CO ZNAMENÁ ŠKÁLOVÁNÍ V BLOCKCHAINU A PROČ JE TO NÁROČNÉ?

Co je škálování blockchainu?

Škálování v kontextu blockchainu označuje schopnost blockchainové sítě zpracovávat rostoucí počet transakcí nebo rostoucí uživatelskou základnu bez kompromisů v oblasti výkonu, zabezpečení nebo decentralizace. Základním cílem škálování je zvýšit propustnost (transakce za sekundu), snížit latenci a kontrolovat náklady spojené s využíváním sítě, zejména s rostoucím zaváděním.

Například Bitcoin, původní blockchainová síť, dokáže zpracovat přibližně 7 transakcí za sekundu (TPS), zatímco Ethereum, přední platforma pro chytré smlouvy, zpracovává zhruba 15–30 TPS. Naproti tomu tradiční platební systémy, jako je Visa, dokáží zpracovat přes 24 000 TPS. Tento obrovský rozdíl ukazuje na problém škálovatelnosti, kterému technologie blockchain čelí.

Existují dvě široké kategorie přístupů ke škálování:

• Škálování v rámci řetězce: Provádění změn v hlavním blockchainovém protokolu, aby se umožnilo více transakcí za sekundu. To může zahrnovat zvětšení velikosti bloku, zkrácení doby blokování nebo změnu konsenzuálních algoritmů.
• Mimořetězcové škálování: Přesunutí zpracování transakcí na pomocné systémy nebo sekundární vrstvy, které interagují s hlavním blockchainem, ale fungují nezávisle, aby se zvýšila celková propustnost.

Efektivní škálování by mělo zachovat bezpečnost a decentralizaci blockchainu. To však představuje značnou technickou výzvu, protože změny v jednom aspektu mohou ohrozit ostatní, což vede k tzv. „trilematu škálovatelnosti“.

Trilema škálovatelnosti

Trilema škálovatelnosti, které zavedl spoluzakladatel Etherea Vitalik Buterin, předpokládá, že blockchainové systémy mohou dosáhnout maximálně dvou z následujících tří vlastností současně:

• Decentralizace: Stejná účast nezávislých uzlů bez závislosti na centrálních autoritách.
• Bezpečnost: Ochrana před útoky nebo manipulací.
• Škálovatelnost: Schopnost efektivně zpracovávat větší objemy transakcí.

Obtíž spočívá v optimalizaci všech tří aspektů. Zvýšení propustnosti může zahrnovat větší bloky, což prospívá škálovatelnosti, ale často to vyžaduje větší výpočetní výkon, centralizaci účasti uzlů a oslabení decentralizace. Podobně může přidání dalších kroků pro dosažení konsensu posílit bezpečnost, ale potenciálně snížit škálovatelnost.

Vzhledem k tomu, že se blockchain využívá napříč odvětvími – od financí až po dodavatelské řetězce – je řešení problému škálovatelnosti prvořadé. Vývojáři a výzkumníci aktivně zkoumají inovativní metody škálování blockchainových sítí při zachování jejich základních hodnot.

Proč je škálování blockchainu tak obtížné?

Škálování blockchainové sítě je ze své podstaty obtížné kvůli základním konstrukčním rozhodnutím, která upřednostňují decentralizaci a bezpečnost. Tyto konstrukční principy, které nabízejí některé z největších výhod blockchainu – jako je neměnnost a nedůvěryhodnost – také vytvářejí omezení v rychlosti zpracování a ukládání dat.

1. Konsenzuální mechanismy

Srdcem každé blockchainové sítě je konsenzuální mechanismus neboli metoda, kterou se účastníci dohodnou na stavu účetní knihy. Populární mechanismy jako Proof of Work (PoW) a Proof of Stake (PoS) vyžadují buď intenzivní výpočetní, nebo distribuované validační úsilí, aby se zajistila legitimnost všech transakcí.

Tyto mechanismy sice chrání před podvody a manipulací, ale také zavádějí latenci. V případě Bitcoinu je průměrná doba bloku 10 minut, což omezuje rychlost dokončení transakcí. Zvětšení velikosti bloku pro větší počet transakcí může pomoci, ale také zatěžuje uzly větším množstvím dat, odrazuje od účasti a potenciálně centralizuje kontrolu.

2. Šíření v síti

Další překážkou je čas potřebný k šíření nových bloků v celé síti. V decentralizovaných systémech musí uzly komunikovat napříč rozptýlenými geografickými oblastmi. Šíření větších bloků trvá déle, což zvyšuje pravděpodobnost osiřelých bloků a problémů s konsensem, což ohrožuje spolehlivost a efektivitu.

3. Požadavky na úložiště dat a uzly

Data blockchainu jsou redundantně uložena na každém plném uzlu. S růstem blockchainu rostou i požadavky na úložiště a šířku pásma pro provoz uzlu. Bez pečlivého vyvážení to vede k tomu, že méně lidí může uzly provozovat, což opět ohrožuje decentralizaci. Například Ethereum zavedlo návrhy na „státní nájemné“, které řeší problémy s nadměrným ukládáním dat, které brání škálování.

4. Zpětná kompatibilita a forkování

Implementace vylepšení škálovatelnosti obvykle vyžaduje změnu základního protokolu blockchainu. Tyto změny často vedou k „hard forkům“, které rozdělují stávající řetězec a ekosystém. To může způsobit zmatek, fragmentaci a ztrátu konsensu komunity. Udržování zpětné kompatibility při implementaci škálovatelných upgradů je i nadále významnou výzvou.

5. Bezpečnostní zranitelnosti

Snahy o škálování mohou neúmyslně zavést další vektory útoku. Například řešení vrstvy 2, jako jsou sidechainy a rollupy, fungují částečně mimo řetězec a mohou zdědit slabší bezpečnostní předpoklady než hlavní řetězec. Zajištění širší škálovatelnosti bez zvýšení zranitelnosti systému je pro vývojáře neustálým problémem.

Stručně řečeno, každý pokus o škálování blockchainového řešení musí procházet sítí kompromisů. Ať už prostřednictvím optimalizace protokolu nebo off-chain řešení, vývojáři musí zachovat pilíře blockchainu – bezpečnost a decentralizaci – a zároveň zlepšit výkon v globálně distribuovaném prostředí. Žádné jednotné řešení není vhodné pro všechny sítě, a proto existuje rozmanitost strategií napříč různými platformami.

Řešení pro škálovatelnost blockchainu

Vzhledem k nastíněným výzvám vývojáři zvolili mnohostranné přístupy ke škálování blockchainových sítí. Tato řešení se zaměřují na problematická místa, jako je objem transakcí, efektivita konsensu a ukládání dat. Obecně se dělí na metody škálování v řetězci a mimo řetězec, stejně jako na hybridní modely.

1. Řešení vrstvy 2

• Stavové kanály: Ty umožňují dvěma stranám provádět transakce mimo řetězec a do hlavního řetězce odesílat pouze konečný výsledek, což výrazně snižuje přetížení. Mezi příklady patří Lightning Network od Bitcoinu a Raiden Network od Etherea.
• Plasma a Rollupy: Plasma chains fungují jako poloautonomní podřízené řetězce, které sdružují transakce před jejich vypořádáním v hlavním řetězci. Rollupy (optimistické nebo s nulovými znalostmi) komprimují data transakcí a zpracovávají je mimo řetězec, zatímco důkazy ukládají v řetězci. Tím se udržuje bezpečnost a zlepšuje propustnost.

Možnosti vrstvy 2 jsou stále více upřednostňovány, protože umožňují významné zvýšení kapacity transakcí bez změny základního protokolu.

2. Sharding

Sharding zahrnuje rozdělení blockchainu na menší části neboli „shardy“, z nichž každá je schopna zpracovávat své transakce a chytré smlouvy. Shardy, koordinované hlavním řetězcem, se mohou lineárně škálovat s velikostí sítě. Ethereum 2.0 si představuje sharding jako centrální funkci škálovatelnosti; implementace je však složitá a probíhá průběžně.

3. Alternativní konsenzuální mechanismy

Některé novější blockchainy přijímají konsenzuální modely, které ze své podstaty nabízejí lepší škálovatelnost:

• Delegated Proof of Stake (DPoS): DPoS, používaný EOS a Tron, se spoléhá na omezenou sadu validátorů, čímž zvyšuje rychlost transakcí, i když se sníženou decentralizací.
• Proof of History (PoH): PoH, využívaný společností Solana, umožňuje rychlé řazení transakcí a zvyšuje propustnost.

Tyto mechanismy se snaží vyvážit bezpečnost a škálovatelnost, i když každý z nich má svá omezení a centralizační rizika.

4. Prořezávání blockchainu a efektivita úložiště

Kompletní blockchainové archivy jsou rozsáhlé a vyžadují vysokou úložnou kapacitu. Techniky prořezávání – odstranění nepotřebných nebo historických dat – mají za cíl usnadnit uzlům zapojení. Některé blockchainy také zkoumají modely klientů bez stavu, kde jsou pro validaci potřeba pouze data o aktuálním stavu, což snižuje celkovou zátěž.

5. Interoperabilita a vedlejší řetězce

Využitím vedlejší řetězců – paralelních blockchainů propojených s hlavním řetězcem – lze rozdělit transakční zátěž. Například Polygon nabízí vedlejší řetězce kompatibilní s Ethereum, které odlehčují výpočetní a úložné zátěže. Protokoly interoperability, jako jsou Polkadot a Cosmos, usnadňují transakce napříč řetězci a vytvářejí škálovatelný ekosystém s více řetězci.

6. Závěry a cesta vpřed

Žádné jednotné řešení neřeší škálovatelnost blockchainu. Pokrok je iterativní a často vyžaduje kompromisy. Přední platformy, jako je Ethereum, postupně implementují sharding a rollupy, zatímco alternativní blockchainy zkoumají nové architektury. Mezitím vědci pokračují ve zkoumání inovací, od účetních knih založených na DAG až po ověřování transakcí s pomocí umělé inteligence.

Schopnost blockchainů efektivně se škálovat nakonec určí, jak široce budou přijaty v globálním obchodu, financích a dalších oblastech. Škálovatelnost zůstává jak technickou překážkou, tak i příležitostí k přetvoření digitální infrastruktury s decentralizovanými systémy.