Виталик о «криптографическом мировом компьютере»: эволюция парадигмы от White Paper Bitcoin к Ethereum

Автор: Vitalik Buterin

Подготовка материалов: Saoirse, Foresight News

Мы называем Ethereum «блокчейном», будто он по своей природе относится к тому же классу технологий, что и биткоин, созданный Сатоши Накамото в 2009 году. В многих аспектах они действительно похожи, и даже будущая «облегченная версия Ethereum», разработанная согласно стратегии Strawmap, сохранит ключевые характеристики блокчейна. Однако эта технология претерпела колоссальные изменения за последние пятнадцать лет и продолжит итеративно развиваться в ближайшие три года. К тому времени будет вполне обоснованно называть эволюционирующую форму Ethereum системой принципиально иного рода.

Современный Ethereum обладает возможностями универсальных вычислений, механизмом Proof-of-Stake (PoS), поддерживает приложения on-chain, использующие доказательства с нулевым разглашением, а также обеспечивает масштабирование и защиту конфиденциальности через сети второго уровня (L2). Будущий Ethereum позволит гибко балансировать между максимальной масштабируемостью и полной универсальностью вычислений; использует разнообразные модели построения блоков с участием множества сторон; применяет глубоко оптимизированный Proof-of-Stake, при этом доказательства с нулевым разглашением будут внедрены непосредственно в базовый протокол и станут его ключевым компонентом.

В данной статье мы рассмотрим с технической точки зрения, а также через призму доступных пользователям свойств системы, наиболее важные фундаментальные различия между блокчейнами 2010‑х годов и блокчейнами 2030‑го года.

Сначала мы последовательно рассмотрим исходный белый документ Bitcoin, сопоставим его с Ethereum и проиллюстрируем различия, используя жёлтый цвет для обозначения Ethereum 2015 года, зелёный — 2025 года, синий — 2030 года.

Эта диаграмма адаптирована из схемы принципов транзакций в работе о биткоине Сатоши Накамото. Она демонстрирует классическую модель каскадного подписывания и перевода средств, отмечая, что новые решения позволяют агрегировать подписи офчейн, отправлять в сеть только одну запись и часто заменять традиционные цифровые подписи доказательствами с нулевым разглашением.

На этой схеме сравниваются механизм Proof-of-Work (PoW) биткоина и Proof-of-Stake (PoS) Ethereum после 2022 года: если ранее блок создавался единственным участником путём непрерывного перебора nonce для нахождения удовлетворяющего условию хеша, то сейчас используется подпись валидаторов, а в будущем — многоуровневое участие различных ролей в совместном построении блока благодаря FOCIL. Компоненты, связанные с транзакциями, такие как подписи и доказательства, будут разделяться и агрегироваться в мемпуле.

В этой иллюстрации приведён шестиступенчатый процесс работы сети из белого документа биткоина. Отмечается, что его первоначальный дизайн лишён таких возможностей, как агрегация мемпула, распределённое построение блоков и анонимизация отправителя. Также показано, как Ethereum PoS и PeerDAS улучшают эту схему: разделение процессов построения блоков и выбора ветви, когда узлам достаточно загружать лишь малую часть блока, а за счёт параллельных доказательств снижается задержка консенсуса.

Данная схема сравнивает предложенную в белом документе биткоина стратегию обрезки Меркл-деревьев с новым подходом к хранению в Ethereum: биткоин позволяет удалять потраченные транзакции для освобождения места на диске, тогда как будущий Ethereum сократит объём хранения за счёт разделения состояния и истории, а также доказательств SNARK. Кроме того, будут внедрены распределённое хранение состояния и оптимизация с использованием различных носителей информации.

На этой иллюстрации раскрывается подход к конфиденциальности из белого документа биткоина: использование только анонимных публичных ключей скрывает личность, но суммы транзакций остаются открытыми, чего недостаточно в условиях современных методов анализа данных. ZK‑SNARK, FOCIL и EIP‑8288 позволят создать более гибкие и программируемые механизмы защиты конфиденциальности, однако останется необходимость решать проблемы приватности запросов к данным и сетевой трансляции информации.

Почти каждый раздел белого документа претерпит масштабные изменения. Для сокращения текста мы свели основные отличия в следующую таблицу:

Подавляющее большинство ключевых характеристик, связанных с концепцией блокчейна, либо уже претерпели фундаментальные изменения, либо ожидают кардинальной трансформации:

• Механизм проверки: загрузка и повторное выполнение → выборка PeerDAS и верификация SNARK
• Механизм консенсуса: Proof-of-Work → Proof-of-Stake → глубоко оптимизированный Proof-of-Stake
• Права на построение блока: создание блока одним майнером → совместное построение блока несколькими сторонами

Говоря языком искусственного интеллекта, единственный объективно заслуживающий доверия вывод (или, проще говоря, ключевая мысль): современные криптографические сети, подобные обновлённой версии Ethereum, называются «блокчейнами» в значительной степени лишь по историческим причинам. По сути, это гибридная архитектура, объединяющая две системы:

1. Ключевые идеи Сатоши Накамото
2. Совершенно новые мощные инструменты криптографии, возникшие в результате пятидесятилетних академических исследований, которые в 2009 году либо ещё не существовали, либо были недостаточно зрелыми

Насколько сильно криптография вплетена в криптографические системы? Сравнение 2009, 2020 и 2030 годов

Криптография — не единственная ключевая дисциплина. Не менее важны формальная верификация, теория баз данных, усовершенствования теории P2P-сетей, информационная теория и экономика. Тем не менее, все эти технологии совместимы с базовой логикой: все участники пытаются создать следующий блок с действительным доказательством выполненной работы; один участник успешно его генерирует и вещает; остальные загружают блок и выполняют его заново, повторяя цикл. Однако криптографические изменения происходят совершенно иначе.

Что всё это означает для пользователей? Самое важное заключение заключается в том, что измерения, в которых пользователям придётся идти на компромиссы, претерпевают радикальные изменения:

При разработке приложений критически важным становится вычислительная структура. В простых блокчейнах один байт равен одному байту, одна единица Gas равна другой единице Gas. В будущей архитектуре: если поместить все вычисления в одну неразбиваемую транзакцию, выполняемую строго последовательно, стоимость таких же вычислений значительно возрастет; но если разделить вычисления на хорошо инкапсулированные независимые задачи, поддерживающие параллелизм или возможность досрочного отсечения (лучше всего выполнить предварительную обработку до включения транзакции в финальный блок), затраты существенно снизятся. Это изменит систему стимулов для разработчиков, и со временем архитектура всех приложений на Ethereum трансформируется: в долгосрочной перспективе может сложиться новая парадигма программирования, когда в блокчейн заносится лишь минимально необходимая информация о необоротных изменениях состояния и порядке выполнения, а все остальные данные агрегируются еще до попадания в блок.

Правильная организация вычислений позволяет блокчейну сосредоточиться на выполнении своих основных задач

Возможно, самым значительным изменением станет то, что: децентрализация сети больше не воспринимается исключительно как нагрузка на производительность, принимаемая ради безопасности и устойчивости; в некоторых ограниченных случаях сама децентрализация может стать преимуществом с точки зрения производительности. Децентрализованные сети способны параллельно хранить огромные массивы данных; множество вычислений могут выполняться одновременно, причем значительная их часть обрабатывается непосредственно в мемпуле транзакций. В определённых сценариях децентрализация также повышает конфиденциальность, поскольку только децентрализованная сеть может эффективно маскировать метаданные (например, источники данных и запросов).

Ещё в середине 2010‑х годов это было ранней целью Ethereum: децентрализация должна была использоваться не только для повышения устойчивости, но и прежде всего для расширения возможностей масштабирования. Централизованные системы могут улучшать производительность за счёт распределения задач между участниками, и блокчейн может так же поступать. Тогда эта идея не могла быть реализована из-за главной слабости — механизма проверки. После разделения задачи необходимо подтвердить, что каждая подзадача выполнена корректно. Ранние предложения пытались решить эту проблему через случайные комитеты отборщиков, но уперлись в одни и те же ограничения: во-первых, развёртывание таких комитетов сложно и дорого, а также существенно увеличивает задержку; во-вторых, при отказе комитета отсутствуют резервные механизмы восстановления. Сегодня, опираясь на современную криптографию, эта проблема решена, а накладные расходы от её применения постепенно снижаются каждый месяц.

Ещё одним направлением, где децентрализация способна улучшить производительность, является задержка. Само по себе Ethereum никогда не сравнится по скорости отклика с централизованными серверами, но инфраструктура, построенная поверх Ethereum, может достичь этого.

В целом, создание мощного децентрализованного промежуточного слоя между пользователями и основной цепочкой (который сам по себе не является блокчейном) способно значительно расширить возможности Ethereum без нарушения фундаментальных характеристик базового блокчейна.

Заглядывая в дальнейшее будущее, Ethereum может столкнуться с новой волной преобразований — возможно, начнёт развиваться программная обфускация (iO). Конечная цель этой области: зрелые и применимые технологии обфускации смогут полностью устранить компромисс между конфиденциальностью и универсальностью. Вы сможете выполнять полностью универсальные вычисления с участием неограниченного количества (асинхронных) участников в полностью защищённом зашифрованном виде. Даже упрощённые версии обфускационных технологий находят множество практических применений, например, в зашифрованных мемпулах транзакций. Однако все выводы, представленные в этой статье, остаются справедливыми и без внедрения данной технологии.

Так выглядит криптографический всемирный компьютер: Ethereum перестаёт быть просто учётной книгой, куда разработчики могут свободно записывать задачи и данные для выполнения; новая архитектура интегрирует блокчейн, криптографическую конфиденциальность и криптографическую верификацию в единую экосистему вместе с мощными децентрализованными компонентами вне основной цепочки.

Полная реализация этой архитектуры всё ещё сталкивается с рядом серьёзных вызовов. Сделать доказательства с нулевым разглашением достаточно эффективными и безопасными непросто, но это относится к категории инкапсулированных сложных задач, которые уже активно оптимизируются в больших масштабах с помощью инструментов ИИ. Более сложные и системно трудоемкие проблемы, вероятнее всего, связаны с управлением огромными объёмами состояния и параллельным доступом к ним. Уже существует множество идей решений, требующих дальнейшей доработки, особенно по мере того, как мы глубже понимаем, какие именно приложения будут работать в будущем.

Анализируя дорожную карту Strawmap, можно заметить, что запланированный на следующий год хардфорк Hegota, скорее всего, станет последним «обычным хардфорком» Ethereum, чьи функции и технологии покажутся знакомыми разработчикам 2015 года. Все последующие обновления после Hegota будут включать рекурсивные STARK, автоматизированную формальную верификацию, высоко оптимизированные алгоритмы консенсуса и глобальную постквантовую защиту. Внедрение PeerDAS ознаменовало начало трансформации Ethereum: превращение из простого блокчейна в систему с существенно возросшими возможностями. После обновления Hegota этот переход станет главной осью развития Ethereum. Конечная цель — создание системы высокобезопасных вычислений, которая будет дешевле, лучше масштабируется и надёжнее защищает конфиденциальность по сравнению с предыдущим поколением технологий. Вот это и есть криптографический всемирный компьютер.