Что такое перегрузка сети Blockchain?

Перегрузка сети блокчейн возникает, когда количество транзакций, подаваемых в сеть блокчейн, превышает ее вычислительные мощности. Такая перегрузка приводит к задержке подтверждения транзакций и увеличению комиссии за транзакции. Это влияет на пользовательский опыт и может препятствовать удобству использования и принятию сетей blockchain. Такие популярные криптовалюты, как Bitcoin и Ethereum, в прошлом сталкивались с перегрузками, что приводило к значительным задержкам и увеличению комиссионных сборов.

Как происходит перегрузка сети Blockchain?

Перегрузка сети Blockchain происходит, когда количество транзакций превышает пропускную способность сети. Перед подтверждением транзакции попадают в мемпул - зону ожидания. Такие факторы, как повышенный спрос, малый размер блоков и медленное время блокировки, способствуют возникновению перегрузки. Это приводит к задержке подтверждений, увеличению комиссий и снижению масштабируемости. Решения включают увеличение размеров блоков, уменьшение времени блокировки, внедрение решений второго уровня и изучение возможности шардинга. В настоящее время ведутся работы по устранению перегруженности и повышению эффективности сети блокчейн.

Mempool

Пул памяти (mempool, сокращение от "memory pool") - это важнейший компонент сети блокчейн, в котором временно хранятся отложенные транзакции до их подтверждения и добавления в блок. Он служит в качестве зоны ожидания, где транзакции ожидают включения в следующий доступный блок для обработки и последующего включения в блокчейн.

Когда пользователь инициирует транзакцию на блокчейне, она сначала транслируется в сеть и попадает в mempool. Майнеры (в блокчейн с доказательством работы) или валидаторы (в блокчейн с доказательством доли) выбирают транзакции из мемпула, чтобы включить их в следующий блок, который они пытаются добавить в блокчейн. Процесс отбора часто включает в себя определение приоритетности транзакций с более высокими комиссиями, чтобы стимулировать майнеров или валидаторов. Транзакции остаются в mempool до тех пор, пока они не будут включены в блок или удалены, если срок их действия истек или они были признаны недействительными.

Размер mempool'а и уровень его перегруженности могут варьироваться в зависимости от объема транзакций, пропускной способности сети и доступности блочного пространства. В периоды высокого спроса или ограниченных сетевых ресурсов пул памяти может стать переполненным, что приведет к увеличению времени подтверждения и потенциально более высоким комиссиям за транзакции. Майнеры и валидаторы устанавливают приоритет транзакций на основе различных факторов, включая комиссионные за транзакции, чтобы оптимизировать свой доход и максимизировать эффективность сети.

Кандидатские блоки

Блоки-кандидаты, также известные как предлагаемые блоки, - это блоки, которые майнеры (в блокчейн с функцией доказательства работы) или валидаторы (в блокчейн с функцией доказательства доли) предлагают добавить в блокчейн. Эти блоки содержат набор неподтвержденных транзакций, которые были переданы в сеть, но еще не включены в блокчейн.

Когда предлагается блок-кандидат, он проходит процесс проверки в соответствии с механизмом консенсуса блокчейна. В системах proof-of-work, таких как Биткойн, майнеры соревнуются в решении сложной математической головоломки, и первый майнер, успешно решивший ее, получает возможность добавить свой блок-кандидат в блокчейн. В системах proof-of-stake, таких как Ethereum 2.0, валидаторы выбираются случайным образом, чтобы предложить блоки-кандидаты, которые затем подтверждаются другими валидаторами.

Блоки-кандидаты содержат неподтвержденные транзакции и служат в качестве временного состояния перед тем, как стать подтвержденными блоками. Как только блок-кандидат получает достаточное подтверждение и добавляется в блокчейн, транзакции, включенные в этот блок, считаются подтвержденными. Однако важно отметить, что в блокчейн-сетях с более длительным временем подтверждения конкурирующие блоки все еще могут быть добыты в течение этого периода, что потенциально может привести к временным развилкам или осиротевшим блокам.

Финальность

Окончательность в блокчейне относится к состоянию, когда транзакция или операция становится безотзывной и не может быть изменена или отменена. Как только транзакция достигает окончательного завершения, она навсегда записывается в блокчейн и становится неизменяемой частью истории транзакций.

Концепция окончательности несколько различается в разных блокчейн-сетях. В блокчейне Bitcoin, например, транзакции транслируются в сеть и добавляются в mempool. Майнеры выбирают транзакции из мемпула и включают их в блоки, добавляемые в блокчейн. Пока эти транзакции подтверждаются, могут добываться конкурирующие блоки, вызывая временные развилки. Чтобы достичь более высокого уровня уверенности в окончательности, рекомендуется подождать, пока поверх блока, содержащего транзакцию, будут добавлены дополнительные блоки. Как правило, достаточно шести дополнительных блоков, чтобы считать транзакцию Биткойн "окончательной".

В Ethereum и некоторых других блокчейнах с более коротким временем работы блока может быть рекомендовано большее количество подтверждений для достижения аналогичного уровня уверенности в окончательности. Ethereum перешел на механизм консенсуса proof-of-stake, при котором валидаторы подтверждают достоверность блоков. Когда блок получает достаточное количество подтверждений, он превращается из блока-кандидата в подтвержденный блок, что обеспечивает более высокий уровень окончательности.

Окончательность - важнейший аспект технологии блокчейн, обеспечивающий целостность и неизменяемость транзакций и данных, записанных в блокчейн. Это дает пользователям уверенность в том, что после того, как транзакция подтверждена и достигла окончательного завершения, она не может быть отменена или подделана.

Принцип самой длинной цепи

Принцип самой длинной цепи - это фундаментальная концепция технологии блокчейн. Оно относится к правилу, согласно которому действительной версией блокчейна является та, которая имеет самую длинную цепочку блоков, представляющую наибольшее количество накопленной вычислительной работы.

В децентрализованной сети блокчейн несколько майнеров или валидаторов могут одновременно создавать новые валидные блоки. Это может привести к временным развилкам, когда существуют разные ветви блокчейна. Однако в конечном итоге сеть сходится к единственному достоверному блокчейну, следуя принципу самой длинной цепи.

Согласно этому принципу, узлы в сети всегда выбирают в качестве действующей цепочку с наибольшим количеством накопленной вычислительной работы. Майнеры или валидаторы направляют вычислительную мощность на удлинение цепочки, делая ее длиннее. В результате, более короткие ветви, часто называемые сиротскими или несвежими блоками, отбрасываются, а их транзакции возвращаются в mempool для включения в действующую цепочку.

Принцип самой длинной цепи обеспечивает консенсус и безопасность в сети блокчейн. Это помогает поддерживать целостность блокчейна, выбирая наиболее проверенную вычислительными средствами версию в качестве авторитетной цепи, обеспечивая четкую и согласованную историю транзакций, а также предотвращая возможные атаки или манипуляции.

Что вызывает перегрузки сети Blockchain?

Перегрузка сети Blockchain возникает, когда количество транзакций, подаваемых в сеть, превышает ее возможности по обработке. Несколько факторов способствуют возникновению заторов, некоторые из них перечислены ниже. Эти факторы в совокупности создают нагрузку на сети блокчейн, что приводит к задержке подтверждений и снижению эффективности. Устранение перегруженности требует внедрения решений, которые повышают масштабируемость сети, оптимизируют размер блока и улучшают пропускную способность транзакций.

Повышенный спрос

Растущее количество транзакций перегружает сеть, вызывая отставание неподтвержденных транзакций в mempool. Волатильность цен и циклы массового внедрения могут вызвать всплески транзакционной активности.

Малый размер блока

Каждый блокчейн имеет максимальный размер блока, ограничивающий количество транзакций, которые могут быть в него включены. Например, первоначальный размер блока Биткойна составлял 1 мегабайт, но такие усовершенствования, как Segregated Witness (SegWit), увеличили его примерно до 4 МБ. Если транзакции превышают этот лимит, возникает перегрузка.

Медленное время блокировки

Время блока относится к интервалу между добавлением новых блоков в блокчейн. Например, Биткойн добавляет блок каждые 10 минут. Когда создание транзакций опережает добавление блоков, образуется отставание транзакций, способствующее возникновению перегрузки.

История перегрузок сети блокчейн: Несколько примеров

Перегруженность сети Биткойн (2017)

Во время пика популярности Биткойна в конце 2017 и начале 2018 года сеть испытывала значительную перегрузку. Резкий рост активности транзакций привел к большому количеству неподтвержденных транзакций и стремительному росту комиссионных за транзакции. В какой-то момент средняя комиссия за транзакцию достигла более 50 долларов США, что подчеркивает проблемы масштабируемости и пропускной способности сети.

Перегруженность сети Ethereum (2017)

В 2017 году сеть Ethereum столкнулась с перегрузкой из-за вирусного успеха проекта "CryptoKitties". Популярность разведения и торговли цифровыми кошками на блокчейне Ethereum вызвала значительное увеличение количества транзакций, что привело к замедлению времени подтверждения и повышению комиссии.

BRC-20 Токены скопления на Биткойне (2023)

Весной 2023 года сеть Биткойн испытывала перегрузки, вызванные увеличением активности транзакций, связанных с токенами BRC-20. Резкое увеличение количества транзакций привело к образованию узкого места в пуле памяти, что вызвало резкий рост количества незавершенных транзакций и комиссионных. В какой-то момент было зафиксировано около 400 000 неподтвержденных транзакций, что привело к значительным задержкам и существенному увеличению комиссии за транзакции.

Решения проблемы перегруженности сети блокчейн

Чтобы уменьшить перегрузку сети блокчейн, можно рассмотреть различные решения, каждое из которых имеет свои плюсы и минусы:

Увеличение размера блока

Увеличение размера блока позволяет включить в него больше транзакций, что повышает пропускную способность сети. Однако большие блоки распространяются дольше и требуют большего объема хранения, что потенциально может привести к рискам централизации.

Уменьшение времени блокировки

Сокращение интервала между добавлениями блоков ускоряет обработку транзакций. Тем не менее, более короткое время блокирования может увеличить количество бесхозных блоков и поставить под угрозу безопасность.

Решения уровня 2

Внецепочечные протоколы, такие как Lightning Network в Биткойне и Plasma в Ethereum, позволяют ускорить транзакции за счет их обработки вне основной цепочки блоков. Эти решения повышают масштабируемость, но привносят сложность и вопросы безопасности.

Шардинг

Разделение блокчейна на более мелкие шарды, способные обрабатывать транзакции независимо друг от друга, может значительно увеличить пропускную способность сети. Однако чередование добавляет сложности и проблемы безопасности.

Заключение

Перегруженность сети блокчейн - это критическая проблема, возникающая, когда количество транзакций превышает вычислительную мощность сети блокчейн. Такая перегрузка может привести к задержке подтверждения транзакций, увеличению комиссии за транзакции и ухудшению пользовательского опыта, что потенциально может препятствовать принятию и использованию сетей блокчейн.

В настоящее время изучаются и внедряются различные решения для уменьшения этой перегруженности. К ним относятся увеличение размера блока, уменьшение времени блока, внедрение решений второго уровня и изучение шардинга. Каждое из этих решений имеет свои преимущества и проблемы, и выбор решения зависит от конкретных требований и ограничений сети блокчейн.

Хотя перегруженность сети блокчейн создает значительные проблемы, она также стимулирует инновации в пространстве блокчейн. По мере развития технологии и разработки более эффективных решений мы ожидаем, что блокчейн-сети будут становиться все более масштабируемыми и эффективными, что еще больше увеличит их потенциал для революции в различных секторах нашей экономики.