🇸🇰 Analýza výskumu, na ktorom je založená škálovateľnosť Cardana

Analýza výskumu, na ktorom je založená škálovateľnosť Cardana

Bližší pohľad na výskum IOG, časť 4. Ako riešenia vrstvy 1 a vrstvy 2 vytvárajú rýchlejší a odolnejší blockchain

Analýza výskumu, na ktorom je založená škálovateľnosť systému Cardano

Predchádzajúce príspevky na blogu sa venovali základnému výskumu, ktorý umožnil multifunkčnú podporu hlavnej knihy Cardano pre expresívne inteligentné kontrakty a natívne aktíva.

V rámci vývojovej fázy Basho prechádza Cardano neustálymi aktualizáciami a optimalizáciami na zvýšenie škálovateľnosti a interoperability. Príspevok “Ako škálujeme Cardano v roku 2022” sa zamyslel nad cieľmi škálovateľnosti Cardano a diskutoval aj o interoperabilite a úlohe sidechainov. Tento nový príspevok sa bližšie venuje výskumu, ktorý umožní tieto postupné zlepšenia.

Škálovanie Cardano

Škálovateľnosť je pre blockchainovú sieť nevyhnutná na podporu rozširujúcej sa používateľskej základne a zabezpečenie rastu bez toho, aby sa obetovala priepustnosť.

Škálovanie blockchainu si zvyčajne vyžaduje kombinovaný prístup s rozmanitými riešeniami, ktoré vyhovujú každej situácii a projektu. Napríklad

  • Riešenia 1. vrstvy: aktualizácie aplikované priamo na protokol hlavného reťazca.
  • Riešenia 2. vrstvy: dodatočné reťazce (sidechains) alebo riešenia 2. vrstvy (ZK rollups), ktoré zvyšujú výkon hlavného reťazca.

Riešenia škálovateľnosti na 1. vrstve

Pipelining a input endorsers sú dve riešenia na reťazci, ktoré sa plánujú implementovať v Cardano v rokoch 2022-2023. Dokument s podrobnými informáciami o výskume vykonanom v súvislosti s pipeliningom ešte nebol zverejnený, ale tu sú niektoré vlastnosti a dôvody zavedenia pipeliningu.

Pipelining v systéme Ouroboros

Aby sme pochopili, čo je pipelining, definujme najprv pojem propagácia blokov. Šírenie blokov znamená, že uzly produkujúce bloky šíria informácie o nových blokoch po sieti.

Pipelining zlepšuje časy šírenia blokov. Cieľom je, aby sa bloky šírili k rovnocenným partnerom do piatich sekúnd. Pipelining to umožňuje tým, že uzly majú možnosť vopred informovať svoje nadväzujúce rovnocenné uzly o prichádzajúcom bloku, čo umožňuje rovnocennému uzlu vopred načítať telo nového bloku.

Vo výskume sa uvádza myšlienka propagovať telá blokov pred ich úplným overením. Tým sa práca na validácii tela bloku vyníma z kritickej cesty šírenia bloku a čas strávený validáciou sa môže prekrývať s odoslaním bloku ďalšiemu partnerovi v sieti. Tým sa skracuje čas šírenia bloku, čo okrem iného ďalej umožňuje zväčšiť veľkosť bloku alebo zlepšiť Plutus. Následne, čím väčší je blok, tým viac transakcií a skriptov Plutus môže niesť, čo tiež ovplyvňuje priepustnosť blockchainu. Tieto vylepšenia sa plánujú aplikovať na Cardano počas udalosti Vasil hard fork.

Zástupcovia podporujúci vstup

Implementácia vstupných endorserov tiež zlepší časy šírenia blokov a priepustnosť. Vstupné endorsery sledujú všetky predložené transakcie a spájajú tieto transakcie do vopred zostavených blokov. To znamená, že existujú dve sady blokov, tie, ktoré obsahujú transakcie, a tie, ktoré dosahujú konsenzus. Bloky vykonávajúce konsenzus budú odkazovať na vopred zostavené bloky, ktoré sú neustále streamované bez toho, aby museli čakať na dosiahnutie konsenzu. Tým sa zlepší konzistentnosť časov šírenia blokov a umožní sa vyššia rýchlosť transakcií.

John Woods, bývalý riaditeľ architektúry Cardano v spoločnosti IOG, povedal: "V súčasnosti sa v Cardane uskutočňuje viacero blokov, ktoré sa v priebehu roka obnovujú:

Implementácia pipeliningu je jednoducho skvelá technológia. Syntetické benchmarky ukazujú až 40 % nárast efektivity. Je to skvelá súčasť príbehu o tom, ako Cardano škáluje, aby uspokojilo dopyt v roku 2022. V roku 2023 nastane úsvit Ouroboros Leios (vstupné schvaľovacie zariadenia), čo zmení pravidlá hry. Očakáva sa, že input endorsers budú škálovať Cardano počas nasledujúceho pol desaťročia.

Viazané oceňovanie

Ďalšou výskumnou iniciatívou vedcov IOG je implementácia viazaných cien. V súčasnom systéme sa so všetkými transakciami zaobchádza rovnako bez možnosti zmeniť ich prioritu napríklad zaplatením vyšších poplatkov za plyn. Tento prístup funguje dobre, pokiaľ je priepustnosť siete porovnateľná s požiadavkami na spracovanie transakcií. Avšak s rastúcim využitím siete sa môže stať, že nie všetky transakcie budú nakoniec zahrnuté do blockchainu. Možnosť útoku typu DoS (denial of service) - využitie spravodlivého zaobchádzania s transakciami na vydávanie škodlivého spamu za legitímne transakcie - si vyžaduje dodatočné opatrenia na podporu zdravosti siete.

Viacúrovňové oceňovanie umožňuje stabilný výkon systému agilným spôsobom a má význam najmä pri prevencii útokov DoS. Výskum navrhuje zachovať predvídateľnosť, spravodlivosť a nákladovú efektívnosť transakcií Cardano a zároveň zmierniť problémy, ktoré by mohli vzniknúť v dôsledku väčšieho dopytu po sieti. Prístup predkladá nový mechanizmus poplatkov za transakcie, kde je každý blok rozdelený do troch “úrovní” (na základe prípadu použitia). Každá úroveň tvorí stanovené percento z maximálnej veľkosti bloku a je určená pre rôzne typy transakcií - spravodlivé, vyvážené a okamžité. Keď sieť nie je vyťažená, vrstvy sú predvolene nastavené na štandardný spôsob prioritizácie transakcií.

Riešenia škálovateľnosti vrstvy 2

Na pomoc pri škálovaní počtu transakcií, ktoré možno spracovať naraz, môže sieť blockchain roztočiť niekoľko vedľajších reťazcov, zaviesť stavové kanály alebo napríklad použiť schému viacnásobného podpisu založenú na prahovom podiele.

Sidechains

Dokument ‘Proof-of-Stake Sidechains’ bol uverejnený v roku 2019. Tento dokument poskytuje prvú formálnu definíciu toho, čo je to systém sidechain a ako možno bezpečne presúvať aktíva medzi sidechainami.

Vedci z IOG predložili definíciu bezpečnosti, ktorá rozširuje známe vlastnosti transakčných kníh o perzistenciu a životaschopnosť, aby platili vo viacerých knižných knihách, a rozširuje ich o novú bezpečnostnú vlastnosť “firewall”. Tým sa každý blockchain chráni pred svojimi sidechainmi, čím sa obmedzuje vplyv potenciálne katastrofického zlyhania sidechainu. Článok tiež poskytuje konštrukciu sidechainu, ktorá je vhodná pre proof-of-stake sidechain systémy a je konzistentná s konsenzuálnym protokolom Ouroboros. Na zabezpečenie odolnosti bočných reťazcov voči škodlivým útokom sa uvádzajú také techniky, ako sú zlúčené stávkovanie, certifikácia medzi reťazcami a používanie viacerých podpisov.

Ako výsledok tohto výskumu IOG vyvinul Cardano EVM sidechain, ktorý je v súčasnosti v alfa verzii na testnete. Bude kompatibilný s nástrojmi a knižnicami Etherea, čo umožní vývojárom vytvárať inteligentné kontrakty Solidity, DApps a tokeny ERC20 na Cardano a využívať výhody, ako sú nákladová efektívnosť, škálovateľnosť a bezpečnosť.

Hydra

Okrem sidechainov existujú aj ďalšie riešenia na zlepšenie škálovateľnosti siete. Napríklad stavové kanály Hydra.

Výskumná práca “Hydra: Fast Isomorphic State Channels” bola uverejnená v roku 2021. V článku sa predstavuje Hydra - izomorfný viacstranový stavový kanál. Stavové kanály sú atraktívnym riešením 2. vrstvy na zlepšenie priepustnosti a latencie blockchainov. Hydra zjednodušuje vývoj protokolov a inteligentných zmlúv mimo reťazca tým, že priamo preberá systém inteligentných zmlúv 1. vrstvy, čím umožňuje používať rovnaký kód na reťazci aj mimo neho. S využitím modelu EUTXO výskum navrhuje, ako vyvinúť rýchly off-chain protokol pre vývoj Hydra Heads, ktorého protokol je v súčasnosti implementovaný na Cardano.

Mithril

Napokon, na dosiahnutie väčšej škálovateľnosti je dôležité aj zefektívnenie rýchlosti a účinnosti synchronizácie údajov medzi aplikáciami. V rámci riešenia tejto otázky výskumný tím IOG v roku 2021 uverejnil dokument “Mithril: Stake-based Threshold Multisignatures”.

Efektívna validácia reťazca je nevyhnutná na dosiahnutie väčšej škálovateľnosti v prostredí blockchainu. To závisí aj od rôznych správ podpísaných sieťovými validátormi. Mithril rieši zložitosť kritických operácií, ktoré logaritmicky závisia od počtu týchto účastníkov. Vzhľadom na čas potrebný na validáciu konkrétnej správy a spotrebu zdrojov vo fáze validácie pri synchronizácii reťazca poskytuje Mithril riešenie, ktoré umožňuje rýchlu a efektívnu agregáciu viacerých podpisov bez toho, aby boli ohrozené bezpečnostné prvky.

Článok sa zamýšľa nad tým, ako zachovať silné bezpečnostné nastavenia pri agregácii viacerých podpisov. Výsledkom je, že Mithril možno použiť na rýchly, efektívny a bezpečný protokol synchronizácie reťazca. Je výhodný na bezpečné hlasovanie, výmenu údajov medzi vedľajšími reťazcami a synchronizáciu údajov v rámci ľahkých peňaženiek. Je súčasťou fázy Basho a bude implementovaný v roku 2022.

Záverečné slovo

V súčasnosti je vo výskumnej knižnici IOG umiestnených 144 dokumentov a tento počet neustále rastie. Všetka práca vždy položila a ďalej bude klásť základy pred nasadením akejkoľvek funkcie alebo aktualizácie na Cardano.

  • V nasledujúcich mesiacoch budeme viac reflektovať najnovší vývoj a výskum, ktorý prebieha v súvislosti s optimalizáciou účtovnej knihy, zlepšovaním škálovateľnosti a iniciatívami v oblasti správy.

(Napísala Olga Hryniuk) - preklad @Martin.M
Pôvodný článok: An analysis of the research underpinning Cardano’s scalability - IOHK Blog