Как Shardeum достиг высокой пропускной способности и низкой задержки, обеспечивая dApps хороший пользовательский опыт (UX)

Введение

В общем, задержка — это время, необходимое данным для перемещения от источника к месту назначения. Задержку сети можно описать как время, которое проходит между отправкой данных из одной точки и их получением в пункте назначения. Большие расстояния, несколько переходов между устройствами, плохая инфраструктура и другие факторы приводят к задержке, порой превышающей желаемую.

Что такое низкая задержка и почему это важно?

Низкая задержка означает способность системы максимально минимизировать отрезок времени между передачей и приемом данных, что может существенно повлиять на удобство работы пользователя. Снижение задержки является важным аспектом современных технологий и широко оптимизируется для различных отраслей, включая сети блокчейн. Будь то игры, финансовый трейдинг или телекоммуникации, низкая задержка является важнейшим компонентом, который требуется приложениям/системам для мгновенного отклика.

Например, низкая задержка важна для высокочастотной и алгоритмической торговли в финансовой индустрии, где даже миллисекунды могут существенно повлиять на позицию трейдера. Онлайн-игры — еще одна область, где решающее значение имеет низкая задержка, позволяющая игрокам быстро и эффективно реагировать в динамичных играх. В этом руководстве будет рассмотрено, как низкая задержка приносит пользу платформам смарт-контрактов и как Shardeum, как сеть L1, будет поддерживать очень низкую задержку, что исторически было проблемой для индустрии блокчейн.

Задержка, время завершения и масштабируемость в сетях блокчейн
Задержка в контексте блокчейнов — это общее время между отправкой действительной транзакции в сеть блокчейн и обработкой/подтверждением транзакции сетью. Имейте в виду, что задержка и время завершения очень тесно связаны в блокчейне, но это не одно и то же. Время завершения означает необратимость подтвержденной транзакции, добавленной в сеть блокчейн. Таким образом, время завершения — это общее время между отправкой действительной транзакции в сеть блокчейна и завершением транзакции сетью. На этом этапе транзакция считается завершенной и больше не может быть изменена. Таким образом, очень низкая задержка и завершение имеют решающее значение не только для масштабирования сети, но и для обработки очень большого количества транзакций в секунду (TPS).

Аналогично, задержка и масштабируемость взаимосвязаны, но это не одно и то же. Низкая задержка направлена на минимизацию времени, необходимого для обработки отдельных транзакций, в то время как высокая пропускная способность или масштабируемость (обычно измеряемая в TPS — транзакции в секунду) подчеркивает способность сети блокчейна обрабатывать большой объем транзакций за единицу времени.

Время завершения — Web2 vz Web3
Централизованные сети (включая частные блокчейны) обычно имеют меньшее время завершения по сравнению с децентрализованными сетями блокчейнов. Основная причина этой разницы — архитектура и механизм обработки, используемые этими двумя разными системами. Централизованные серверы контролируются одним лицом или организацией, что означает, что они могут быстро обрабатывать и проверять транзакции, поскольку нет необходимости нескольким сторонам договариваться о действительности каждой транзакции.

Задержка в централизованных системах в основном зависит от таких факторов, как скорость и мощность оборудования сервера, эффективность программного обеспечения и состояние сети. Наряду с другими методами, такими как балансировка нагрузки и обслуживание сети, такие организации решают проблему задержки за счет вертикального масштабирования, то есть увеличения вычислительной мощности своего системного оборудования.

Как более высокая задержка влияет на блокчейн индустрию сегодня?

1. Решение трилеммы масштабируемости становится сложной задачей
   Децентрализованные сети распределяют рабочую нагрузку между многочисленными отдельными узлами/серверами по всему миру, а затем достигают консенсуса относительно действительности транзакций с последующей записью транзакций в распределенный реестр/блокчейн сети. Алгоритм консенсуса и другие принятые самостоятельно ограничения масштабирования имеют решающее значение для общедоступных сетей, поскольку они имеют основополагающее значение для основных USP блокчейна — безопасности и децентрализации.

Платформы блокчейн варьируют размеры блоков в зависимости от сетевого трафика и соответственно создают подходящий алгоритм консенсуса. Большие блоки предлагают более высокий показатель TPS, но при этом они рискуют показателями децентрализацией и безопасностью. Биткойн с его фиксированными меньшими блоками отдает приоритет безопасности над смарт-контрактами. Ethereum, с другой стороны, расширил потенциал блокчейна, обеспечив возможность использования смарт-контрактов и большего количества вариантов коммерческого использования. Сети как таковые предпочитают переменный или гибридный размер блока, позволяющий обрабатывать немного больше транзакций в секунду, но при этом ограничивая предел размера для предотвращения централизации и векторов атак на сеть.

Недостатком является то, что это по своей сути приводит к задержкам и низкой скорости, что до сих пор делало децентрализованные блокчейны менее подходящими для приложений и утилит в реальном времени, таких как онлайн-игры, телекоммуникации и здравоохранение. Вот почему среди новейших сетей идет гонка за решение трилеммы блокчейна — где они будут способны поддерживать безопасность, децентрализацию и масштабируемость одновременно.

1. Задержка и время завершения транзакции обратно пропорциональны пропускной способности.
   Ключевым аспектом здесь является то, что взаимосвязь между задержкой и пропускной способностью обратно пропорциональна. Это означает, что по мере увеличения задержки и времени окончательности пропускная способность снижается, ограничивая способность сети обрабатывать большое количество транзакций в секунду (TPS). Это имело место с традиционными системами и действительно применимо и к сетям на основе блокчейна, по крайней мере, на более фундаментальном уровне.

Однако задержка в сети блокчейн имеет больше составляющих, таких как смарт-контракты и механизмы консенсуса, в попытке предоставить реальные решения без посредника. Они полагаются на очень высокий уровень автоматизации посредством кодирования смарт-контрактов. Тем не менее, низкая задержка играет более важную и активную роль, чем, скажем, требования к пропускной способности в определении масштабируемости и пропускной способности сети блокчейн. Фактически, сеть блокчейн может хорошо работать с более низкой пропускной способностью данных при условии, что в нее встроена оптимальная архитектура, обеспечивающая как можно более низкое время завершения.

1. Высокие и непредсказуемые транзакционные издержки.
   Конечным результатом вертикальной масштабируемости, низкого TPS и неспособности решить трилемму масштабируемости являются высокие транзакционные издержки/комиссии за газ, особенно когда трафик в сети увеличивается. Более высокая задержка также делает взаимодействие пользователей и разработчиков децентрализованных приложений с платформой смарт-контрактов намного более дорогим и медленным из-за увеличения затрат на вычислительную способность и связь.

Несмотря на обещания децентрализации, многие инструменты и услуги, используемые сегодня для создания децентрализованных экосистем, по-прежнему функционируют в значительной степени централизованно. Чтобы предотвратить перегрузку сети, сбои в работе и плохой пользовательский опыт, публичные блокчейны часто сами масштабируются по вертикали за счет увеличения вычислительной мощности своих узлов. Однако этот подход может сделать для обычных пользователей финансово непрактичным управление узлами в этих сетях, что в конечном итоге увеличивает транзакционные издержки как для пользователей, так и для разработчиков, создающих децентрализованные приложения.

1. MEV и первоочередные риски
   Публичные блокчейны прозрачно записывают транзакции. Помимо добровольно установленных ограничений масштабирования, валидаторы оказались заинтересованы в том, чтобы отдавать приоритет транзакциям с высокой комиссией как непреднамеренному последствию, чтобы ограничить перегрузку сети и предотвратить высокий трафик. Однако валидаторы редко отклоняются от сетевых протоколов настолько, чтобы манипулировать всем рынком из-за непомерно высоких затрат, связанных с такими действиями и самого надежного механизма консенсуса.

Ситуация выходит из-под контроля, когда злоумышленники осуществляют такую же предварительную работу: они могут увидеть транзакцию (обычно большую) до ее подтверждения, а затем разместить свою собственную транзакцию впереди нее, чтобы получить прибыль от разницы в ценах. Здесь они не только стремятся получить несправедливое преимущество перед другими пользователями, но и, по сути, манипулируют более крупным рынком, нанося ущерб широкой публике. Исследования Flashbots и Калифорнийского университета показывают, что затраты, уплаченные средними пользователями Ethereum из-за опережения злоумышленников, только в 2023 году составили более 2 миллиардов долларов. Побочный ущерб, нанесенный рынку криптовалют, может быть намного больше.

Низкая задержка и, в конечном итоге, немедленное завершение сети становятся здесь еще более важными, поскольку злоумышленникам становится сложнее видеть транзакции до того, как они будут подтверждены в блокчейне. Это связано с тем, что блокчейны с низкой задержкой могут обрабатывать транзакции быстрее, что дает злоумышленникам меньше времени для просмотра и использования транзакций. Когда время подтверждения транзакций колеблется в зависимости от спроса внутри сети, получение максимальной отдачи даже от протокола автономного заказа на основе метаданных будет непрактичным.

1. Плохой пользовательский опыт (UX)
   Как вы понимаете, достижение массового внедрения блокчейн технологии и построенных на их основе децентрализованных приложений зависит от положительного пользовательского опыта (UX) и минимальных транзакционных издержек. И мы обсудили, почему нынешней экосистеме их не хватает из-за самой конструкции блокчейн. И, как указано выше, централизованные системы осознали это уже давно и с тех пор внедрили различные методы уменьшения задержки, включая CDN, периферийные вычисления, постоянное развертывание мощных дета-центров по всему миру и балансировку нагрузки.

Цель проста — максимально приблизить время доставки вычислительных данных и хранилищ данных к конечному пользователю, сделав время отклика мгновенным. Потому что это единственный способ удовлетворить требования современных отраслей, от искусственного интеллекта, автономных транспортных средств до алгоритмической торговли.

Например, высокая задержка и медленноне время завершения делают децентрализованные криптобиржи (DEX), работающие через смарт-контракты, менее эффективными, чем централизованные биржи (CEX), работающие через централизованные протоколы. Как уже упоминалось, высокая задержка означает, что обработка и подтверждение транзакций может занять больше времени, в то время как медленное или слабое время завершения означает, что подтвержденные транзакции могут быть отменены позже. Это может стать проблемой для трейдеров DEX, которым необходимо совершать быстрые сделки с мгновенным расчетом. Кроме того, это приводит к частым проскальзываниям. А плохой UX, в свою очередь, приводит к систематическому снижению ликвидности DEX, вызывая высокую волатильность цен на криптовалюты. Разве это не похоже на нынешнее состояние криптоэкономики?

1. Атаки на безопасность
   Блокчейны L1 (первого уровня) отдают приоритет высокой безопасности и децентрализации, что делает их устойчивыми к сложным атакам, которые мы видим сегодня в Web3. Однако одинаковый уровень безопасности не всегда гарантирован для решений и децентрализованных приложений, построенных на блокчейнах L1, несмотря на использование их базовой безопасности. Это связано с тем, что эти решения разработаны с учетом конечных пользователей и UX, часто ставя под угрозу децентрализацию и надежную безопасность блокчейнов L1.

Угрозы безопасности проявляются в форме фишинга, атак вредоносного ПО и DoS-атак, а также многих других. В частности, DoS- и DDoS-атаки стали проблемой даже для новых L1, ориентированных на масштабируемость и низкие комиссии за газ. Эти атаки включают в себя перегрузку сети множеством небольших транзакций, обычно с использованием ботов, что приводит к замедлению работы сети или её полной остановки. Низкая задержка может помочь снизить этот риск, поскольку злоумышленникам будет сложнее перегрузить сеть, поскольку им придется отправлять больше транзакций.

Давайте рассмотрим эту аналогию здесь. Думайте об этом как о попытке затопить быстро сливаемую раковину. Если приемник (сеть) сливает воду (запрашивает) быстро (малая задержка), вам придется сразу налить гораздо больше воды, чтобы она перелилась. С другой стороны, если слив воды из раковины происходит медленно (большая задержка), даже устойчивая струйка со временем может привести к ее переполнению. По сути, низкая задержка может значительно снизить вероятность различных сложных атак, в то время как высокая задержка многократно увеличивает уязвимость.

Хорошие новости — общая картина
Хорошей новостью для публичных сетей блокчейн и экосистемы Web3 в целом является то, что они по своей сути стремятся к участию простых людей, будь то в форме валидаторов, разработчиков смарт-контрактов. Это то, на что не могут претендовать его коллеги из Web2, поскольку власть в основном принадлежит компаниям, владеющим центрами обработки данных и облачными серверами. Более поздние протоколы блокчейнов нацелены на высокую масштабируемость с нуля, оптимальный механизм консенсуса и другие методы, такие как автоматическое масштабирование, для решения трилеммы масштабируемости.

Как Shardeum достигает низкой задержки?

Начнем с того, как мы закончили последнее — с решения трилеммы масштабируемости

Shardeum — это блокчейн платформа смарт-контрактов первого уровня на базе EVM, которая в настоящее время находится на стадии бетанет. В Shardeum консенсус будет осуществляться на уровне транзакций, а не на уровне блоков, и транзакции будут обрабатываться параллельно посредством динамического сегментирования состояния с задержкой в несколько секунд. Хорошо, давайте разберем это простыми словами. И мы предоставим вам хронологичею разработки с точки зрения технологии блокчейн, чтобы вы могли увидеть полную картину.

1. Высокая справедливость и консенсус на уровне транзакций
   Начнем с того, что валидаторы в Shardeum будут проверять и обрабатывать транзакции в порядке очереди, чтобы фактически сделать MEV и опережающие транзакции невозможными внутри сети. Обратите внимание: эта хорошая практика, также известная как высокая справедливость, устраняет первое уязвимое место и обеспечивает низкую задержку. Теперь проверка, за которой следует консенсус и обработка, будет выполняться индивидуально для каждой транзакции. В обычных сетях блокчейн перед добавлением в блоки собирается пакет проверенных транзакций на основе размера блока. Консенсус и обработка происходят для каждого блока, содержащего все проверенные транзакции. Это естественным образом приводит к увеличению задержки, поскольку всем узлам или даже под-узлам требуется время для обработки и финализации блоков (что на практике чаще всего происходит последовательно)

2. Немедленное завершение транзакций
   В Shardeum каждая подтвержденная транзакция будет мгновенно завершена, что отличает ее от других блокчейнов, предлагающих вероятностную или абсолютную завершенность. Это еще один прорыв в технологии блокчейн, поскольку он обеспечивает время завершения транзакций без необходимости ждать подтверждения нескольких блоков. Позже сеть группирует такие транзакции и перемещает их в архивные узлы. Это также позволяет узлам валидатора в сети хранить только текущее состояние учетных записей в задействованных сегментах. Давайте вскоре вернемся к этой части. Оставаясь в курсе, Омар Сайед, соучредитель Shardeum, резюмирует, что «после того, как вы достигли консенсуса для транзакций (индивидуально), структура данных (имеется в виду блоки), которую вы используете для их хранения, не имеет значения. Это важно для других сетей, потому что структура данных тесно связана с консенсусом».

3. Динамическое сегментирование состояния и параллельное выполнение транзакций
   Динамическое сегментирование состояния Shardeum будет работать рука об руку с функцией автоматического масштабирования, позволяя сети автоматически регулировать количество и размер сегментов в зависимости от преобладающей рабочей нагрузки. Поскольку консенсус достигается на уровне транзакций, каждая транзакция, затрагивающая несколько сегментов, будет обрабатываться одновременно, а не последовательно. Это не только сокращает время обработки транзакции, даже если она затрагивает несколько сегментов, но также обеспечивает атомарную обработку с задержкой в сети всего в несколько секунд.

4. Равное распределение рабочей нагрузки
   Помимо обеспечения безопасной проверки транзакций, механизм консенсуса Shardeum усиливает безопасность в сети и децентрализацию за счет регулярной ротации узлов валидатора. В конечном итоге Shardeum обеспечивает равномерное распределение рабочей нагрузки на сетевые ресурсы, сохраняя при этом операционную эффективность по мере роста и развития в сегментированной среде.

5. Линейная масштабируемость и высокая производительность
   Динамическое сегментирование состояния обеспечивает наиболее важный фактор для Shardeum — линейную или горизонтальную масштабируемость в отличие от вертикальной масштабируемости. Каждый узел, добавленный в сеть из пула «резервных узлов», пропорционально увеличит свою пропускную способность TPS в периоды высокого трафика. Способность Shardeum линейно масштабироваться и эффективно работать делает его сетевые издержки, такие как пропускная способность, время завершения и плату за газ, весьма предсказуемыми даже для сложных смарт-контрактов.

Заключение

Короче говоря, Shardeum позволит обычным людям запускать узел прямо внутри сети, что приведет к очень низкой стоимости транзакций, что навсегда предоставит конечным пользователям хороший пользовательский опыт (UX), к которому мы все привыкли в традиционных сетях Web2. Линейная масштабируемость Shardeum будет так же распространяться и на децентрализованные приложения, построенных на базе блокчейна Shardeum, что позволит им быстро и беспрепятственно обрабатывать транзакции даже по мере увеличения сети.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Почему важна низкая задержка сети?
   Важность низкой задержки заключается в том, что она помогает уменьшить время при передаче данных, что приводит к более быстрой и эффективной работе в Интернете. Это особенно важно для онлайн-игр, активного трейдинга и приложений для здравоохранения, где получение данных может означать разницу между жизнью и смертью.

2. Полезна ли низкая задержка?
   Конечно. Низкая задержка считается отличным результатом, поскольку она приводит к более быстрой и эффективной передаче данных, обеспечивая более плавную работу в Интернете. Однако уровень «качественности» будет зависеть от конкретного варианта использования, поскольку разные приложения будут иметь разные требования к задержке.

3. Означает ли низкая задержка более быструю скорость завершения транзакций?
   Низкая задержка означает более быструю передачу данных, что приводит к более быстрой работе в Интернете. Это связано с тем, что низкая задержка уменьшает задержку при передаче данных, обеспечивая более эффективное взаимодействие между приложениями и пользователями в реальном времени.

Original text — https://shardeum.org/blog/how-shardeum-achieves-low-latency-enabling-dapps-users-good-ux/

Original Author: Subbu