Top 10 skaalausratkaisua lohkoketjuverkkoihin

Dapp-kehittäjät laajentavat lohkoketjuteknologian mahdollisuuksia uusilla skaalausratkaisuilla. He etsivät tapoja, joilla verkot voivat käsitellä kasvavia tapahtumamääriä ja digitaalitalouden ruuhkia. Suuren käyttäjäjoukon palveleminen edellyttää sekä kapasiteetin että turvallisuuden huomioimista.

Erilaiset lähestymistavat

Skaalautuvuutta voidaan parantaa monin tavoin: muuttamalla protokollan ohjelmakoodia tai rakentamalla uusia kerroksia sen päälle. Seuraavassa esitellään yksitoista lohkoketjujen skaalaamiseen käytettävää lähestymistapaa.

Uudet konsensusmekanismit

Yksi lähestymistapa on konsensusmekanismin muuttaminen. Bitcoin käyttää edelleen työtodistetta eli proof of workia (PoW), kun taas Ethereum siirtyi PoW:sta panostodisteeseen eli proof of stakeen (PoS) syyskuussa 2022. PoS korvaa louhinnan varoilla vakuutetuilla validaattoreilla ja vähentää energiankulutusta, mutta käsittelykapasiteetti riippuu myös verkon muusta rakenteesta.

Panostamisessa eli stakingissa käyttäjät sitovat tokeneita verkon turvaamiseen ja voivat saada palkkioita. Louhintalaitteita ei tarvita. Osallistumistapa voi vaihdella oman validaattorin ylläpitämisestä palvelun käyttöön tai delegointiin. Oman solmun käyttö vaatii teknistä osaamista, ja palkkioihin liittyy protokollasta ja palvelusta riippuvia riskejä.

PoS:sta on myös delegoituja muotoja, kuten DPoS (Delegated Proof of Stake). Tokenien omistajat voivat äänestää tai valita edustajia vahvistamaan tapahtumia, jolloin kaikkien ei tarvitse ylläpitää omaa validaattoria. Rajatumpi lohkotuottajien joukko voi helpottaa koordinointia ja lisätä suorituskykyä, mutta samalla valta voi keskittyä. Valintamenettely ja turvallisuus riippuvat verkon säännöistä.

Toisen kerroksen protokollat

Toisen kerroksen eli layer 2 -ratkaisut käsittelevät tapahtumia perusketjun ulkopuolella ja käyttävät sitä lopulliseen selvitykseen tai turvallisuuden varmistamiseen. Esimerkkejä ovat Bitcoinin Lightning Network ja Ethereumissa vuonna 2020 julkaistu Fuel V1 -rollup.

Laskennan siirtäminen pois pääketjusta vähentää sen kuormitusta. Rollupit ja maksukanavat ovat toisen kerroksen ratkaisuja. Sivuketjutkin voivat lisätä kapasiteettia, mutta niillä on oma konsensus ja turvallisuusmalli, joten ne eivät automaattisesti peri perusketjun suojaa.

Sivuketju toimii perusketjun rinnalla ja voi suorittaa älysopimuksia omien validaattoriensa avulla. Maksukanavat, kuten Lightning, puolestaan mahdollistavat useita ketjun ulkopuolisia maksuja. Kanavan avaaminen ja sulkeminen selvitetään Bitcoin-ketjussa; kaikkia välissä tehtyjä maksuja ei tarvitse julkaista siellä. Maksujen onnistuminen riippuu muun muassa kanavien kapasiteetista, likviditeetistä ja sopivan reitin löytymisestä.

Toisen kerroksen ratkaisuissa voi olla keskittämisriskejä esimerkiksi suurten reitityssolmujen, sekvensserien tai säilytyspalvelujen vuoksi. Lightningin tavallinen ei-säilytyksellinen reititys perustuu kuitenkin kryptografisiin ehtoihin: välisolmun ei tarvitse saada omistusoikeutta käyttäjän varoihin. Reitittäjä voi kieltäytyä välittämästä maksua, mutta se ei tämän perusteella voi ottaa maksua itselleen.

Kovat haarautumat

Kova haarautuma eli hard fork muuttaa konsensussääntöjä tavalla, joka ei ole taaksepäin yhteensopiva. Uusia sääntöjä seuraavien solmujen on päivitettävä ohjelmistonsa. Jos osa yhteisöstä jatkaa vanhoilla säännöillä, voi syntyä kaksi erillistä ketjua. Kaikkien ei siis ole pakko hylätä alkuperäistä verkkoa tai lopettaa sen louhintaa. Erimielisyys päivityksestä voi tehdä tällaisesta muutoksesta vaikean.

Kovan haarautuman syynä voi olla suorituskyky, turvallisuus tai uusien toimintojen lisääminen. Tunnettu esimerkki on elokuussa 2017 Bitcoinista eriytynyt Bitcoin Cash. Osa yhteisöstä halusi nostaa silloista yhden megatavun lohkokokorajaa, kun taas muut jatkoivat Bitcoinin sääntöjen mukaista ketjua. Bitcoin Core on Bitcoinin ohjelmistototeutuksen nimi.

Hankkeet voivat pyrkiä käsittelemään päivityksiä koskevia erimielisyyksiä etukäteen yhteisöhallinnon avulla. Hajautetuissa autonomisissa organisaatioissa eli DAO:ssa jäsenet voivat tehdä ehdotuksia ja äänestää muutoksista. Äänestys voi auttaa päätöksenteossa, mutta se ei takaa, ettei ketju koskaan jakaudu.

Nollatietotodistuksiin perustuvat rollupit

Nollatietotodistus mahdollistaa väitteen oikeellisuuden osoittamisen paljastamatta kaikkea sen taustalla olevaa tietoa. ZK-rollupissa tällaisilla kelpoisuustodistuksilla vahvistetaan ketjun ulkopuolella käsitellyn tapahtumaerän oikea suoritus. Rollup tarkoittaa useiden tapahtumien kokoamista eräksi, ei välttämättä niiden pakkaamista yhdeksi lohkoksi. Tekniikka ei itsessään tee kaikista tapahtumista anonyymejä.

Laskennan siirtäminen toiselle kerrokselle vähentää pääketjun ruuhkaa. Pääketjuun toimitetaan tiivistettyä tapahtuma- tai tilatietoa sekä todistus, jonka avulla päivitys voidaan tarkistaa. Rollupin turvallisuus edellyttää myös tarvittavien tietojen saatavuutta ja oikein toimivaa toteutusta.

Rollupin operaattorit kokoavat tapahtumaerät ja tuottavat todistukset. Pääketjun älysopimukset tarkistavat todistukset ja hyväksyvät tilapäivitykset. Ethereumissa vuoden 2023 rollupit julkaisivat tarvitsemansa tiedot esimerkiksi calldata-muodossa. Tällainen rakenne voi kasvattaa läpimenoa ilman, että pääketjun täytyy suorittaa jokainen tapahtuma uudelleen.

Optimistiset rollupit

Optimistinen rollup olettaa julkaistun tapahtumaerän tuloksen aluksi oikeaksi. Sen jälkeen on määräaika, jonka kuluessa virheellinen tilapäivitys voidaan riitauttaa virhetodistuksella. Tarkat riitauttamissäännöt ja osallistumisoikeudet riippuvat toteutuksesta.

Optimistiset rollupit voivat suorittaa monimutkaisia älysopimuksia ja hyödyntää Ethereum-yhteensopivia työkaluja. Optimism ja Arbitrum olivat vuonna 2023 tunnettuja esimerkkejä. Monimutkaisten sopimusten tuki ei kuitenkaan rajoitu optimistisiin rollupeihin: myös ZK-pohjaisia EVM-yhteensopivia verkkoja, kuten Polygon zkEVM, oli jo julkaistu.

Osittaminen eli sharding

Osittaminen jakaa tietokannan tai verkon tilan pienempiin osiin, joita voidaan tallentaa ja käsitellä rinnakkain. Menetelmää käytetään hajautetuissa tietokannoissa ja lohkoketjuissa. Googlen Bigtable on esimerkki hajautetusta tallennusjärjestelmästä, joka jakaa tietoa eri palvelimille; menetelmää ei pidä sekoittaa yhden yrityksen tuotteeseen.

Osittamista voi verrata peilin jakamiseen sirpaleiksi: eri osat ovat eri palvelinten tai solmuryhmien vastuulla. Näin tallennus ja laskenta voidaan jakaa useille osallistujille. Skaalautuvuushyöty riippuu kuitenkin osien välisestä liikenteestä ja sovelluksen rakenteesta, joten kasvu ei ole rajattomasti lineaarista.

Ositettu verkko voi suorittaa riippumattomia tehtäviä rinnakkain. Haasteita ovat osien väliset tapahtumat, tietojen saatavuus ja kunkin osan riittävä turvallisuus. Kyse ei välttämättä ole ulkopuolisiin palveluihin tukeutumisesta, vaan työn jakamisesta itse verkon sisällä.

Erillinen todistusaineisto eli SegWit

Bitcoinin SegWit-ratkaisua esiteltiin vuonna 2015, ja se aktivoitiin verkossa vuonna 2017. Sen kehitykseen osallistuivat Pieter Wuille ja muut Blockstreamin sekä Bitcoin Coren kehittäjät. Segregated Witness erottaa allekirjoitusten kaltaisen todistusaineiston tapahtuman perusrakenteesta ja muuttaa sen huomioimista lohkon painossa.

Todistusaineisto säilyy osana lohkon täydellistä tietoa; sitä ei vain poisteta väliaikaisesti laskennan ajaksi. SegWit laskee todistusaineiston tavuille pienemmän painon kuin muulle datalle. Neljän miljoonan painoyksikön raja mahdollistaa siten aiempaa suuremman tapahtumakapasiteetin.

SegWit korjasi myös tapahtumatunnisteisiin liittyvää muokattavuutta, mikä helpotti Lightning Networkin kaltaisten maksukanavien rakentamista Bitcoinin päälle. Vuonna 2023 yleistyneet BRC-20-tokenit liittyvät Ordinals-kirjoituksiin sekä SegWitin ja myöhemmän Taproot-päivityksen mahdollistamaan todistusaineiston käyttöön.

Modulaarinen rakenne

Monoliittinen lohkoketju pyrkii hoitamaan keskeiset tehtävänsä saman perusverkon sisällä. Modulaarisessa rakenteessa tehtäviä voidaan erottaa eri järjestelmille.

Näitä tehtäviä ovat tapahtumien suoritus, konsensus, tietojen saatavuus ja lopullinen selvitys. Monoliittisessa verkossa monet solmut tekevät samaa laskentatyötä, mikä tukee tarkistettavuutta mutta voi rajoittaa kapasiteettia.

Modulaarinen skaalaus

Modulaarinen järjestelmä voi siirtää esimerkiksi älysopimusten suorituksen erilliselle kerrokselle ja jättää selvityksen tai tietojen saatavuuden toiselle. Ethereumin EVM on kuitenkin perusketjun suoritusympäristö, ei itsessään erillinen skaalausverkko. Rollupit ovat esimerkki siitä, miten Ethereum voi tukea erillistä suoritusta.

Modulaarisia ratkaisuja kehitetään, koska ne mahdollistavat eri osien erikoistumisen. Yhteiset standardit ja valmiit kehitystyökalut voivat helpottaa sovellusten rakentamista ja käyttöönottoa. Verkkojen suorituskyky ja turvallisuus riippuvat silti niiden toteutuksesta.

SKALEn pääverkko käynnistyi vuonna 2020. Sen moniketjuinen rakenne mahdollistaa sovelluskohtaisten ketjujen käytön ja kehittäjille joustavia käyttöönottoja. Myöhemmässä SKALE V2:ssa ketjujen väliset yhteydet ja keskukset eli hubit lisäsivät yhteentoimivuutta. SKALE on yksi esimerkki eri tehtäviä ja useita ketjuja hyödyntävästä skaalausratkaisusta.

Lohkokoko

Jo ennen toisen kerroksen ratkaisujen yleistymistä lohkokoon kasvattamisesta keskusteltiin keinona lisätä kapasiteettia. Lohkokoko kuvaa lohkoon sisältyvän datan määrää.

Bitcoinin vanha lohkokokoraja oli yksi megatavu, mutta SegWitin jälkeen kapasiteettia rajoittaa neljän miljoonan painoyksikön sääntö. Tapahtumamäärä sekunnissa riippuu muun muassa tapahtumien koosta ja rakenteesta. Lohkotilan kaksinkertaistaminen ei siten takaa kiinteää nousua seitsemästä neljääntoista tapahtumaan sekunnissa.

Bitcoin Cash eriytyi Bitcoinista vuonna 2017 suuremman lohkokoon kannattajien hankkeena. Sen rajaa kasvatettiin kahdeksasta 32 megatavuun toukokuussa 2018. Suuremmat lohkot voivat lisätä kapasiteettia, mutta myös kasvattaa solmujen kaistanleveys-, tallennus- ja laitteistovaatimuksia. Tämä voi vaikeuttaa pienten toimijoiden osallistumista ja lisätä keskittymistä.

Suunnattu syklitön graafi eli DAG

DAG on tietorakenne, jonka suunnattuja yhteyksiä seuraamalla ei voi palata lähtöpisteeseen. Sen solmut voivat edustaa tapahtumia tai lohkoja, ja rakenne sallii useita rinnakkaisia haaroja. Kaikki tapahtumat eivät kommunikoi suoraan keskenään, eikä graafi välttämättä ole puu.

Perinteisessä lohkoketjussa samanaikaisesti löydetyistä kelvollisista lohkoista osa voi jäädä valitun ketjun ulkopuolelle. Suuremmat lohkot tai lyhyemmät lohkovälit voivat lisätä tällaisten lohkojen määrää, jos tiedon välittäminen verkossa ei ehdi mukaan.

Lohko-DAG voi sisällyttää rinnakkain syntyneitä lohkoja samaan rakenteeseen ja määrittää niiden järjestyksen erillisillä konsensussäännöillä. Lohko voi viitata useisiin aiempiin lohkoihin. Näin voidaan vähentää rinnakkaisen työn hukkaa ja lisätä kapasiteettia. DAG-rakenne voi toimia myös työtodisteen kanssa; se ei itsessään korvaa konsensusmekanismia.

Hashgraph-verkot

Hashgraph käyttää DAG-pohjaista tapahtumarakennetta lineaarisen lohkoketjun sijaan. Solmut välittävät toisilleen tapahtumia ja tietoa aiemmasta viestinnästä niin sanotulla gossip about gossip -menetelmällä. Tämän historian perusteella ne voivat laskea virtuaaliset äänet ja sopia tapahtumien lopullisesta järjestyksestä.

Menetelmä antaa tapahtumille konsensukseen perustuvat aikaleimat ilman erillistä ulkopuolista järjestämispalvelua. Yksityisyysominaisuudet riippuvat sovelluksesta ja verkon toteutuksesta. Hedera on tunnettu Hashgraphia käyttävä verkko. Vuonna 2023 sen konsensussolmuja ylläpitivät hyväksytyt neuvoston jäsenet, joten sen osallistumis- ja hallintomalli erosi Bitcoinin kaltaisesta avoimesta louhintaverkosta.

Skaalautuvuus on lohkoketjujen elinehto

Lohkoketjukehittäjät pyrkivät jatkuvasti parantamaan verkkojen kapasiteettia ja toimintoja. Tässä esitellyt ratkaisut ovat keskeisiä lähestymistapoja, mutta eivät ainoita vaihtoehtoja. Uusia menetelmiä voidaan odottaa sitä mukaa, kun lohkoketjujen käyttö laajenee. Suorituskyvyn rinnalla on arvioitava turvallisuutta, hajautusta ja käytettävyyttä.