Виталик о «криптографическом мировом компьютере»: эволюция парадигмы от whitepaper биткоина к Ethereum

Автор: Виталик Бутерин

Перевод: Saoirse, Foresight News

Примечание редактора: Эта статья — расширенная письменная версия основного доклада Виталика на Шанхайской международной блокчейн-неделе. На основе выступления автор добавил множество сравнительных рассуждений и технических таблиц, системно объясняя, как Ethereum эволюционирует от традиционного реестра к «криптографическому мировому компьютеру», анализируя фундаментальные изменения, такие как PoS, ZK-доказательства и PeerDAS, рассматривая техническую дорожную карту после форка Hegota и исследуя новую парадигму баланса между децентрализацией, приватностью и масштабируемостью.

Мы называем Ethereum «блокчейном», как будто по своей сути он относится к тому же типу технологий, что и биткоин, созданный Сатоши Накамото в 2009 году. Во многих отношениях они действительно похожи, и даже будущий «упрощённый Ethereum», построенный по плану Strawmap, сохранит ключевые характеристики блокчейна. Но в то же время эта технология за последние пятнадцать лет претерпела огромную эволюцию и продолжит итеративно развиваться в ближайшие три года. К тому времени будет вполне обоснованно называть формирующуюся форму Ethereum системой совершенно иного характера.

Сегодняшний Ethereum обладает универсальными вычислениями, механизмом доказательства доли, ончейн-приложениями с доказательствами с нулевым разглашением, а также сетями второго уровня для масштабирования и защиты приватности. Будущий Ethereum сможет гибко регулировать вычислительную мощность между экстремальной масштабируемостью и полной универсальностью; будет иметь несколько моделей построения блоков с участием многих сторон, глубоко оптимизированное доказательство доли, а доказательства с нулевым разглашением будут встроены в базовый протокол и играть ключевую роль.

В этой статье мы рассмотрим некоторые из наиболее важных фундаментальных различий между блокчейнами 2010-х и 2030-х годов как на техническом уровне, так и на уровне системных характеристик, доступных пользователям.

Сначала мы по разделам изучим оригинальный whitepaper биткоина и сравним его с Ethereum, используя жёлтый цвет для Ethereum 2015 года, зелёный — для 2025 года и синий — для 2030 года.

Эта диаграмма адаптирована из схемы транзакций в статье Сатоши Накамото о биткоине. Она показывает классическую модель передачи с цепочкой подписей и отмечает, что новая схема может агрегировать подписи вне цепи, отправляя в блокчейн только одну запись, а также часто заменяет традиционные подписи доказательствами с нулевым разглашением.

Эта диаграмма сравнивает механизм PoW биткоина с PoS Ethereum после 2022 года: раньше нужно было постоянно перебирать nonce для поиска подходящего хеша, и блок производился одним участником, теперь используются подписи валидаторов, а в будущем с помощью FOCIL будет реализовано совместное построение блоков с разделением ролей между несколькими участниками, при этом компоненты, связанные с транзакциями, такие как подписи и доказательства, будут разделяться и агрегироваться в мемпуле.

Эта диаграмма извлекает шестишаговый процесс работы сети из whitepaper биткоина и указывает, что его исходная конструкция не имеет агрегации мемпула, распределённого построения блоков и анонимизации отправителя, а также объясняет улучшения PoS и PeerDAS в Ethereum: построение блоков отделено от выбора форка, узлам нужно загружать лишь небольшую часть блока, а параллельные доказательства снижают задержку консенсуса.

Эта диаграмма сравнивает предложенную в whitepaper биткоина схему обрезки дерева Меркла с новой стратегией хранения Ethereum: биткоин может удалять потраченные транзакции, освобождая место на диске, а будущий Ethereum дополнительно сокращает хранение за счёт разделения состояния и истории, доказательств SNARK, а также вводит распределённое хранение состояния и оптимизацию с использованием разнообразных носителей.

Эта диаграмма интерпретирует подход к приватности из whitepaper биткоина: анонимность только за счёт открытых ключей скрывает личность, но суммы транзакций публичны, и такая схема недостаточна при современном анализе данных, тогда как ZK-SNARK, FOCIL и EIP-8288 могут обеспечить более сильную программируемую приватность, при этом также необходимо решать проблемы приватности чтения запросов и приватности сетевой трансляции.

Почти в каждом разделе whitepaper происходят огромные изменения. Для краткости мы свели их в следующую таблицу:

Почти все ключевые атрибуты, входящие в понятие блокчейна, либо уже претерпели фундаментальные изменения, либо вскоре столкнутся с изменениями на базовом уровне:

• Механизм проверки: загрузка и повторное выполнение → сэмплирование PeerDAS и проверка SNARK
• Механизм консенсуса: доказательство работы → доказательство доли → глубоко оптимизированное доказательство доли
• Право на построение блока: блок генерируется одним майнером → блок строится совместно несколькими сторонами

Говоря языком ИИ, единственный объективно достоверный вывод (ладно, это и есть основная мысль): современные криптографические сети, такие как Ethereum после завершения упрощённого апгрейда, называются «блокчейнами» во многом лишь по историческим причинам. На самом деле это гибридная архитектура, объединяющая две системы:

1. Ключевые идеи Сатоши
2. Новые мощные криптографические инструменты, появившиеся в результате пятидесяти лет академических исследований, которые в 2009 году либо ещё не существовали, либо были незрелыми

Сколько криптографии на самом деле скрыто в криптосистеме? Сравнение 2009, 2020 и 2030 годов

Криптография — не единственная ключевая дисциплина. Формальная верификация, теория баз данных, улучшения теории P2P-сетей, теория информации, экономика и другие области не менее важны. Но все эти технологии совместимы с базовой логикой: все пытаются сгенерировать следующий блок с действительным доказательством работы, кто-то один добивается успеха и транслирует его, остальные загружают блок и повторно выполняют его, и так по кругу. Изменения на уровне криптографии — совсем другое дело.

Итак, что всё это значит для пользователей? Самый важный вывод: измерения компромиссов, которые приходится делать пользователям, кардинально меняются:

При разработке приложений структура вычислений становится критически важной. В простом блокчейне байт — это байт, а единица газа — это единица газа. В будущей архитектуре: если вы запихнёте все вычисления в одну транзакцию, которую трудно разбить и которая выполняется последовательно, стоимость того же объёма вычислений будет намного выше; но если разбить вычисления на хорошо изолированные независимые задачи, поддерживающие параллелизм или допускающие раннее отсечение, и желательно выполнить предварительную обработку до того, как транзакция попадёт в финальный блок, стоимость значительно снизится. Это изменит стимулы разработчиков, и со временем архитектура всех приложений Ethereum изменится соответствующим образом: в долгосрочной перспективе, возможно, сформируется новая парадигма программирования — в блокчейн попадает только ключевая информация, описывающая некоммутативные изменения состояния и порядок выполнения, а все остальные данные агрегируются до включения в блок.

Разумная организация вычислений позволяет блокчейну сосредоточиться на своих ключевых задачах

Пожалуй, самый значительный сдвиг заключается в том, что децентрализованная природа сети больше не является лишь бременем для производительности, которое приходится нести ради безопасности и надёжности; в некоторых ограниченных сценариях сама децентрализация может стать преимуществом с точки зрения производительности. Децентрализованная сеть может параллельно хранить огромные объёмы данных; многие вычисления могут выполняться параллельно, причём значительная их часть — прямо в мемпуле транзакций. В некоторых сценариях децентрализация также повышает приватность, поскольку только децентрализованная сеть может эффективно скрывать метаданные (например, источники данных и запросов).

Ещё в середине 2010-х годов это было ранним видением Ethereum: децентрализация нужна не только для повышения надёжности, но и для повышения масштабируемости. Централизованные системы могут повышать производительность, разделяя задачи между несколькими участниками, и блокчейн может делать то же самое. Тогда эту идею не удалось реализовать, и главным узким местом был механизм проверки. После разделения задач необходимо проверить, что каждая подзадача выполнена правильно. Ранние решения пытались использовать комитеты со случайной выборкой, но все они сталкивались с одним и тем же узким местом: во-первых, развёртывание комитетов сложно, дорого и значительно увеличивает задержку; во-вторых, если комитет выходит из строя, нет средств восстановления. Сегодня благодаря современной криптографии эта проблема решена, а дополнительные накладные расходы этого подхода снижаются с каждым месяцем.

Ещё одно направление, где децентрализация может улучшить производительность, заслуживающее внимания, — это задержка. Задержка самого Ethereum никогда не сравнится с централизованными серверами, но инфраструктура, построенная поверх Ethereum, может это сделать.

В целом, создание мощного децентрализованного промежуточного слоя между пользователями и основной цепью (сам этот слой не является блокчейном) может значительно расширить возможности Ethereum, не нарушая ключевых характеристик базового блокчейна.

Если смотреть ещё дальше в будущее, Ethereum может ожидать новый виток изменений — возможно, наберёт силу обфускация программ (iO). Конечная цель этой области: зрелая и пригодная к использованию технология обфускации может устранить компромисс между приватностью и универсальностью. Можно будет реализовать полностью универсальные вычисления с участием неограниченного числа (асинхронных) участников в полностью безопасной зашифрованной форме. Даже ослабленные версии обфускации имеют множество сценариев применения, например, зашифрованный мемпул транзакций. Но все выводы, представленные в этой статье, справедливы ещё до внедрения этой технологии.

Это и есть криптографический мировой компьютер: Ethereum больше не просто реестр, в который разработчики могут произвольно записывать вычислительные задачи и данные и выполнять их; новая архитектура объединяет блокчейн, криптографическую приватность, криптографическую верификацию и мощные децентрализованные офчейн-компоненты в единое целое.

Для полной реализации этой конструкции всё ещё существует множество проблем. Сделать доказательства с нулевым разглашением достаточно эффективными и безопасными непросто, но это относится к инкапсулированным сложным проблемам, которые уже массово оптимизируются с помощью инструментов ИИ. Более сложной и системно более комплексной задачей, вероятно, является управление огромным состоянием и параллельный доступ к нему. Уже появилось немало идей для решений, но их ещё нужно постоянно дорабатывать, особенно по мере того, как мы будем лучше понимать, какие приложения будут работать в будущем.

Если посмотреть на дорожную карту Strawmap, можно заметить, что запланированный на следующий год хардфорк Hegota, скорее всего, станет последним «обычным хардфорком» Ethereum, и его функции и технологии всё ещё будут знакомы разработчикам 2015 года. Все апгрейды после Hegota будут включать рекурсивные STARK, автоматизированную формальную верификацию, высокооптимизированные алгоритмы консенсуса и полную квантово-устойчивую модернизацию системы. Внедрение PeerDAS ознаменует начало трансформации Ethereum: от простого блокчейна к гораздо более мощной системе. После апгрейда Hegota эта трансформация станет главной линией развития Ethereum. Конечная цель: реализовать высокозащищённую вычислительную систему, которая по сравнению с технологиями предыдущего поколения будет дешевле, масштабируемее и лучше защищать приватность. Это и есть криптографический мировой компьютер.