Ethereum 2.0: полное руководство

[vaysar]

Вступление

Сеть Ethereum является одной из крупнейших и наиболее широко используемых сетей блокчейнов в мире. Это также один из крупнейших в мире проектов с открытым исходным кодом, а go-ethereum является одним из крупнейших проектов на Github. С момента своего первого выпуска в 2015 году Ethereum делает все возможное для достижения конечной цели - стать децентрализованным глобальным компьютером, который однажды может заменить многие централизованные приложения, которые мы используем в повседневной жизни. Однако сообществу и сети Ethereum еще предстоит проделать большую работу, прежде чем эта цель будет достигнута. Эта статья кратко объяснит продвижение Ethereum до настоящего времени, а затем обсудит предстоящий и ожидаемый выпуск сети. Этот выпуск известен как Ethereum 2.0 или Serenity (используется теперь взаимозаменяемо).

Четыре этапа развития Эфириума

Когда сеть Ethereum была впервые запущена в 2015 году, долгосрочная дорожная карта проекта предусматривалась в четыре этапа. Каждый этап определяется набором предложений по улучшению Ethereum (EIP). Это предложения, выдвинутые и одобренные сообществом Ethereum. Предложения создают руководящие принципы для различных клиентов и разработчиков Ethereum. Например, текущий выпуск Ethereum называется Constantinople и был создан на основе четырех EIP, разработанных для повышения безопасности, конфиденциальности и масштабируемости сети. ¹
Первый этап Ethereum назывался Frontier. Выпущенная в 2015 году, это была первая живая версия сети, Frontier позволил пользователям и разработчикам разрабатывать Ether, создавать Dapps и инструменты и экспериментировать с новой платформой. Вторым этапом развития Эфириума была Усадьба. Выпущенный в марте 2016 года, Homestead стал первым производственным выпуском сети Ethereum. Он обеспечил множество усовершенствований протоколов, которые станут основой будущих обновлений и увеличит скорость транзакций. ¹
Третий и нынешний этап развития Эфириума называется Метрополис. Метрополис был разделен на два выпуска: Византия и Константинополь. Byzantium был выпущен в октябре 2017 года и стал легче, быстрее и безопаснее, чем предыдущие версии. Некоторые конкретные обновления включают более предсказуемые цены на газ и более простое программирование для разработчиков. Византия также улучшает конфиденциальность, позволяя разработчикам Ethereum эффективно проверять zk-SNARK в цепочке (краткие неинтерактивные аргументы знания с нулевым знанием). Хотя на первый взгляд аббревиатура zk-SNARKs может показаться сложной, система использует относительно простую концепцию доказательства нулевого знания. Это метод, который может доказать истинность утверждения, не раскрывая ничего, кроме того, что это утверждение пытается доказать. ¹Например, я могу доказать другу, что знаю пароль к моему мобильному телефону, фактически не раскрывая ему этот пароль. Обновление в Византии также обновило настройку майнинга, называемую «бомбой сложности», которая со временем усложнит майнинг в ожидании перехода к системе доказательства кола (подробнее об этом позже). ¹ Константинополь предназначен для дальнейшего развития этих улучшений. Хотя первоначальная дата релиза для Константинополя была назначена на ноябрь 2018 года, руководители и разработчики Ethereum решили отложить его выпуск до 2019 года. ¹ Вилка была наконец выпущена 28 февраля 2019 года на блоке 7 280 000. ²Четвертая и ориентировочно последняя стадия Ethereum стала известной как Ethereum 2.0 или Serenity. Это самое амбициозное обновление, которое должно улучшить практически все аспекты сети. Eth 2.0 предполагается выпустить в четыре этапа между 2019 и 2021 гг., Хотя этот график может быть изменен. Чтобы полностью понять масштабы и важность Eth 2.0, нам сначала необходимо изучить основные проблемы, с которыми сталкивается текущая сеть Ethereum, проблемы, которые Eth 2.0 пытается решить.

Актуальные проблемы, стоящие перед Ethereum

Единственная наиболее важная проблема, с которой в настоящее время сталкивается сеть Ethereum, - это масштабируемость. Сеть Ethereum поддерживает сотни децентрализованных приложений и должна обрабатывать большое количество транзакций в секунду. Добавление большего количества узлов не увеличивает масштабируемость сети, поскольку каждый узел должен проверять каждую транзакцию. Более широкое использование сети Ethereum, включая создание большего количества приложений и выполнение большего количества транзакций, привело к постоянному увеличению времени и стоимости транзакций. Это делает сеть Ethereum более медленной и менее удобной в использовании. В недавнем тесте скорости сеть управляла только 20 транзакциями в секунду (различные источники указали где-то между 12 и 45 транзакциями в секунду за последний год). В сравнении,⁴ Для того, чтобы сеть достигла массового внедрения, усилия по массовому увеличению масштабируемости являются центральными для разработки Ethereum 2.0. После изучения нескольких других вариантов команда Ethereum остановилась на процессе, называемом шардингом, как лучшее решение для масштабирования сети. Решения вне цепочки, такие как плазменные цепочки и каналы состояния, также, вероятно, будут использоваться для снятия нагрузки с основной сети и дальнейшего повышения масштабируемости. Я буду выпускать новые статьи по шардингу и масштабируемости в ближайшие недели. Проверьте их для более подробной информации.
Еще одна важная проблема, которую будет решать Eth 2.0, - это эффективность и экологическая устойчивость. Подобно Биткойну и многим другим сетям блокчейнов, Ethereum в настоящее время полагается на согласованный протокол доказательства работы (PoW) для обеспечения безопасности своей сети. В системах PoW задействован ряд майнеров, которые владеют компьютерным оборудованием, подключенным к сети блокчейнов. Майнеры получают вознаграждение за использование их оборудования в сети. Алгоритм устанавливает целевое значение для каждого нового блока, и майнеры соревнуются, чтобы первыми найти эту цель и добавить новый блок. Для этого они запускают данные заголовка предлагаемого блока вместе со случайным «значением nonce» через хеш-функцию, которая возвращает строку с зашифрованными числами фиксированной длины. Если целевое значение не достигнуто, одноразовый номер изменяется, и хэш-функция перезапускается. Майнеры перезапускают хеш-функцию, пока один из них не сгенерирует хеш-значение, соответствующее указанной цели. На этом этапе новый блок транслируется каждому узлу в сети для проверки и добавления в их регистр, и успешный майнер получает небольшой баланс за свою работу. Основным преимуществом систем PoW является то, что проверка того, принадлежит ли новый блок к цепочке, является очень быстрым и относительно простым процессом. Однако, чтобы обеспечить безопасность сети и предотвратить мошенничество, майнеры обходятся вычислительными средствами в поиске правильного ввода хеш-кода. Это усугубляется тем фактом, что только один майнер найдет правильный хеш, поэтому работа, выполненная всеми остальными, фактически не используется. В результате, консенсус по PoW требует огромного количества вычислительной мощности и электроэнергии и очень неэффективен.
На момент написания каждой транзакции в сети Ethereum потреблялось около 29 киловатт-часов (киловатт-часов), достаточного количества электроэнергии для питания среднего американского домохозяйства в течение 24 часов! Электричество, используемое на рудниках Эфириума, может ежегодно обеспечивать 652 669 американских домохозяйств. Mining Эфириум добывает ежегодно примерно столько же энергии, сколько страна Боливия. Это, очевидно, серьезная проблема. Непомерно большое количество энергии, необходимое для протокола PoW от Ethereum, снижает прибыльность майнинга и имеет серьезные негативные последствия для окружающей среды и долгосрочной устойчивости системы. ⁵
Протоколы PoW важны, потому что они позволили создать ранние сети блокчейна, но они очень неэффективны. Они также подвержены рыночной монополизации, потому что дают несправедливые преимущества субъектам с большим объемом ресурсов. Богатые и влиятельные люди и организации могут позволить себе большее количество гораздо более быстрых и мощных компьютеров, что дает им гораздо больше шансов успешно решить каждую криптографическую головоломку и получить вознаграждение. Например, около 65% майнинга биткойнов делают 5 майнинговых групп, которые теоретически могут объединиться, чтобы контролировать более 50% рынка. Биткойн-майнеры используют дорогие и специализированные специализированные интегральные схемы (ASIC), которые привели к индустриализации и частичной централизации майнинга биткойнов. Поскольку майнинг Ethereum обычно проводится с использованием графических процессоров (GPU), которые можно найти во многих домашних компьютерах, риск централизованного майнинга здесь не так велик, как в биткойнах. Тем не менее, ASIC недавно были выпущены для Ethereum, и Ether mining все еще находится под угрозой централизации и монополизации из-за протокола PoW, на который он в настоящее время опирается. Это создало ситуацию, когда Биткойн, Эфириум и другие сети блокчейнов не настолько децентрализованы, как предполагалось изначально, что ставит под угрозу их независимость и полезность. Eth 2.0 предназначен для перехода сети от протокола проверки работоспособности к протоколу проверки доли (PoS) под названием Casper, который стремится решить эту проблему эффективности и устойчивости. Этот переход будет становиться все более важным в связи с корректировкой сложности добычи бомбы, которая была введена в 2017 году благодаря обновлению Византии Бомба сделает добычу Эфира все более и более трудной, пока она в конечном счете не станет невозможной.⁶ Это устройство было введено в ожидании перехода Серенити в от ПР к PoS и еще одна причина , почему обновление так важно для сообщества Эфириума. Для более подробного объяснения Casper и доказательства кола, проверьте эту статью .
Последняя важная проблема, которую будет решать Eth 2.0, - это скорость и удобство использования. Это связано, но не с вопросом масштабируемости, который будет решаться с помощью шардинга. Введение сегрегации должно устранить наиболее существенные узкие места в скорости транзакций и пропускной способности, но еще одно узкое место вызвано самой виртуальной машиной Ethereum (EVM). EVM - это основная структура Ethereum, которая выполняет код и позволяет сети функционировать правильно. EVM отвечает за внутреннее состояние сети Ethereum и за все ее вычисления. EVM также гарантирует, что следующее является точным: информация об учетной записи, такая как остатки, текущая цена на газ, адреса и информация о блокировке. Кроме того, машина должна отслеживать следующие компоненты: информация о блоке, состояние хранения,⁷ Виртуальная машина также работает со всеми умными контрактами Ethereum, написанными в Solidity / Vyper и скомпилированными в уникальный байт-код EVM. Затем контракты выполняются каждым узлом в сети. ⁴
Поскольку он отвечает за многие важные аспекты сети Ethereum, скорость, с которой виртуальная машина способна выполнять задачи, оказывает значительное влияние на общую скорость и удобство использования самой сети. Advanced Решение этой проблемы, созданное в Eth 2.0, называется Ewasm (Ethereum wasm). Wasm - это открытый стандартный набор инструкций W3C Community Group, который в настоящее время разрабатывается инженерами из Google, Mozilla, Microsoft и Apple. В дополнение к увеличению скорости и пропускной способности, Ewasm повысит безопасность и удобство использования сети Ethereum, а также предоставит ряд других преимуществ. Я выпущу статью, которая исследует детали Ewasm в ближайшие несколько недель, следите за обновлениями!

Дополнительные цели Eth 2.0

Как мы теперь знаем, Ethereum 2.0 предназначен для решения основных проблем современного Ethereum. Однако инновация не останавливается на достигнутом. Спокойствие также строится, чтобы удовлетворить несколько более общих целей дизайна. Из-за множества новых и сложных систем, которые появятся в результате внедрения Casper и Sharding, одна из главных целей разработки Eth 2.0 - максимально снизить сложность сети, даже если это приводит к некоторой потере эффективности. Это возможно, потому что значительное увеличение пропускной способности и эффективности, допускаемое Sharding, Casper и Ewasm, перевесит небольшое снижение эффективности, чтобы уменьшить дополнительную сложность, необходимую для этих же систем. ⁸Еще одна важная цель разработки - использовать методы криптографии и проектирования, которые позволяют участвовать большому набору валидаторов, как в сумме, так и в расчете на транзакцию. Третья цель в том же духе - создать систему, которая позволяет стандартному потребительскому ноутбуку обрабатывать и проверять отдельный осколок. Обе эти цели предназначены для обеспечения того, чтобы сеть оставалась безопасной и децентрализованной.
В дополнение к решению конкретных проблем и решению более общих проблем, Serenity имеет две долгосрочные цели проектирования, созданные в ожидании потенциальных проблем, которые могут возникнуть в будущем. Первый заключается в том, чтобы спроектировать релиз таким образом, чтобы сеть могла оставаться активной в случае большого раздела или если очень большой процент узлов одновременно отключается. В своем выступлении на Devcon 2018 разработчик Ethereum Джастин Дрейк объяснил, как команда хочет, чтобы Eth 2.0 смог «пережить третью мировую войну» или в аналогичной ситуации, когда до 80 процентов узлов одновременно отключаются. ⁹Это также будет важно в других, менее экстремальных ситуациях. Например, одна или несколько крупных катастроф, связанных с изменением климата, могут выбить большую часть узлов в течение нескольких часов, или такая крупная держава, как Китай или Соединенные Штаты, может принять решение о запрете Ethereum и других сетей блокчейнов и попытаться устранить узлы в их страна.
Другая непредвиденная ситуация, которую ожидает Eth 2.0, - это появление квантовых вычислений. В настоящее время между Соединенными Штатами, Китаем и другими крупными державами и корпорациями идет технологическая гонка, которая первой изобрела серийный квантовый компьютер. На данный момент вопрос не в том, а когда. Когда бы они ни появлялись, квантовые компьютеры будут экспоненциально более мощными, чем даже самые продвинутые традиционные компьютеры. Это сделает большую часть существующей кибербезопасности, включая технологии шифрования и блокчейна, относительно беззащитной и легко взломанной. Поэтому важно, чтобы новые и будущие сети блокчейнов делали все возможное (в рамках традиционных бинарных вычислений) для защиты от случайности квантовых компьютеров. Конечная цель разработки Eth 2.0, изложенная в репозитории Ethereum github:⁸

Чего ожидать от спокойствия

Это все очень увлекательно, но когда Eth 2.0 действительно будет запущен? К сожалению, ответ остается ... мы не знаем! Однако в своем выступлении на Devcon 2018 Виталик сказал, что Serenity «на самом деле не так далеко». Он также объяснил, что «Ethereum 2.0 - это комбинация множества различных функций, о которых мы говорили в течение нескольких лет, исследований в течение нескольких лет, активного построения в течение нескольких лет, которые, наконец, собираются объединиться в единое целое. » ¹⁰ Уильям Suberg , кажется, согласны , что Serenity находится на завершающей стадии разработки и тестирования , когда он пишет о «окончательных настроек» до «большого старта.»
Кажется, что фаза 0 Eth 2.0 находится на заключительной стадии разработки и тестирования, но все еще точно не известно, сколько еще нам придется ждать до ее выпуска. Мы знаем, что Serenity разрабатывается отдельно от текущей основной цепи Ethereum и поначалу будет работать параллельно с ней. Позже, текущий блокчейн Ethereum будет включен в новый, возможно, в виде единого массивного умного контракта. ⁴Мы также знаем, что когда будет выпущен Eth 2.0, он будет развернут в четыре последовательных этапа. Фаза 0 будет иметь систему PoS с цепочкой маяков. Он пока не поддерживает Dapps, но заложит основу для следующих этапов. Фаза 1 будет поддерживать Dapps и вводить осколки в качестве цепочек данных. Сетевые данные будут разделены на сегменты, но состояние сети будет по-прежнему храниться в более старой цепочке блоков Ethereum и пока не будет сегментировано. Фаза 2 будет полностью защищена, позволит выполнить состояние и разрешить умные контракты. На данный момент Eth 2.0 будет иметь все основные функции, обсужденные выше. Этап 3 и далее будет состоять из итерации, улучшения и дополнительных технологий. ¹⁰После того, как каждая фаза будет реализована, ожидается, что Eth 2.0 будет обладать следующими функциями: полностью оголенный блокчейн, протокол чистого PoS-согласования, более быстрое время синхронного подтверждения - около 8–16 секунд и «экономическая окончательность», которую можно достичь за 10–20 минут , Ital Виталик считает Serenity «мировым компьютером, каким он и должен быть». Я надеюсь, что вы так же, как и я, рады выпуску Eth 2.0.
Источник: https://medium.com/chainsafe-systems/ethereum-2-0-a-complete-guide-d46d8ac914ce