Оптимізація блокчейну: основні вузькі місця

Пересічному користувачеві може здатися, що криптоблокчейн — це безшовна, ідеальна машина без жодних вад. Проте недоліки проявляються лише тоді, коли ви починаєте ними користуватися — наприклад, коли транзакції зависають, сервери падають або виникають баги тощо. Що за цим стоїть? Для необізнаних блокчейн — це містичний цифровий реєстр, ефемерна істота, що живе всюди і ніде, миттєво обробляючи передачу цінностей без жодної помилки.

Але правда в тому, що він набагато більш приземлений. Коли транзакція годинами висить у мемпулі, через що користувач втрачає можливість взяти участь у важливій DeFi-ліквідації, або коли перевантаження мережі під час популярного мінту NFT перекреслює будь-яку надію на прибуткову угоду через те, що комісії за газ перевищують усю вартість транзакції — це не просто програмні помилки. Це побічні ефекти внутрішніх «вузьких місць», з якими стикається кожна децентралізована мережа.

Ці проблеми виникають не через недбале програмування чи брак зусиль. Навпаки, деякі з найрозумніших комп'ютерних вчених та криптографів світу цілодобово працюють над їх вирішенням. Проте вони зіткнулися з жорсткими фізичними обмеженнями, потужністю апаратного забезпечення та неминучими компромісами розподілених систем. Щоб зрозуміти, чому ваша транзакція застрягла або чому мережа працює повільно, нам потрібно зазирнути «під капот» — на шестерні та важелі, які змушують цю машину працювати, включаючи тертя, що її сповільнює.

Трилема масштабованості та межі пропускної здатності

Трилема масштабованості — це, мабуть, найвідоміше «вузьке місце» у блокчейні. Теорія трикутника блокчейнів Віталіка стверджує, що блокчейн може мати лише дві з трьох характеристик: децентралізацію, безпеку та масштабованість. Ви не можете вивести їх усі на максимум одночасно. Це не правило, закодоване алгоритмічно, а природне обмеження того, як функціонують розподілені мережі.

Якщо ви хочете мережу, яка є дуже швидкою (масштабованою) та безпечною, вам часто доводиться йти на компроміси, де децентралізація зменшується через меншу кількість вузлів, що перевіряють транзакції. Ви постаєте перед вибором: якщо ви хочете, щоб мережа була одночасно децентралізованою та безпечною, як-от Bitcoin або Ethereum, ви жертвуєте швидкістю. Саме тому Bitcoin може обробляти близько 7 транзакцій на секунду (TPS), а Ethereum — приблизно 15–30 TPS на базовому рівні, тоді як Visa здатна обробляти десятки тисяч.

Тут вузьким місцем є розмір блоку та час його створення. Простим і очевидним рішенням для збільшення пропускної здатності було б збільшення розміру блоку, щоб вмістити більше транзакцій, або скорочення часу блоку, щоб блоки майнилися швидше. Але тут ми стикаємося з фізичним обмеженням: затримкою поширення (propagation delay). Коли майнер або валідатор знаходить новий блок, цей блок має бути розісланий усім іншим вузлам у мережі. Ці дані подорожують світовими інтернет-кабелями, оптоволокном та роутерами. Звісно, існують обмеження: швидкість світла, пропускна здатність інтернет-інфраструктури. Якщо блок занадто «важкий», його завантаження та перевірка можуть зайняти більше часу. Занадто велика кількість блоків може створюватися різними майнерами одночасно, поки передостанній блок ще не встиг поширитися, що призводить до «форків» або «блоків-сиріт» (orphan blocks), або ж «анклів» (uncles) у мережі Ethereum.

Високий показник анклів свідчить про те, що мережа витрачає обчислювальну потужність на блоки, які не потрапляють до основного ланцюга, що послаблює безпеку, оскільки потужність чесного хешування розпорошується. Отже, обмеження TPS — це, по суті, обмеження синхронізації мережі. Крім того, кожен блок має «ліміт газу» (gas limit) або ліміт «ваги блоку» (block weight). Це потрібно не лише для обмеження пропускної здатності, а й для захисту від DoS-атак (відмови в обслуговуванні). Якщо немає обмежень на обсяг обчислень, які може містити блок, зловмисник може заспамити мережу складними транзакціями, обробка яких триватиме вічно, що призведе до заморожування всієї системи.

Layer 2 та вузьке місце масштабованості через доступність даних

Щоб обійти обмеження Layer 1, індустрія винайшла рішення Layer 2 — зокрема, «ролапи» (rollups). Ці протоколи виконують транзакції поза мережею (off-chain), збирають їх у блок, а потім повертають стиснуту версію або криптографічний доказ в основний ланцюг (Layer 1). Це виглядає як ідеальна ідея, проте вона створює додаткове навантаження: DA (доступність даних). Навіть якщо обчислення відбуваються поза мережею, в основному ланцюгу (on-chain) має бути достатньо інформації для «відновлення» стану ролапу, щоб будь-хто міг його перевірити.

Блоковий простір в основному ланцюгу є цінним і обмеженим ресурсом. Наприклад, розміщення величезних обсягів calldata у мережі Ethereum коштувало б дуже дорого. Саме тому ми бачимо такі пропозиції, як EIP-4844 (Proto-Danksharding), що впроваджують поняття «блобів» (blobs) — нового типу зберігання даних, який є дешевшим і тимчасовим, розробленим спеціально для ролапів. Але навіть із блобами існує ліміт на обсяг даних, які можна передати через мережу без перевантаження вузлів (state bloat). Коли рівень DA заповнюється, вартість використання цих Layer 2 значно зростає, оскільки ролапи змагаються за обмежений простір для розміщення своїх пакетів (batches). Це створює ринок, де ціна транзакції в певній дешевій мережі L2 безпосередньо залежить від перевантаженості дорогої мережі L1. Це компроміс між забезпеченням безпеки та вартістю цієї безпеки (розміщення в L1) і безпосереднім використанням.

Тягар історії: розширення стану та зберігання даних

Однією з найважливіших — і водночас забутих — проблем є так зване «розростання стану» (state bloat). Блокчейн складається з ідентичної копії кожної транзакції, яка коли-небудь відбулася. Зі збільшенням кількості користувачів мережі ця історія розширюється. Але це не просто історія; це «стан» (state) — поточний баланс кожного акаунта та вміст кожного смартконтракту. Вузол повинен мати можливість перевірити транзакцію, щоб знати, яким є поточний стан. Йому потрібно якимось чином переконатися, що Аліса справді володіє 10 токенами, які вона хоче надіслати Бобу. Чим більшим стає стан, тим більше оперативної пам'яті (RAM) та SSD-накопичувачів потрібно для швидкого доступу до нього.

Якщо стан занадто великий, щоб поміститися на обладнанні споживчого рівня, лише великі дата-центри зможуть дозволити собі запуск вузлів. Це шкодить децентралізації. Оптимізувати це неймовірно складно. Ви не можете просто видалити старі дані, оскільки стан залежить від усієї історії ланцюжка аж до генезис-блоку. Розробники експериментують із «безстейтовими клієнтами» (stateless clients) та «закінченням терміну дії стану» (state expiry), архівуючи старі дані та використовуючи замість них лише докази їх наявності. Але це хитромудрі криптографічні рішення, на безпечне впровадження яких ідуть роки. Ми постійно боремося з накопиченням даних.

Кожен розгорнутий вами контракт, кожен викарбуваний токен — це вантаж, який вузол повинен нести вічно. Саме це споживання ресурсів є причиною того, чому деякі мережі впроваджують такі моделі ресурсів, як Енергія (Energy) та Пропускна здатність (Bandwidth). Користувачам може знадобитися поповнення балів Енергії для взаємодії зі смартконтрактом без витрачання токенів або отримання Енергії в мережі TRON, завдяки якій транзакції обробляються набагато швидше. Такі моделі є спробою справедливо стягувати плату за навантаження на мережу — ті, хто використовує стан, мають платити за його підтримку.

Без таких механізмів «трагедія спільного» призвела б до того, що ланцюжок переповнився б і став непридатним для використання.

Консенсус та накладні витрати через механізми консенсусу

В основі кожного блокчейну лежить механізм консенсусу — спосіб, за допомогою якого тисячі незнайомих людей можуть колективно дійти згоди щодо єдиної істини. Незалежно від того, чи йдеться про PoW чи PoS, консенсус завжди передбачає певний рівень комунікації та обчислень. У PoW сповільнення значною мірою зумовлене тим, скільки енергії та обладнання потрібно для забезпечення безпеки мережі. Завдання коригування складності полягає в тому, щоб блоки з’являлися з таким темпом, який не є ні занадто швидким (безпека), ні занадто повільним (швидкість). Для PoS, завдяки його енергоефективності, «вузьким місцем» стають комунікаційні накладні витрати.

Валідатори повинні постійно обмінюватися наборами повідомлень, засвідчуючи те, які блоки слід вважати дійсними. У міру того, як кількість валідаторів зростає задля посилення децентралізації, так само (експоненціально) зростає і кількість повідомлень. Ця «балаканина» може перевантажити мережу. Оптимізація алгоритму консенсусу для його комфортного масштабування до тисяч валідаторів без уповільнення швидкості транзакцій до мінімуму — це колосальне завдання. Для цього використовується екзотична математика та методи «агрегації підписів» (подібні до підписів BLS), щоб стиснути тисячі голосів у єдиний крихітний фрагмент даних. Крім того, «фінальність» транзакції — гарантія того, що вона є незворотною — також зазвичай є імовірнісною.

У багатьох мережах вам доводиться чекати певну кількість блоків, щоб знати напевно. Ця часова затримка зумовлена конвергенцією консенсусу мережі. Це функція безпеки, а не помилка, але користувачеві, який очікує на підтвердження, вона може здатися «вузьким місцем». Крім того, проблема «Nothing at Stake» (відсутність частки на кону) у ранніх розробках PoS вимагала складних механізмів «слешингу» для покарання за неналежну поведінку, що додавало ще більше логіки для обробки кожного блоку." Ще одним прихованим вузьким місцем є «клієнтська різноманітність». Коли всі використовують один і той самий програмний клієнт (наприклад, Geth), одна помилка може вивести з ладу всю мережу. Важливо заохочувати різноманітність клієнтів в екосистемі для забезпечення стійкості, але це значно збільшує накладні витрати на розробку.

Прихований податок: MEV та вузькі місця виконання

Віртуальна машина (VM): Це середовище виконання смарт-контрактів. Віртуальна машина Ethereum (EVM) є стандартом, але спочатку вона не була розрахована на високопродуктивні паралельні операції. Вона отримує транзакції по одній і обробляє їх у порядку черги. Якщо одна транзакція дуже складна і її обчислення займає багато часу, всім іншим доводиться чекати в черзі. Це схоже на одну касу в продуктовому магазині. Сучасні блокчейни намагаються впровадити «паралельне виконання», за якого неконфліктні транзакції (наприклад, Аліса платить Бобу, а Чарлі — Дейву) можуть оброблятися одночасно різними ядрами процесора. Але іноді це легше сказати, ніж зробити. Визначення того, які транзакції конфліктують між собою в режимі реального часу, є складним завданням у галузі комп'ютерних наук.

Окрім швидкості виконання, існує вузьке місце MEV. Оскільки більшість транзакцій стають видимими одразу після потрапляння в мемпул, просунуті боти можуть здійснювати фронтраннінг або сендвіч-атаки на транзакції користувачів заради отримання прибутку. Фактично це прихований податок для користувачів, що призводить до гірших курсів обміну та невдалих транзакцій. Це переповнює мережу спамом від ботів, які борються один з одним. Вирішення проблеми MEV є однією з градієнтних проблем в оптимізації блокчейну.

Підходи, такі як «розподіл пропонента та будівельника» (proposer-builder separation), намагаються врахувати цей визначальний фактор неявно, проте це залишається постійною неефективністю, що призводить до жахливого користувацького досвіду.

Фрагментований світ: виклики інтероперабельності

З переходом до мультичейн-світу виникло нове «вузьке місце» — інтероперабельність. Ми побудували маленькі острівці цінності. Переказ активів з Ethereum у Solana або з Bitcoin у мережу другого рівня (Layer 2) потребує «мостів». Ці мости є слабкими місцями в екосистемі, вразливими до зломів та експлойтів. «Огортання» (wrapping) токенів — це додатковий рівень складності та потенційного ризику. Вузьким місцем у цьому плані є відсутність універсального протоколу зв'язку. Кожен блокчейн розмовляє різними мовами та має різний консенсус щодо часу та фіналізації транзакцій.

Побудова «бездовірчого» (trustless) мосту — такого, що не залежить від централізованого кастодіана — є математично дуже складним завданням. Це вимагає, щоб один із двох ланцюгів підтримував роботу «легкого клієнта» (наприклад, для перевірки заголовків та доказів). Це також потребує значних обчислювальних ресурсів та обсягів даних. Окрім труднощів із переміщенням ліквідності між мережами, це фрагментує ринок і робить його неефективним. Користувачі застрягають в одному ланцюгу без простого способу поповнити енергію в мережі TRON і перемістити свої активи туди, де є найкраща прибутковість, якщо тільки вони не пробираються крізь павутину складних і ризикованих протоколів. Більше того, «атомарна компонованість» (atomic composability) — ідея про те, що можна взаємодіяти з кількома протоколами одночасно в межах однієї транзакції — втрачається при переході між мережами. Ви не можете миттєво взяти флеш-позику (flash loan) у мережі А, щоб провести арбітраж чогось незвичного в мережі Б, без значного ризику та затримок.

Людський фактор: управління та можливість оновлення

Нарешті, найбільш розчаровуючим вузьким місцем з усіх може бути людський фактор: управління (governance). Блокчейни — це програмне забезпечення, а програмне забезпечення потребує оновлення. Але в децентралізованій мережі як вирішити, коли і як саме має відбутися оновлення?

Планування «хардфорку» — оновлення, що не має зворотної сумісності, — потребує згоди розробників, операторів вузлів у мережі, майнерів/валідаторів, а також загального консенсусу спільноти. У разі виникнення розбіжностей ланцюжок може змінити напрямок, як це сталося з Ethereum, коли внаслідок подальшого розділення ланцюжка з’явилися дві монети: Ethereum та Ethereum Classic.

Це прагнення до соціальної згоди стає на заваді не лише змінам, а й інноваціям. Технологічна компанія, що базується на платформі, може розгорнути оновлення на своїх серверах за лічені хвилини. Якщо блокчейн має виконувати будь-яку функцію f, то навіть для мінімальних функцій ланцюжку стає неможливо швидко впроваджувати нові покращення. Така «мінімізація управління» часто є кінцевою метою, проте на ранніх етапах активне управління є необхідним для виправлення помилок та вдосконалення протоколу. Компроміс між принципом «рухайся швидко та ламай старе» та стабільністю й незмінністю завжди є джерелом суперечок. Саме це може перетворити найважливіші оптимізації, як-от збільшення розміру блоку або зміну механізму комісій, на політично забарвлені поля битв, що роками гальмують прогрес.

Висновок

«Вузькі місця» блокчейну — масштабованість, доступність даних, розростання стану, надлишкові витрати на консенсус, швидкість виконання, MEV, інтероперабельність та управління — не є випадковими обмеженнями. Вони є побічним продуктом амбітного прагнення створити децентралізований та безпечний світовий комп’ютер, що не потребує довіри. Кожна оптимізація — це компроміс. Збільшення розміру блоку шкодить децентралізації. Шардинг робить безпеку значно складнішим викликом. Паралельне виконання несе ризик неузгодженості стану. Тож було неймовірно спостерігати прогрес рівня 2026 року в ролапах другого рівня (Layer 2), вибірці та змішуванні доступності даних, а також у zk-SNARKs, не кажучи вже про докази з нульовим розголошенням загалом, що стали реальністю тут і зараз завдяки людям, які протягом кількох років мислили нестандартно.

Але завдяки людському генію ми продовжуємо повільно, але впевнено долати ці фізичні та логічні обмеження. Проте користувачі мають розуміти, що «тертя», яке вони відчувають, — це ціна за гру в системі, заснованій на законах фізики та суворому консенсусі, а не на довірі до централізованого органу. Подібно до того, як вам може знадобитися енергія TRON, щоб покрити транзакційні витрати в розподіленій мережі, індустрія потребує безперервного потоку інновацій для масштабування цих систем на весь світ.

Для тих, хто стикається з тонкощами отримання ресурсів у мережі TRON, існують такі рішення, як Netts Energy Charge Bot. Постачальники отримують енергію для передачі та здають її в оренду ($) користувачам; при переказі Tether через Charge_bot (Telegram) комісії за перекази USDT таким чином знижуються. Користувачам достатньо обрати гаманець і внести на нього кошти в TRX, після чого вони можуть використовувати проміжну валюту для поповнення енергії на одну годину, щоб не довелося спалювати велику кількість TRX під час переказу. Це певною мірою спрощує процес: просто оберіть гаманець, поповніть його та здійсніть переказ, при цьому бот також може розрахувати приблизну кількість витрачених ресурсів. Це крихітний, але цінний інструмент для покращення UX у середовищі, де ресурси мають значення!