Передмова

Ethereum — це відкрита блокчейн-платформа, яка дозволяє будь-кому створювати та використовувати децентралізовані програми. У 2013 році Віталік Бутерін, засновник Ethereum, опублікував білий документ Ethereum, в якому викладено суть його дизайну та технічний аспект Ethereum, заклавши основу для енергійного розвитку блокчейн-додатків та екосистем у майбутньому.

Основна мета Ethereum полягала в тому, щоб покращити функціональність Bitcoin, а не лише як системи цифрових платежів. Основна відмінність між ними полягає в тому, що Ethereum може зберігати код, який можна виконати. Цю основну інновацію також називають розумними контрактами, що означає, що будь-який розробник може писати виконувані децентралізовані програми (dApps) на блокчейні Ethereum для реалізації різноманітних бізнес-потреб і соціальних контрактів.

З появою смарт-контрактів користувачі можуть проводити безпечні, прозорі та автоматизовані транзакції та співпрацю без необхідності довіри чи посередників. Це розширило корисність і функціональність блокчейн-мереж.

Однак розробка та практичне застосування Ethereum неминуче зіткнулися з деякими проблемами, з яких найбільш серйозними були проблеми масштабованості. Коли ринок криптовалюти пережив швидке зростання та сплеск обсягу транзакцій, продуктивність блокчейну Ethereum стає недостатньою для задоволення попиту. Тому Ethereum потребує постійних інновацій та еволюції, щоб задовольнити зростаючу базу користувачів.

Цей урок містить вичерпний огляд технологічної еволюції Ethereum, досліджує, як Ethereum став піонером у просторі блокчейну, і допоможе вам зрозуміти проблеми масштабованості, з якими стикається Ethereum, і відповідні рішення.

Огляд технологічної архітектури Ethereum

Обмеження попередніх технологій

До появи Ethereum розробка блокчейнів зосереджувалася в першу чергу на цифрових валютах і платіжних системах із використанням децентралізованих реєстрів блокчейнів для запису транзакцій. Беручи біткойн як приклад, мережу біткойн можна розглядати як систему переходу між станами, яка використовує модель виведення невитрачених транзакцій (UTXO). UTXO означає кількість токенів, що залишилася від транзакції, яку можна використати в іншій транзакції. Це можна інтерпретувати як невитрачений залишок після того, як хтось дав вам певну суму грошей.

Кожен раз, коли майнер створює новий блок, це означає зміну стану мережі Bitcoin, оскільки новий блок містить деякі дійсні транзакції, які споживають деякі існуючі UTXO і створюють нові UTXO. Ці нові UTXO стають найновішим станом мережі біткойн, який відображає кількість і розподіл біткойнів у всіх користувачів.

Попередній стан + дійсні транзакції в новому блоці = Поточний стан

Перехід стану UTXO

У повсякденному житті люди більше знайомі з моделлю рахунку, яка використовується в традиційних банківських системах, де адреса блокчейну відповідає рахунку. Кожна транзакція передбачає переказ коштів або даних з одного облікового запису на інший, а баланс рахунку є активом, яким ви володієте. Під час проведення транзакцій за допомогою моделі UTXO немає обмежень щодо адреси, тобто ви можете використовувати іншу адресу для кожної транзакції. Ваш актив – це сума всіх пов’язаних з вами UTXO, а не баланс конкретної адреси. Таким чином, UTXO має кращу паралелізацію, тоді як модель облікового запису, швидше за все, буде виконуватися послідовно, що призводить до обмеженої продуктивності. Незважаючи на те, що модель UTXO пропонує кращу конфіденційність і масштабованість, вона менш інтуїтивно зрозуміла і складна для реалізації складних логічних операцій. Наприклад, мова програмування Bitcoin має такі обмеження:

1. Не Тьюринг повний
   Незважаючи на те, що мова сценаріїв біткойн підтримує широкий спектр функцій, вона не підтримує всі обчислення, особливо бракує підтримки циклів. Теоретично будь-яка операція циклу може бути досягнута шляхом багаторазового виконання основного коду через кілька рівнів операторів IF, але це призведе до дуже низької ефективності роботи.

2. Важко визначити вартість
   Скрипти UTXO не можуть точно контролювати суму, яку можна вивести. Наприклад, користувач A повинен хеджувати ціновий ризик, а користувач B виступає як контрагент. Дві сторони вносять активи на суму 1000 доларів США в контракт. Через 30 днів користувач A отримує назад біткойн на суму 1000 доларів США, а частина, що залишилася, надсилається користувачеві B. Для цього знадобиться оракул, щоб визначити вартість 1 біткойна в доларах, що змушує оракула зберігати багато UTXO різних номіналів.

3. Відсутність гнучкості держави
   UTXO може бути витраченим або невитраченим. Важко створювати опціонні контракти, децентралізовані системи котирування, протоколи криптографічних зобов’язань та інші програми, які вимагають багатоетапних станів (наприклад, «у використанні»). Таким чином, UTXO можна використовувати лише для створення простих одноразових контрактів, а не складніших «статейних» контрактів у децентралізованих протоколах.

4. Неможливо переглянути дані блокчейну
   Модель UTXO не має видимості даних блокчейна, таких як випадкові числа, мітки часу та хеш попереднього блоку. Це обмеження обмежує розробку ігор та інших типів dApps.

Модель облікового запису Ethereum

Щоб усунути недоліки біткойнів у додатках смарт-контрактів, Ethereum відмовився від моделі UTXO та запровадив модель облікового запису, подібну до особистих банківських рахунків, де база даних записує баланс кожного рахунку та автоматично оновлює його з кожною транзакцією.

В Ethereum є два типи облікових записів: зовнішні облікові записи, керовані закритими ключами, і контрактні облікові записи, керовані кодом смарт-контракту. Ефір служить засобом обміну в мережі Ethereum.

• Облікові записи
  Кожен обліковий запис в Ethereum має унікальну 20-байтову адресу, подібну до номера вашого банківського рахунку. Облікові записи можуть зберігати Ether або дані та можуть передавати Ether або надсилати повідомлення один одному через транзакції.

• Контракти
  Контракти схожі на торгові автомати. Коли ви надсилаєте Ether до контракту, він виконує код у ньому та виконує певні операції на основі логіки, визначеної кодом. Контракти можуть зберігати дані, виконувати код, надсилати повідомлення та взаємодіяти з іншими контрактами.

• Ефір
  Ефір — це рідна криптовалюта Ethereum, яку можна використовувати для оплати зборів за газ у мережі Ethereum. Ви можете передавати Ether за допомогою транзакцій, подібних до здійснення банківського переказу, і використовувати його для придбання послуг або продуктів у рамках контрактів.

Розумні контракти

Під час розробки блокчейну Ethereum був першою мережею блокчейнів, яка сприяла широкому впровадженню смарт-контрактів і dApps. Розумні контракти на Ethereum зазвичай програмуються за допомогою мови Solidity. Це програми, які виконуються на блокчейні з такими функціями, як автоматизація, децентралізація, прозорість і незмінність, що робить їх придатними для реалізації різноманітної бізнес-логіки та правил транзакцій. Користувачі можуть безпечно та надійно здійснювати транзакції без необхідності довіряти третім особам.

Розумні контракти можна використовувати для розробки різних типів dApps, що робить мережу Ethereum по суті глобальним комп’ютером. Будь-хто може отримати доступ до даних, редагувати та керувати різними типами програм на цьому комп’ютері відповідно до своїх потреб.

На перший погляд це може здатися не особливо унікальним, оскільки це просто запущені програми, чи не так? Зберігання даних і виконання коду веб-додатків на централізованих серверах або встановлення програмного забезпечення на персональних комп’ютерах може, здавалося б, досягти тих самих функцій додатків, що й смарт-контракти.

Однак цей підхід пов’язаний з обмеженнями та ризиками, такими як втрата даних, підробка та збої в роботі служби. Поява смарт-контрактів забезпечує безпрецедентну безпеку, можливість перевірки та стійкість до цензури для традиційних програм. Зокрема, смарт-контракти Ethereum мають кілька ключових відмінностей від звичайних веб-додатків і програмного забезпечення на стороні клієнта:

• Зберігання даних
  Дані смарт-контракту зберігаються в блокчейні, при цьому кожен вузол має повну копію. У результаті дані прозорі та незмінні. Навпаки, дані для загальних веб-додатків і програмного забезпечення на стороні клієнта зберігаються на централізованих серверах, де лише адміністратори серверів або авторизовані особи можуть отримати доступ до даних і змінити їх. Це робить дані непрозорими та змінними.

• Логіка програми
  Програмна логіка смарт-контрактів написана на блокчейні, і її важко змінити або видалити після розгортання. В результаті логіка програми фіксована і передбачувана. Навпаки, загальні веб-додатки та програмне забезпечення на стороні клієнта написані на централізованих серверах, що дозволяє будь-коли змінювати або видаляти. Це робить логіку програми гнучкою та непередбачуваною.

• Середовище виконання
  Середовище виконання для смарт-контрактів забезпечується мережею блокчейн, де кожен вузол може перевіряти та виконувати смарт-контракти. Таким чином, середовище виконання відносно децентралізоване та безпечне. Навпаки, загальні веб-програми та програмне забезпечення на стороні клієнта покладаються на централізовані сервери для забезпечення середовища виконання, де лише сервер може виконувати ці програми. Таким чином, середовище виконання є централізованим і відносно небезпечним.

• Метод взаємодії
  Розумні контракти взаємодіють через блокчейн-транзакції, і кожна взаємодія вимагає певної суми ефіру як комісії за транзакцію. Тому метод взаємодії спричиняє витрати та затримки. З іншого боку, звичайні веб-програми взаємодіють через HTTP-запити, тоді як клієнтське програмне забезпечення на персональних комп’ютерах може працювати безпосередньо в операційній системі. Взаємодія в цих випадках зазвичай не потребує жодної оплати, що робить метод взаємодії майже безкоштовним і миттєвим.

Віртуальна машина Ethereum

Віртуальна машина Ethereum (EVM) — це комп’ютер, повний Тьюрінга, який працює на блокчейні Ethereum. Він виконує код смарт-контрактів і змінює стан блокчейну. Аналогією для розуміння є операційна система (ОС), що працює на персональних комп’ютерах або смартфонах, де лише в цьому конкретному середовищі можна виконувати смарт-контракти та програми Ethereum.

EVM працює в ізольованому середовищі, на яке не впливає зовнішнє втручання та не впливає на базове обладнання. Він працює шляхом компіляції коду смарт-контрактів, зазвичай написаного мовою Solidity, у набір інструкцій байт-коду, який називається байт-код EVM. Потім EVM крок за кроком виконує ці інструкції.

Виконання EVM призводить до змін у стані блокчейну, таких як передача токенів, збереження даних або ініціювання подій. Щоб запобігти зловмисному коду смарт-контракту, який викликає нескінченні цикли або збій мережі Ethereum, кожна інструкція споживає певну кількість газу. Якщо газу недостатньо, операцію виконати неможливо.

Плата за газ

Комісія за газ – це комісія за транзакцію, яка сплачується в ефірі (ETH) у мережі Ethereum за виконання смарт-контрактів або передачу токенів. Він використовується для винагороди майнерів, які обслуговують мережу. Вартість плати за газ залежить від складності транзакції та рівня перевантаження мережі, зазвичай вимірюється в Gwei (1 Gwei = 0,000000001 ETH).

Трейдери можуть встановлювати власну ціну на газ (ціна за одиницю газу) і ліміт газу (максимальна кількість газу, яку вони готові заплатити), щоб регулювати швидкість і вартість своїх транзакцій.

Формула для розрахунку плати за газ на Ethereum така:
Ціна на газ * Ліміт газу = Плата за газ

Ціна газу являє собою ціну за одиницю плати. Якщо ціна на газ занадто низька, пріоритет транзакції може бути нижчим, і майнери можуть її ігнорувати.
Ліміт газу стосується кількості зборів. Якщо ліміт газу занадто низький, це не вплине на пріоритет транзакції, але транзакція може бути невдалою через неповне виконання, а сплачена плата за газ не повертається.

Відповідно до EIP-1559 (Пропозиція щодо покращення Ethereum), ціна на газ включає базову плату, яка динамічно коригується залежно від попиту в мережі та розміру блоку. Транзакції з цінами на газ, встановленими вище базової комісії, гарантовано будуть оброблені, а ETH буде спалено, щоб зменшити пропозицію токенів у мережі Ethereum.

Підказки — це необов’язкові додаткові комісії, які користувачі готові платити майнерам або валідаторам. Користувачі можуть установлювати власні значення для підказок, які можуть допомогти покращити пріоритет їхніх транзакцій або прискорити швидкість транзакцій під час перевантаження мережі.

Завдяки газовому механізму Ethereum обчислювальні ресурси та простір для зберігання в мережі блокчейнів можуть бути відповідно оцінені, що може запобігти виконанню смарт-контрактами нескінченних неправильних циклів або нападу зловмисників.

Майнінг

До злиття Ethereum у вересні 2022 року і Ethereum, і Bitcoin покладалися на механізм консенсусу Proof of Work (PoW) для сприяння нормальному функціонуванню їхніх блокчейн-мереж.

Пристрої, які беруть участь у майнінгу, повинні були вирішити складну криптографічну головоломку, використовуючи обчислювальну потужність для обчислення хеш-значення, яке відповідає певним вимогам. Цей процес споживав значні обчислювальні ресурси та електроенергію, а складність головоломки продовжувала змінюватися разом зі збільшенням обчислювальної потужності мережі. Користувачів, які надають обчислювальну потужність, називали майнерами.

Постійно намагаючись обчислити хеш-значення, майнери мали можливість знайти хеш-значення, яке відповідає вимогам. Потім майнери можуть запакувати незавершені транзакції в блок і транслювати блок у всю мережу для перевірки та підтвердження. Якщо блок було підтверджено, майнер отримував би винагороду за блок і комісію за транзакції.

Після оновлення Ethereum 2.0 Ethereum прийняв консенсусний механізм Proof of Stake (PoS) для майнінгу. Вузли, які перевіряють транзакції, повинні зробити певну кількість ефіру як заставу, щоб конкурувати за право створювати нові блоки.

Мета стейкингу полягає в тому, щоб накласти економічні ризики на вузли, щоб вузли, які атакують мережу, втратили свої активи, що призвели до збитків. Це служить стримуючим фактором проти зловмисної поведінки. Чим більше ефіру робить нода, тим вище ймовірність отримати право створювати нові блоки.

Вузли, відповідальні за створення блоків, повинні пакувати незавершені транзакції, генерувати нові блоки та транслювати їх у мережу для перевірки та підтвердження. Якщо блок підтверджено, вузол отримує винагороду за блок і комісію за транзакцію, а також певну віддачу на основі суми поставлених активів.

Механізм майнінгу відіграє вирішальну роль у мережі Ethereum, що в першу чергу відображається в таких аспектах:

1. Забезпечення надійності та безпеки транзакцій
   Майнінг передбачає додавання нових транзакцій до блокчейну, збільшення кількості блоків і підтвердження легітимності цих транзакцій шляхом отримання підтвердження роботи (наразі це підтвердження частки). Майнінг ускладнює зловмисникам зловмисне втручання в транзакції, забезпечуючи надійність і безпеку транзакцій.

2. Збереження децентралізації блокчейну
   Механізм майнінгу може перешкодити будь-якій окремій юридичній особі чи організації контролювати всю мережу Ethereum, оскільки майнінг потребує значної обчислювальної потужності (замість цього наразі використовуються токени), а зловмисникам знадобляться значні ресурси, щоб отримати контроль. Це забезпечує децентралізацію мережі та запобігає монопольному контролю з боку будь-якої особи чи організації

3. Надання стимулів для участі
   Майнінг дозволяє учасникам отримувати винагороди, додаючи ресурси. Це стимулює користувачів брати участь у будівництві та експлуатації мережі, тим самим забезпечуючи її безперебійне функціонування.

Порівняно з майнінгом PoW, майнінг PoS потребує значно менше обчислювальних ресурсів і енергоспоживання, що робить його кращим для задоволення потреб розвитку та масштабованості мережі Ethereum.

Застосування Ethereum

Смарт-контракти Ethereum увімкнули багато важливих програм, зокрема:

1. DeFi (децентралізовані фінанси)
   DeFi є одним із найуспішніших застосувань смарт-контрактів Ethereum. Він використовує смарт-контракти для створення ряду децентралізованих фінансових протоколів, таких як MakerDAO, Compound, Uniswap тощо. Ці протоколи дозволяють надавати такі фінансові послуги, як кредитування, торгівля, страхування, управління активами тощо.

2. NFT (незамінні токени)
   NFT — це цифрові активи, засновані на смарт-контрактах Ethereum, які забезпечують унікальність і неподільність завдяки функції смарт-контрактів. NFT знаходять застосування в різних сферах, таких як мистецтво, музика, ігри, віртуальна нерухомість тощо.

3. DAO (децентралізовані автономні організації)
   DAO — це децентралізована автономна організація, заснована на розумних контрактах Ethereum. Це дозволяє членам приймати рішення з внутрішніх питань шляхом голосування, таких як розподіл бюджету, управління персоналом, інвестиційні рішення тощо. DAO діють у справді децентралізований і демократичний спосіб і можуть застосовуватися до спільнот, компаній, фондів та інших організацій.

4. Випуск токенів
   Стандарт ERC-20 для Ethereum визначає випуск і торгівлю токенами, що дозволяє створювати власні токени, якими можна торгувати в мережі Ethereum.

5. Децентралізоване зберігання
   Існують також деякі розподілені протоколи зберігання файлів на основі смарт-контрактів на Ethereum. Наприклад, протокол Swarm дозволяє користувачам розподілено зберігати файли в мережі, що робить їх більш безпечними та надійними.

6. Хмарні обчислення
   Існують також деякі децентралізовані обчислювальні платформи на основі смарт-контрактів на Ethereum, такі як Golem і iExec. Ці платформи дозволяють користувачам орендувати обчислювальні ресурси для запуску різних програм, досягаючи таким чином більшої ефективності обчислень і обробки даних.

7. Цифрова ідентичність
   EIP-4361 представляє стандартизовану структуру для входу за допомогою Ethereum, що дозволяє користувачам входити в dApps, використовуючи свої адреси Ethereum замість традиційних імен користувачів і паролів. Цей механізм автентифікації покращує конфіденційність і безпеку користувачів, одночасно зменшуючи участь посередників. \
   На додаток до вищезазначених додатків смарт-контракти Ethereum можуть забезпечувати широкий спектр інших випадків використання, таких як ігри, соціальні мережі та управління ланцюжками поставок, серед іншого. Завдяки можливості програмування смарт-контрактів сценарії застосування на платформі Ethereum продовжують розширюватися, пропонуючи значний потенціал для майбутнього розвитку.

Проблеми масштабованості, з якими стикається Ethereum

Ethereum пожертвував певною мірою продуктивності заради децентралізації та безпеки. Через технічні обмеження Ethereum має час генерації блоку приблизно від 12 до 15 секунд, причому кожен блок має обмеження розміру 15 МБ. У результаті Ethereum може обробляти лише близько 15 транзакцій на секунду.

Однак, будучи найбільшою мережею смарт-контрактів з точки зору екосистеми та спільноти розробників, Ethereum зазнав значного збільшення кількості унікальних адрес гаманців із ненульовим балансом у своєму блокчейні, яке зросло більш ніж у десять разів за останні п’ять років. Сплеск різноманітних протоколів і дій користувачів перевантажив існуючий дизайн, загостривши проблеми масштабованості Ethereum.

Щоб покращити масштабованість Ethereum, спільнота розробників запропонувала різні рішення, включаючи сайдчейни, зведення, технологію шардингу та перенаправлення трафіку в інші мережі блокчейнів, сумісні з EVM, щоб зменшити перевантаження.

Висновок

У цьому уроці ми заглибилися в технічну архітектуру та принципи Ethereum, а також у те, як інновації смарт-контрактів використовують потенціал блокчейну, уможливлюючи різноманітні децентралізовані програми та екосистеми для сприяння різноманітним потребам бізнесу та соціальних контрактів.

Однак швидке зростання Ethereum виявило проблему низької масштабованості. Тому вирішення проблеми масштабованості стало головним пріоритетом для задоволення зростаючих потреб користувачів.

У наступному уроці ми розглянемо різні рішення масштабованості та їх застосування в екосистемі, включаючи сайдчейни, зведення та різноманітних конкурентів EVM. Ми також проаналізуємо їхні відповідні переваги та недоліки, щоб краще зрозуміти поточний стан розвитку та майбутні тенденції технології блокчейн.

Основні моменти

• Ethereum — це децентралізована платформа смарт-контрактів на основі технології блокчейн, яка використовує модель облікового запису.
• Ефір служить засобом обміну в мережі Ethereum, використовується для сплати комісій за транзакції та придбання послуг або продуктів у рамках контрактів.
• Розумні контракти на Ethereum програмуються за допомогою мови Solidity і можуть реалізовувати різноманітну бізнес-логіку та правила транзакцій.
• Віртуальна машина Ethereum (EVM) використовується для виконання коду смарт-контрактів і зміни стану блокчейну.
• Кожна інструкція на Ethereum споживає певну кількість газу. Без достатньої кількості газу виконувати операції неможливо.
• Розумні контракти Ethereum мають такі характеристики, як прозорість даних, незмінність, фіксована та передбачувана програмна логіка, децентралізоване та безпечне середовище виконання, а також взаємодія з витратами та затримками.
• Масштабованість є однією з головних проблем, які Ethereum наразі потребує вирішення, і спільнота розробників запропонувала різні рішення, включаючи сайдчейни, Rollups, технологію шардингу тощо.
• Ethereum має власну криптовалюту під назвою Ether (ETH), яка використовується для сплати комісій за транзакції та винагород майнерів. Зараз він використовує механізм консенсусу Proof of Stake (PoS).
• Смарт-контракти Ethereum відкрили можливості для багатьох важливих програм, включаючи DeFi, NFT, DAO, випуск токенів, децентралізоване сховище та хмарні обчислення.
• У своїй гонитві за децентралізацією та безпекою Ethereum пожертвував деякою мірою продуктивності та стикається з проблемами масштабованості. Існуючі рішення включають сайдчейни, Rollups, технологію шардингу та перенаправлення трафіку в інші блокчейн-мережі, сумісні з EVM.