойна все транзакции попадают под сквозное шифрование, а информация о них хранится на всех компьютерах сети, что делает потенциальный взлом практически невозможным. Хотя вычислительная мощность, требующаяся для проведения атаки 51% на сеть Биткойна давно преодолела разумные пределы, возможность ее проведения с целью взломать более мелкие форки биткойна все еще существует.

• Фиксированная эмиссии - в отличие от других блокчейнов у биткойна ограниченная эммисия, которая прописана на уровне кода. Согласно алгоритмам, последний биткойн (всего 21 миллион) будет добыт в 2140 году.

• Прозрачность информации - у всех транзакций в блокчейне есть отметка о времени исполнения, а также адреса отправителя и получателя (за исключением Монеро и нескольких других анонимных проектов - но они не являются блокчейнами первого поколения).

• Точность подтвержденная математическими расчетами

Следуя по пути, проложенному Биткоином, появились другие криптовалюты, пытающиеся развить успешную формулу BTC. Однако все проекты, которые возникли сразу же после него, по-прежнему были всего лишь криптовалютами. Практически у каждого проекта были свои собственные монеты, вследствие чего на биржах появились тысячи торгующихся токенов. И даже сегодня лишь малая часть проектов имеет реальную ценность.

Некоторые разработчики, которым понравилась идея Биткоина, но не понравилась техническая реализация блокчейна, отказались от нее и начали разрабатывать свои собственные решения. Например, Litecoin - это форк Биткоина, представленный как более продвинутая версия оригинальной блокчейн-сети.

Проблемы блокчейнов первого поколения

Возможность Атаки 51%. В случае, если какой либо майнер заполучит контроль над 51% хешрейта сети биткойна, это предоставит ему возможность манипулировать транзакциями вплоть до аннулирования любой из них.

Дорогие комиссии. По мере роста популярности блокчейн-сетей возрастала и цена за майнинг для обработки транзакций. В то время как размер комиссии оставался неизменным, фактическая стоимость при пересчете на фиатные деньги увеличивалась в геометрической прогрессии. 

Низкая скорость транзакций. Каждое последующее обновление (софт- и хард-форки) было направлено на увеличение пропускной способности сетей. Некоторым проектам это удалось, но повышенная масштабируемость привела к появлению уязвимостей, так как используемые решения были сырыми и требовали дополнительного тестирования для надлежащего внедрения.

Ограниченная функциональность. Большинство пользователей не могли себе представить, как использовать виртуальные валюты в своей повседневной жизни, и эти сети действительно могли использоваться только в качестве  средства перевода цифровых валют.

Высокая энергозатратность. Все сети первого поколения функционировали на базе алгоритма proof-of-work (доказательство работы). Для обеспечения его бесперебойной работы необходимо мощное и энергозатратное оборудование. Это загрязняет окружающую среду и чрезвычайно затратно.

Блокчейны второго поколения

Самым знаковым блокчейном второго поколения однозначно является Эфир. Он появился в 2014 году и положил начало поколению блокчейнов со смарт-контрактами. В то время это было новшество, которое радикально изменило взгляд на потенциал, который может предоставить технология блокчейн. Встроенные в протокол смарт-контракты значительно расширили функциональность децентрализованных сетей.

Нововведение, казавшееся довольно простым, предоставило широкий спектр нового функционала. Благодаря программируемым смарт-контрактам децентрализованные сети приобрели практически безграничные возможности, в том числе:

• Выпуск новых цифровых активов на основе родительской сети

• Создание сайдчейнов (по сути, это отдельный блокчейн с привязкой к родительской сети) 

• Появление множества новых приложений с разным прикладным применением как в децентрализованных экосистемах, так и в традиционной экономике

Блокчейны второго поколения, несмотря на все свои достижения, также имели недостатки. Эфир не смог решить три фундаментальные проблемы, характерные для блокчейнов первого поколения. Это высокое потребление электроэнергии, низкая пропускная способность и высокие комиссии за переводы. Однако в 2022 году разработчикам Эфира все-таки удалось отказаться от алгоритма консенсуса PoW, внедрив в сеть протокол консенсуса PoS (Proof-of-Stake), тем самым решив проблему высокого потребления электроэнергии.

С переходом на протокол консенсуса PoS одна из основных проблем блокчейна Эфира была решена, однако остаются еще несколько других. Три из них (приватность, абстрактные аккаунты, решения второго уровня) детально описаны в одной из последних статей Виталика Бутерина. Тем временем, у Эфира есть еще одна проблема, которую не затронул Бутерин. Она заключается в том, что сетевые комиссии блокчейна, которые рассчитываются в единицах газа – динамические. Размер блока в сети Эфира ограничен протоколом, а это означает, что в периоды высокого спроса на услуги сети не все пользователи смогут включить свою транзакцию в блок. Таким образом, пользователи Эфира конкурируют за место для своей транзакции в блоке путем повышения суммы приложенного к транзакции газа. Кроме того, в протоколе существует механизм повышения базовой комиссии, срабатывающий, когда размер блока начинает превышать целевое значение. Это является одним из основных препятствий для разворачивания на сети Эфира все большего количества приложений и, соответственно, роста числа пользователей. 

Давайте рассмотрим, как именно работают динамические комиссии в анимации приведенной ниже.

Как вы можете видеть, валидаторы обрабатывают и добавляют в блоки транзакции, исходя из количества предлагаемого газа. Следовательно, пользователи, которые не готовы платить больше газа сталкиваются с тем, что их транзакции обрабатываются в последнюю очередь. Помимо дискомфорта такая механика обработки транзакций может привести, в том числе, к прямым финансовым потерям (резкие колебания курса монет) или к упущенной выгоде. Например, в случае если на падающем рынке вы хотите обменять ETH на USDT, задержка обработки транзакции даже в несколько минут может привести к существенным потерям.

Следующее поколение блокчейнов сосредоточилось на улучшении масштабируемости, снижении стоимости комиссии и обеспечении возможности межсетевых переводов.

Блокчейны третьего поколения 

С появлением смарт-контрактов децентрализованные технологии получили импульс для взрывного развития, но оставшиеся проблемы препятствовали их прикладной реализации. Низкая пропускная способность и высокие комиссии блокчейнов второго поколения не позволили им интегрировать сервисы с большими клиентскими базами. В таких условиях проблема масштабируемости встала в главу угла.

Solana, как самый популярный блокчейн третьего поколения, попытался решить проблему масштабируемости весьма оригинальным путем. С самого начала он был построен на алогоритме консенсусе PoS, что в совокупности с другими архитектурными особенностями сети не позволяло обрабатывать более семи тысяч транзакций в секунду. В настоящее время Solana работает на основе гибридного консенсуса состоящего из алгоритма консенсуса PoH (proof-of-history) и PoS. PoS позволяет валидаторам проверять транзакции в соответствии с количеством токенов, которыми они владеют, в то время как PoH позволяет отмечать транзакции по времени и быстро проверять их. Теоретически, это позволяет платформе обрабатывать до 710 000 транзакций в секунду. Однако такой показатель производительности еще не был достигнут на практике.

Блокчейны четвертого поколения

Следующее поколение блокчейнов предоставило механизм сегментирования. Near, пожалуй, самый заметный блокчейн четвертого поколения, использует делегированный PoS-блокчейн с поддержкой смарт-контрактов с механизмом сегментирования под названием Nightshade. Вместо создания отдельных рабочих цепочек (workchains), что является особенностью Everscale, цепочки Near создаются как единый блокчейн. Проще говоря, каждый блок, созданный в Near, содержит моментальные снимки транзакций, происходящих в каждом сегменте другой цепочки.

Каждый сегмент поддерживается собственной выделенной сетью валидаторов, и все эти сегменты работают параллельно. Это означает, что Near может обрабатывать около 100 000 транзакций в секунду. Хотя этот показатель отражает высокую пропускную способность, способную поддерживать широкий спектр вариантов использования, его вряд ли достаточно для размещения больших клиентских баз данных. Следовательно, для реализации концепции Web3, позволяющей сделать децентрализованные решения с любыми сценариями использования, а также доступными для каждого пользователя, необходима другая архитектура. Среди основных блокчейнов, которые появились для решения этой проблемы, предлагая динамическую масштабируемость, являются Everscale, TON, Venom, Cosmos, Polkadot и некоторые другие.

Блокчейны пятого поколения — текущее

Everscale, TON, Venom, Cosmos, Polkadot, …

Так как мы являемся одним из разработчиков TVM-совместимого блокчейна Everscale, то пятое поколение блокчейнов мы рассмотрим именно на его примере. Ключевыми особенностями блокчейна Everscale являются бесконечная масштабируемость (теоретически) и решение трилеммы блокчейна. Трилемма блокчейна  заключается в том, что разработчики вынуждены пожертвовать одним из трех основополагающих принципов блокчейна: безопасностью, децентрализацией или производительностью, чтобы поддерживать два оставшихся аспекта на должном уровне. О решении трилеммы блокчейна мы расскажем в следующей статье.

Итак, масштабируемость Everscale обеспечивается с помощью динамического шардинга. Шардинг – выделение на обработку больших объемов данных дополнительных вычислительных ресурсов – в Everscale реализован через добавление новых групп валидаторов для обработки транзакций из изначально одного набора смарт-контрактов (одного шарда). Кроме того, протокол в ближайшее время будет поддерживать одновременную работу нескольких воркчейнов, которые, по своей сути, тоже являются шардами. Всего в сети можно будет разместить до 232 воркчейнов. Эти решения позволяют платформе потенциально обрабатывать миллионы транзакций в секунду. Такой уровень производительности делает Everscale одним из немногих блокчейнов первого уровня, технологически подходящих для размещения крупных клиентских баз данных. К примеру, блокчейн Everscale можно использовать как платформу для цифровых валют центральных банков стран с населением более 100 миллионов человек. Кроме того, он идеально подходит практически для любого варианта использования, связанного с корпоративным сектором: логистика, сервисы доставки, социальные сети, строительство, интернет вещей и многие другие.

Говоря о корпоративном секторе, архитектура Everscale позволяет разработчикам создавать отдельные блокчейны (рабочие цепочки) для конкретных сфер применения. Соответствующие рабочие цепочки, они же workchains, наделены максимальной гибкостью. Они могут быть изолированы от остальной сети или настроены для взаимодействия с другими рабочими цепочками внутри сети. Эти рабочие цепочки, в свою очередь, взаимодействуют с Мастерчейном, отправляя ему доказательства выпуска блоков. Кроме того, они могут быть настроены таким образом, чтобы иметь свою собственную цифровую валюту, виртуальную машину и комиссионную политику. С точки зрения масштабируемости, благодаря параллельному выполнению смарт-контрактов, каждая рабочая цепочка способна обрабатывать практически любое количество транзакций. Когда количество транзакций сильно увеличивается, рабочая цепочка просто разделяется на шарды (до 256 шардов), чтобы иметь возможность обрабатывать все транзакции.
В анимации, приведенной ниже, мы рассмотрим, как три рабочие цепочки, предусмотренные для разных сфер применения, сосуществуют в рамках блокчейна Everscale. 

Децентрализованная криптобиржа — любая торговая платформа может существовать как отдельная рабочая цепочка, независимо от объема ее торгов. Рабочая цепочка может обрабатывать почти бесконечное количество транзакций. Это связано с параллельным выполнением смарт-контрактов. Как мы покажем ниже, когда количество транзакций значительно увеличивается, например, в случае серьезных колебаний рынка, рабочая цепочка разделяется, и в игру вступают два новых шарда для обработки растущего количества сообщений. В данной анимации мы продемонстрировали разделение до восьми шардов, но, как мы уже отмечали, процесс разделения может продолжаться до 256 шардов, что практически исключает любые риски перегрузки, даже если турбулентность на рынке усилится и продлится дольше обычного.

Игры формата P2E – хотя популярность play-to-earn игр сегодня далека от игр традиционных, где любые внутриигровые транзакции обрабатываются централизованно на мощностях разработчиков, вероятность того, что в будущем такие крупные издатели как Ubisoft внедрят элементы play-to-earn в свои проекты, растет с каждым новым соглашением издателя о сотрудничестве с тем или иным блокчейн проектом. Издатель может настроить целый воркчейн для обработки внутриигровых транзакций, совершаемых в нескольких их продуктах и, при этом, забыть о беспокойствах по поводу пропускной способности сети или стабильности работы внутриигровых сервисов по покупке-продаже внутриигровых ценных активов.

Децентрализованный почтовый сервис — электронная почта для общения между двумя смарт-контрактами может быть развернута в рамках отдельной рабочей цепочки или внутри уже существующего воркчейна в виде децентрализованного приложения на блокчейнах Everscale или Venom. Сегодня для этих блокчейнов уже разработано решение под названием Qamon: безопасная почта со сквозным шифрованием внутри децентрализованной сети, которым можно воспользоваться уже сейчас для безопасного общения.

Приложение, реализующее функционал электронной почты внутри децентрализованной сети, требует высокой масштабируемости сети, и параллельное выполнение смарт-контрактов – именно то, что нужно для стабильной работы сервиса. Давайте представим, что происходят какие-то события глобального характера (например, высадка Маска на Марсе), которые вызывают всплеск обмена сообщениями. По мере увеличения количества сообщений, шард с пользовательскими аккаунтами разделяется, и в игру вступают два, а затем и четыре шарда, разделяя нагрузку между несколькими валидаторами. Однако, как и в большинстве случаев, новость не оказывает длительного эффекта, и обсуждение вскоре стихает и, вместе с тем, уменьшается поток сообщений. По мере замедления, шарды постепенно сливаются: сначала до двух, затем до исходного одного шарда, в рамках которого лишь одна нода будет участвовать в валидации в отдельном раунде.

Будущее блокчейна

Блокчейн находится в одной из начальных фаз своего длинного и, возможно, бесконечного развития. Что касается ближайшего будущего, технология активно будет продвигаться, так как она выходит из стадии лабораторных исследовании и начинает все больше применяться в разных сферах деятельности, далеко не всегда связанных с криптовалютами. Консенсус большинства экспертов в децентрализованных технологиях заключается в том, что в ближайшие пять лет произойдет следующее:

• Большинство стран внедрят свой собственные цифровые валюты (CBDC)

• Произойдет массовое применение SSI (self-sovereign-identity) - цифровая суверенная личность для всех платформ. Благодаря этой технологии, поддерживаемой блокчейном, пользователи смогут самостоятельно определять, какой информацией они хотят поделиться с какой платформой.

• Большая часть международной торговли будет осуществляться с помощью технологии блокчейн.

• Все больше стран будут использовать системы электронного голосования на блокчейне. Стоит отметить, что данная система уже неоднократно применялась на выборах в Московском регионе.

• Цифровые сертификаты на сырье - такие сертификаты позволяют подтверждать качество и историю производства удобрений, металлов, нефти и других минеральных ресурсов.

• Цифровые медицинские документы -  блокчейн идеально подходит для хранения медицинских данных. Например, в нем можно хранить и отслеживать медицинские карточки пациентов, выписанные рецепты и любую другую информацию о пациентах. Также блокчейн можно использовать для передачи данных между разными медицинскими учреждениями. 

Этот список еще долго можно продолжать!