Данные говорят о том, что Lightning Network решила проблему масштабируемости

Многие биткоинеры слышали об «отсутствии масштабируемости» Биткоина – это одно из самых распространенных критических замечаний, выдвигаемых против проекта как неутомимыми конкурентами криптовалюты, так и действующими деятелями истеблишмента.

Некоторые старожилы, возможно, помнят ожесточенные и полные споров войны за размер блока с 2015 по 2017 год, которые, при содействии инсайдеров отрасли, очень поверхностно были направлены на то, чтобы заставить Биткоин масштабироваться для большего количества транзакций за счет увеличения максимального размера блока – и тем самым почти создали прецедент и навсегда изменили будущий курс Биткоина.

В итоге окажется, что такой подход был не верным. В этой статье мы рассмотрим, как Lightning Network решает проблемы масштабируемости Биткоина и, несомненно, доказывает, что решение о малых блоках было в итоге правильным.

Ограничения и варианты базового уровня

Прежде чем мы разберемся, что решает Lightning Network, мы должны сначала понять, в чем заключается внутренняя проблема. Проще говоря, нельзя масштабировать блокчейн для децентрализованной проверки транзакций всего мира.

Блокчейны страдают от присущих им ограничений, вынуждающих их искать компромисс между тремя качествами – одно качество их системы должно идти на пользу двум другим. Как показано выше, блокчейн может стабильно обладать только двумя из этих трех качеств:

• Децентрализован: не контролируется какой-либо одной стороной или небольшим числом представителей элит.
• Масштабируемый: масштабирование до достаточного количества транзакций
• Безопасный: нелегко атаковать и сломать его инварианты

Стоит отметить, что все эти характеристики находятся в отдельных сложных спектрах. Например, «безопасность» не наступает выше определенного порога, все очень зависит от варианта использования и множества различных характеристик.

Биткоин медленный не просто так. Он явно сделал выбор в пользу оптимизации разделов «безопасность» и «децентрализация» трилеммы, оставив «масштабируемость» (количество транзакций в секунду) в стороне.

Ключевым моментом является то, что, как и в случае с сегодняшним Интернетом и финансовой системой, более оптимально включать всю систему из отдельных слоев, где каждый слой оптимизируется и используется для разных целей.

Биткоин, базовый уровень, представляет собой глобально реплицированный публичный реестр – каждая транзакция транслируется каждому участнику сети. Очевидно, что практически невозможно масштабировать такой реестр, чтобы приспособиться к растущей скорости транзакций во всем мире. Помимо того, что он непрактичен и наносит ущерб конфиденциальности, его недостатки значительно перевешивают его незначительные преимущества.

Когда-то в онлайн-сообществе возник крупный раздор из-за того, что Биткоину нужно сделать, чтобы увеличить пропускную способность транзакций. В этой истории есть серьезные, приводящие в бешенство противоречия, и в значительной степени это то, что сформировало Биткоин как он есть сегодня – массовым, восходящим движением, где обычные люди (плебеи) совместно диктуют правила сети.

«Война за размер блока» Джонатана Бира иллюстрирует битву между сторонниками децентрализованной сети, желающими лучшего для долгосрочной жизнеспособности сети, и жадностью и пропагандой крупных игроков и корпораций для дальнейшего получения власти и прибыли.

Короче говоря, Биткоин ответвился в неудачный форк под названием Bitcoin Cash.

Биткоин не торопился с плохим выбором дизайна, который мог поставить под угрозу его децентрализацию, безопасность или устойчивость к цензуре. Было фактически принято решение масштабировать Биткоин по уровням, вводя вторые уровни, которые работают отдельно от Биткоина и пересылают свое состояние в основную, более медленную, но более безопасную сеть.

Напротив, явно неудачный форк Bitcoin Cash пожертвовал всеми надеждами на децентрализацию, увеличив размер своего блока до 32 мегабайт, что в 32 раза больше, чем у Биткоина, всего за 50 платежей в секунду в базовой цепочке.

Размер блока

Каждый Биткоин-блок имеет ограничение по размеру, и это обозначает верхнюю границу того, сколько транзакций может существовать внутри блока. Если спрос превышает количество транзакций, которые может иметь блок, блок переполняется, и транзакции остаются неподтвержденными в мемпуле. Пользователи пытаются перебить регулируемую комиссии за транзакцию, чтобы их транзакция была включена майнерами, заинтересоваными в выборе наиболее высокооплачиваемых транзакций.

Наивным решением было бы просто увеличить лимит размера блока, то есть разрешить включать в блок больше транзакций. Негативные побочные эффекты этого настолько незаметны, что даже такие интеллектуалы, как Илон Маск, делают ошибку, предлагая это.

Увеличение размера блока имеет эффекты второго порядка, которые снижают децентрализацию сети. По мере роста размера блока стоимость запуска узла в сети увеличивается.

В Биткоине каждый узел должен хранить и проверять каждую транзакцию. Кроме того, указанная транзакция должна быть распространена среди одноранговых узлов, что увеличивает требования к пропускной способности сети для поддержки большего количества транзакций. Чем больше транзакций, тем больше растут требования сети к обработке (ЦП) и хранилищу (диску) для каждого узла. Поскольку запуск узла не приносит финансовых выгод, стимул запускать его непропорционально уменьшается по мере того, как он обходится дороже.

Чтобы представить это в цифрах, если Биткоин когда-либо масштабируется до предполагаемых пиковых уровней пропускной способности Visa (24 000 транзакций в секунду), узлу потребуется 48 мегабит в секунду (Мбит/с) только для приема транзакций по сети. Ниже представлена карта, показывающая среднюю скорость интернета в мире:

Как видите, средняя скорость в мире исключает возможность запуска узла в этих условиях. Обратите внимание, что средняя скорость подразумевает, что многие находятся даже ниже указанного порога. Кроме того, здесь не учитывается тот факт, что пользователь будет еще как-то использовать пропускную способность – немногие бескорыстные люди будут выделять 50% своей пропускной способности в Интернете для узла Биткоина.

Что еще более важно, объем генерируемых данных – 518 гигабайт в день или 190 терабайтам в год – сделает практически невозможным их хранение.

Кроме того, для запуска нового узла потребуется загрузить все эти петабайты данных и проверить каждую подпись – и то, и другое приведет к тому, что запуск нового узла займет много времени (годы).

И что еще хуже, 24 000 транзакций в секунду сами по себе не создают действительно уникальную глобальную платежную сеть. Visa – не единственная платежная сеть в мире, и с каждым днем мир становится все более взаимосвязанным.

Сеть Lightning 101

Сеть Lightning – это отдельная сеть второго уровня, которая работает поверх основной сети Биткоина. Проще говоря, она группирует Биткоин-транзакции.

Чтобы получить к ней доступ, вам нужно запустить свой собственный узел или использовать чужой. В сети есть две концепции, которые нужно понимать:

• Узел Lightning: отдельное программное обеспечение, которое взаимодействует друг с другом и образует новую одноранговую сеть.
• Каналы: соединение, открытое между двумя узлами Lightning, позволяющее осуществлять платежи между ними.

Канал буквально представляет собой транзакцию базового уровня Биткоина, привязывающую канал к безопасной цепочке.

Как только два узла открывают канал между собой, начинается обмен платежами между ними. Каждый последующий платеж изменяет состояние канала, криптографически отменяя старое и помечая новое в памяти и на диске обоих узлов, но не в базовой цепочке.

Каналы могут и, на мой взгляд, в идеале должны оставаться открытыми в течение длительного времени (например, год или более). Если узлы когда-либо решат закрыть свой канал, их последний баланс после всех офчейн платежей будет восстановлен в их исходных кошельках. Это криптографически защищено хэшированными контрактами с временной блокировкой (HTLC) и цифровыми подписями, которые мы не будем подробно рассматривать в рамках этой статьи.

Это позволяет объединять миллиарды платежей в две ончейн-транзакции – одну для открытия канала и одну для его закрытия. После того как платеж завершен, последний баланс между всеми сторонами становится бесспорным (при условии, что узлы избыточно хранят свои контрольные точки канала).

Это критически важно, что не нужно напрямую подключаться к другой стороне, чтобы заплатить ей – каналы могут использоваться другими узлами в сети для повышения их доступности. Другими словами, если Элис подключена к Бобу, а Боб подключен к Кэролайн, Элис и Кэролайн могут беспрепятственно платить друг другу через Боба.

Масштабируемость Lightning

Как мы сейчас докажем, сеть Lightning уже сегодня масштабируется для поддержки 16 264 транзакций в секунду и, следовательно, решает проблему масштабируемости, сохраняя при этом все преимущества, которые может предложить Биткоин – отсутствие разрешения, дефицит, суверенитет пользователя, переносимость, проверяемость, децентрализация и устойчивость к цензуре.

Чтобы платеж прошел через сеть, он обычно должен пройти через несколько платежных каналов. Чтобы ответить, сколько платежей сеть может сделать за секунду, нам нужно понять, сколько в среднем поддерживает канал.

Статистика показывает, что средний платеж проходит примерно по трем каналам.

Контрольные цифры, которые мы будем использовать для этого анализа, относятся к пропускной способности на узел, а не на канал. Поэтому мы будем неточно считать, что каждый узел имеет только один канал. Согласно тесту, узел LND по умолчанию может выполнять 33 платежа в секунду с хорошей установкой (8 виртуальных ЦП, 32 ГБ памяти).

Имея 16 266 узлов в сети (по состоянию на ноябрь 2022 года) и предполагая, что каждый платеж должен проходить по трем каналам (четыре узла), сеть должна обеспечивать около 134 194 платежей в секунду.

То есть каждый платеж должен пройти через группу из четырех узлов, а таких уникальных групп в сети 4066. Предполагая, что каждый узел может совершать 33 платежа в секунду, мы умножаем 4066 на 33, чтобы получить 134 194.

Теперь, чтобы быть реалистичными: не каждый узол работает на установке, подобной той, что указана в тесте – многие просто работают на Raspberry Pi. К счастью, для того чтобы превзойти существующие платежные системы, не требуется многого.

Lightning против традиционных платежей

Найти достоверные данные о пиковой мощности традиционных платежных систем сложно, поэтому мы будем полагаться на их средний показатель в течение 2021 финансового года. Мы сравним это с теоретической мощностью Lightning, потому что получение среднего показателя платежей в Lightning невозможно из-за ее приватности, а также не раскрывает возможности, потому что спрос на платежи Lightning все еще относительно низок. Это сравнение даст нам представление о том, сколько платежей узел Lighting должен маршрутизировать, чтобы превзойти традиционные финансы.

Visa совершила 165 миллиардов платежей в 2021 году, PayPal – 19,3 миллиарда платежей на всей платформе, а FedWire – 204 миллиона. Соответственно, они составляют 7 372, 612 и 6,5 платежей в секунду в среднем на 2021 год. Для сравнения, Биткоин делал 2,44 платежа в секунду в 2021 году и масштабируется до максимум семи в секунду.

Цифры многообещающие – требуется, чтобы каждый узел Lightning мог выполнять всего четыре платежа в секунду, чтобы превзойти текущие платежные сети как минимум в два раза. При такой скорости 4066 уникальных четырехузловых групп могут выполнять 16 264 платежа в секунду, что в 2,2 раза больше, чем у крупнейшего конкурента Visa.

Что еще хуже для традиционных платежных сетей, средняя комиссия за транзакцию Lightning в 13 раз меньше, чем у Visa – 0,1% по сравнению с 1,29%.

Стоит помнить, что всегда можно продолжать масштабировать Lightning Network, создавая новые узлы. Поскольку она является одноранговой, ее масштабируемость теоретически неограничена, пока узлы в сети растут.

Кроме того, вышеупомянутые цифры от Bottlepay доказывают, что не существует реальных технических блокировщиков, чтобы узлы Lightning в итоге могли достичь 1000 платежей в секунду. При таком числе текущая пропускная способность сети была бы ближе к четырем миллионам в секунду, не говоря уже о том, какой она была бы при увеличении количества узлов.

И, наконец, стоит помнить, что Lightning Network все еще является очень незрелым программным обеспечением, и в будущем предстоит выполнить немало оптимизаций как в протоколе, так и в его реализациях. Ресурсы с точки зрения разработчиков являются единственным краткосрочным ограничением для повышения масштабируемости, которая по праву уступает более важным вещам, таким как надежность.

Для лучшего представления о прогрессе в этой области, River Financial недавно сообщила, что ее показатель успешных платежей составляет 98,7% при среднем размере 46 долларов, что еще лучше, чем самые ранние общедоступные данные, которые она смогла найти за 2018 год, когда транзакции на 5 долларов терпели неудачу у 48% случаев.

Вывод

В этой статье мы выявили все недостатки масштабирования блокчейна Биткоина за счет увеличения размера блока базового уровня, что в первую очередь серьезно подорвало его децентрализацию и, в итоге, помешало достижению цели огромной масштабируемости, необходимой для текущих и будущих требований глобальной платежной сети.

Мы показали, что Lightning Network как решение второго уровня наиболее элегантно решает проблему масштабируемости, сохраняя все преимущества Биткоина и в то же время масштабируя его намного больше, чем обещают любые решения базового уровня.

Это гостевой пост Станислава Козловского, инженера программного обеспечения и исследователя макроэкономики. Точки зрения, высказанные в этой статье, принадлежат автору и не обязательно отражают взгляды BTC Inc. или Bitcoin Magazine.