👉👈 Что такое Ethereum Merge и почему это важно
В царстве Ethereum Network полным ходом идет подготовка к крупнейшему в истории сети обновлению — The Merge или слиянию сетей и переходу на алгоритм консенсуса Proof-of-Stake, чтобы сделать сеть более быстрой и энергоэффективной, а ETH дефляционным. Команда готовилась к этому семь лет. Но переход второго по величине блокчейна со всеми dApps и экосистемой DeFi на другой алгоритм — сложный многоэтапный процесс.
В этом лонгриде рассказываем про причины, этапы, сложности и последствия перехода, ведущего к новой главе протокола. Приятного чтения ✨
Что такое The Merge
The Merge, слияние, мердж — запланированное обновление сети Ethereum, которое в первую очередь будет сосредоточено на изменении механизма консенсуса: переходе от Proof-of-Work к Proof-of-Stake, изменении проверки транзакций в блокчейне и добавлении новых блоков.
Слияние удалит слой консенсуса PoW и объединит алгоритм PoS сети Beacon Chain (базовый уровень консенсуса, ранее — Ethereum 2) с текущим майннетом Ethereum (уровнем исполнения).
Разработчики часто меняли название этого перехода: Casper, Shasper, Slasher, Serenity, Ethereum 2 и в итоге, сейчас мы должны называть обновление The Merge. В январе 2022 года в Ethereum специально анонсировали отказ от терминов Ethereum 1 и Ethereum 2, вместо этого введя понятия «уровень исполнения» и «уровень консенсуса»соответственно. Это указывает на то, что мердж не затронет уровень исполнения — dApps, DeFi-платформы, токены пользователей. Изменение коснется майнеров и способа валидации блоков. Таким образом, The Merge называют обновлением, а не форком.
Девелоперы за последние годы уже провели ряд теневых форков, крупных обновлений (Istanbul, Bysantium, London) и публичных запусков на тестнетах (Kiln, Ropsten, Sepolia) и пока все движется неплохо. Виталик Бутерин заявил, что, если не будет проблем, то слияние состоится уже в августе 2022 года. Параллельно с запуском новой сети, запущена бомба сложности (difficutly bomb), чтобы усложнить майнинг блоков на PoW и стимулировать валидаторов переходить на PoS.
Стоит отметить, что The Merge — не конечная точка в дорожной карте проекта. На 2023 год назначены обновления, которые внедрят шардинг — более эффективный способ распределения транзакций в блоках, чтобы еще больше масштабировать сеть и обеспечить дополнительную безопасность.
Зачем нужен The Merge
Причин, из-за которых Ethereum необходимо изменить уровень консенсуса несколько.
Низкая пропускная способность. С ростом популярности, блокчейн столкнулся с ростом сложностей. Сейчас это огромная экосистема, насчитывающая десятки тысячи проектов, объем транзакций превысил триллион, сеть используют большинство DeFi-проектов и стейблкоинов. Но при этом пропускная способность Ethereum остается на уровне 15 транзакций в секунду (transactions per second, TPS). Из-за этого у Ethereum не раз были проблемы, один из первых тревожных звоночков — когда сеть не выдержала испытания популярностью и легла из-за игры Crypto Kitties в 2017 году. PoS может значительно масштабировать сеть, увеличив TPS в сотни тысяч раз (около 100 000 TPS).
Высокая цена газа и низкая скорость транзакций. У Ethereum существенно возросли объемы торгов, что из-за недостаточной пропускаемости оказывает серьезную нагрузку на сеть. От этого случаются абсурдные ситуации, когда за перевод ETH стоимостью в несколько долларов требуется заплатить комиссии более 40$ или даже $60, в зависимости от загруженности майнеров. Также существует проблема MEV — когда майнеры переставляют транзакции в блоке, как им захочется, чтобы увеличить доход с комиссий. Во-первых, это нечестно, во-вторых замедляет работу сети.
Механизм Proof-of-Work очень энергозатратен. В среднем потребуется 282 394 триллиона попыток, чтобы найти хеш длиной в 64 символа, что требует расхода около 121,36 тераватт-часов (ТВтч) в год. Но эти вычисления не имеют никакой научной или любой другой ценности, кроме защиты сети. При этом PoS уменьшит потребление электроэнергии на 99,9%, что сделает его гораздо более экологичным. Он не требует специального дорогого оборудования, валидаторам достаточно будет застейкать 32 ETH, чтобы иметь право валидировать транзакции, выпускать блоки и монеты.
Инфляция vs дефляция ETH. Переход фундаментальным образом изменит токеномику Ethereum и замедлит годовые темпы инфляции до уровня меньше 1%. Таким образом, ETH станет активом с функцией накопления ценности, благодаря перераспределению механизмов сжигания и эмиссии. Эмиссия ETH при этом упадет на 90%.
Опасность атаки 51% и других уязвимостей PoW. Теоретически, если узел получает 51% от общей мощности майнинга сети, он может изменять сеть по своему желанию. Для проведения такой атаки в PoS требуются значительные средства (51% от всех монет), что делает ее нецелесообразной. Если у хакера много токенов, то ему самому невыгодно нападать, так как он обвалит курс и потеряет свои деньги.
Почему выбрали именно Proof-of-Stake вместо Proof-of-Work
Механизм работы PoW можно описать довольно просто: одна сторона представляет результат вычисления, которое, как общеизвестно, трудно вычислить, но легко проверить. Проверив решение, любой другой может быть уверен, что прувер выполнил определенный объем вычислительной работы, чтобы сгенерировать результат. Впервые механизм описали в 1996 году как «Hashcash», использующий доказательство работы на основе SHA256. Изначально систему использовали для защиты от емейл-спама.
Позже создатели Биткоина перепрофилировали алгоритм, чтобы он служил ядром безопасности блокчейна в форме майнинга. Хотя доказательство работы является полностью надежным и безопасным, гарантируя, что тысячи узлов достигнут консенсуса, оно обходится недешево. Проблема в том, что для поддержания дефляции биткоина раз в четыре года происходит халвинг: вознаграждение майнеров за нахождение блоков падает, а сложность вычисления (хешрейт) растет.
В отличие от PoW, в PoS мощность майнеров уже не решает, а центральное место занимают валидаторы, которые стейкают (хранят) более 32 ETH, в случае Ethereum. В PoS-сетях важно подобрать правильное соотношение экономических стимулов: если сеть не наберет достаточного количества валидаторов, то будет не безопасно. Если наоборот, стимул будет несоразмерно большим, то сеть будет раздуваться и переплачивать за безопасность.
Этот альтернативный механизм консенсуса, впервые был реализован в 2012 году в сети PeerCoin. Как и в PoW, в PoS ноды тоже хешируют данные в поисках результата меньше определенного значения, но сложность распределяется пропорционально и в соответствии с балансом конкретной ноды. Идея состоит в использовании доли или stake в качестве показателя, который определяет, какая именно нода может добыть следующий блок. То есть чем больше у вас монет на счету, тем больше шансов создать новый блок.
Представьте, что вы с 10 друзьями не можете выбрать, в какой паб пойти и громко спорите, создавая много шума, но ни одного решения. Согласно механизму Proof-of-Stake, каждый из вас может сделать денежную ставку и доказать серьезность своего намерения предложить хороший вариант, а не просто сотрясти воздух. Если ваши друзья посчитают, что ваше предложение нелепое, то ваш стейк (денежную ставку) ликвидируют в качестве штрафа. Так же и в PoS, предлагаемом Ethereum, будет внедрен механизм поощрений и наказаний.
В PeerCoin, например, при создании блока майнер должен произвести транзакцию «coinstake», отправив некоторую сумму денег себе, а также предустановленное вознаграждение (например, процентную ставку, аналогичную вознаграждению за блок биткоина). Хеш SHA256 вычисляется только на основе ввода транзакции, некоторых дополнительных фиксированных данных и текущего времени (как целое число, представляющее количество секунд с 1 января 1970 года). Затем этот хэш сверяется с требованием подтверждения работы, как и биткоин, за исключением того, что сложность обратно пропорциональна «возрасту монет» ввода транзакции. По сути, каждый PPCoin может действовать как «моделированная установка для майнинга», хотя и с интересным свойством, заключающимся в том, что его мощность майнинга увеличивается линейно с течением времени, но сбрасывается до нуля каждый раз, когда он находит действительный блок.
Еще несколько примечательных проектов на PoS: EOS, Tezos, Cosmos, Cardano, Algorand, Polkadot, Tron, Elrond, Solana (PoS + proof-of-history), BitShares, Nxt, Novacoin, BlackCoin.
Виталик Бутерин был давним сторонником механизма консенсуса Proof-of-Stake и еще в 2014 году писал о том, что PoS может стать хорошей альтернативой системам на PoW. Но все же сейчас блокчейн Ethereum работает на основе протокола Ethash, разновидности Proof-of-Work, запущенном в 2015 году. Весы тогда склонились в сторону PoW потому, что PoS был недостаточно изучен и было не так уж много удачных юзкейсов. В 2018 году разработчики снова всерьез стали говорить о необходимости скорого перехода, тогда Виталик опубликовал в Twitter большой тред с историей, как он пришел к этой идее и научными работами и эссе по PoS.
Опасность централизации и другие возможные проблемы PoS
У некоторых аналитиков переход на PoS вызывает опасения из-за возможной централизации. Согласно статье Лин Олден, в PoS заработок зависит от количества монет в стейкинге. Чтобы зарезервировать монеты, не нужно много ресурсов, нужно лишь увеличивать свой валидаторский стейк за счет процентов от стейкинга и постепенно наращивать свое влияние в сети. Если бы это была политическая система, то кандидат получал бы голос за каждые сто долларов, а затем за каждый голос получал ещё доллар от правительства.
Также существует угроза, что начальные держатели монет не будут заинтересованы в том, чтобы тратить свои монеты, так как их баланс прямо способствует увеличению их благосостояния. В PeerCoin для решения этой проблемы используют элементы PoW для создания новых монет.
Еще проблема с PoS касается «атаки с дальней дистанции». Хакеры могут контролировать старые ключи и использовать их для создания конкурирующей версии цепочки.
Помимо опасности централизации, есть проблема Nothing-at-Stake или пустого стейка. Атакующий может попытаться сделать форк блокчейна, создать более длинную цепочку путем расходования несуществующих активов. Его могут поддержать другие майнеры. После форка, хакер может отклонять определенные транзакции и осуществлять атаку «двойного расходования».
Исследователи из Decentralised Systems Lab назвали обнаруженные уязвимости атаками «Fake Stake». Эти атаки успешные, по словам девов, потому что в PoS version 3 нет адекватной проверки данных с ценных источников (имеются в виду сервера ноды-валидатора), что приводит к возможности атак без крупного стейка или вообще без него. Хакер буквально заполняет диск и оперативную память ноды-жертвы фальшивыми данными, что приводит к отказу со стороны сети.
Этапы мерджа: путь от теневых форков к майннету
Со всеми названиями, форками, обновлениями было бы сложно разобраться в последовательности, но спасибо разработчику Тиму Бейко, который 5 мая 2022 года, опубликовал свежую дорожную карту по мерджу. А также история всех изменений Ethereum есть тут. Чтобы подойти к моменту мерджа, сети потребовалось 20 теневых форков — генеральных репетиций, выполненных в выделенных закрытых тестовых сетях, также три развертывания в общедоступных тестовых сетях. Мы остановимся только на некоторых ключевых моментах.
Обновление Casper
Одно из важнейших обновлений на пути к PoS был запуск проекта Casper(Тред от Виталика). Это протокол токеномики на основе гарантийного депозита или бондинга, означает что валидаторы должны разместить депозит, чтобы обслуживать консенсус (те самые 32 ETH). В протокол встроена возможность контролировать эти депозиты, что влияет на размер вознаграждения валидаторов. В том числе, именно в этом обновлении разработчики внедрили систему наказаний, Casper аннулирует депозит вместе с правом дальнейшего участия валидатора в процессе консенсуса.
В экосистеме Ethereum были разработаны две версии обновления: Casper CBC и Casper FFG. Первые предложил разработчик Влад Замфир, а исследования в Casper FFG осуществляет сооснователь Ethereum Виталик Бутерин. Обновление призвано обеспечить плавный переход от старого механизма консенсуса PoW к PoS. LMD-GHOST — это аббревиатура от Greedy Heaviest Observed Subtree — Last Message Driven (жадное и самое весомое видимое поддерево, управляемое последним сообщением). В Casper есть два основных правила. Первое: валидатор не должен транслировать два разных голоса для одной высоты блока. Второе: валидатор не должен голосовать в пределах других своих голосов. Этот механизм позволяет избежать большинства проблем в Byzantine Fault Tolerant (устойчивых к византийской ошибке) протоколах и в большинстве PoS.
Запуск сети Beacon chain
Первый шаг в направлении к PoS — переход к новому блокчейну Beacon Chain (цепочка-маяк), который состоялся 1 декабря 2020 года. Сейчас этот блокчейн работает параллельно майннету на PoW и в настоящее время включает более 400 000 активных валидаторов. По данным Staking Rewards, около 10,6% запасов ETH заблокированы для ставок в Beacon Chain, несмотря на то, что функция вывода должна быть запущена через шесть месяцев после того, как произойдет слияние.
Это основа для нового консенсусного уровня Ethereum. Блокчейн также подготавливает почву для имплементации шардинга в будущем. Beacon Chain вводит возможность валидаторам управлять их долям, назначать создателя блоков; систему вознаграждений и штрафов. Beacon Chain не может запускать смарт-контракты или управлять учетными записями, Merge принесет эту возможность в экосистему PoW.
Если немного углубиться в систему достижения консенсуса, то Beacon Chain можно сравнить с метрономом, который задает темп для достижения консенсуса системой.
Каждый слот составляет 12 секунд, каждая эпоха состоит из 32 слотов, что эквивалентно 6,4 минуты. В каждую эпоху система выбирает инициаторов блоков для каждого слота и набирает валидаторов. Каждый валидатор может участвовать только в одном слоте за одну эпоху, но нужно не менее 128 валидаторов в каждый слот. Валидаторы контролируют друг друга и получают награду за сигналы о недобросовестном поведении других валидаторов.
Хардфорк London и механизм сжигания ETH
5 августа 2021 года следующим важным шагом был хардфорк London, который изменил модель того, как майнеры взаимодействуют и получают прибыль от Ethereum благодаря обновлению EIP-1559. Наряду со снижением комиссий, впервые перед майнерами замаячила «бомба сложности», которая заставит консенсус Proof-of-Work постепенно усложнить производство блоков и, следовательно, сделать майнинг невыгодным.
Тестовое слияние PoW и PoS в сети Kiln
Ethereum достиг важной вехи в середине марта этого года во время слияния тестовой сети Klin. Тестовое слияние включало в себя объединение слоя PoW с Beacon Chain PoS. Хотя слияние было в основном успешным, разработчик Тим Бейко обнаружил, что один клиент не производит блоки, как ожидалось.
Тестовое слияние PoW и PoS в сети Ropsten
2 июня Ethereum активировали обновление Bellatrix, для подготовки тестовой сети Ropsten к слиянию, они изменили Terminal Total Difficulty (TTD) на уровне 50×1015. TTD регулирует величину приоритетного блока, чтобы избежать фейковых форков (чтобы исключить ситуацию, когда вдруг сеть выбирает валидным не тот блок и создается угроза появления еще одной сети). А уже 8 июня Ropsten успешно мигрировал с PoW на PoS в сети. Разработчики отметили, что эта сеть наиболее приближена к майннету Ethereum. В этот раз тоже не обошлось без проблем, хотя они и не критичные. Команда обнаружила, что блокчейн не дает валидаторам предлагать новые блоки.
В целом разработчики провели семь успешных теневых форков слияния с апреля 2022 года. По сути, теневой форк — это пробный запуск Merge. Фактически не влияя на сеть, они моделируют, как будет выглядеть переход от PoW к PoS, тестируя его на небольшом количестве сетевых узлов. Теневые форки основной сети, которые имитируют слияние в основной сети Ethereum с высоким трафиком, проверяют, как слияние будет работать в наиболее реалистичных возможных условиях.
29 июня прошел форк в майннете Gray Glacier, который снова перенес бомбу сложности. Как заметил Тим Бейко, разработчики надеются, что это в последний раз. Обновление отодвинуло бомбу на 700К блоков, или примерно на 100 дней. Отметим, что это было сделано в обновлениях Byzantium, Constantinople, Muir Glacier, London и Arrow Glacier. Никаких других изменений в рамках Grey Glacier не вносилось. Теперь, когда Ropsten перешел на Proof-of-Stake, бомба сложности влияет только на основную сеть Ethereum. 5 июля прошел 8-й теневой форк в майннете.
The merge тестовых сетей Sepolia и Goerli
После Ropsten на алгоритм PoS перешла вторая тестовая сеть Sepolia. Она была запущена 21 июня 2022 года, слияние успешно закончилось 5 июля. Тим бейко отметил, что слияние прошло на неделю позже. «Вероятно, было бы лучше не проводить слияние Sepolia одновременно с форком Grey Glacier Eth1», — заключил Тим. Разработчики готовят третий тестнет, Goerli, на слияние с Beakon Chain.
Хардфорк Shanghai
После запуска The Merge следующим важным событием считают хардфорк Shanghai. На этом этапе планируется обновить EVM-машину на eWASM, включить вывод стейкированных средств и еще больше повысить масштабируемость.
The Merge в майннете
Процесс перехода основной сети Ethereum на Proof-of-Stake будет идентичен процессу, используемому для тестовых сетей. То есть, переход состоится в три этапа:
- блокчейн-клиенты выпускают ПО, которое поддерживает слияние и начинает «прослушивать» определенную общую сложность, называемую терминальной общей сложностью (TTD). Это значение должно быть достигнуто в PoW.
- Как только TTD срабатывает, следующий блок создается валидатором, который назначается слоту Beacon Chain. Этот блок будет первым блоком после слияния и будет содержать как транзакции конечных пользователей, так и всякие разные данные консенсуса Proof-of-Stake (депозиты, аттестации).
- Завершение первого блока и переход на PoS без форка, то есть уровень исполнения и все данные останутся в той же цепи.
Команда Geth исследует, как запустить post-Merge без консенсусного клиента. «Как поставщик очень хорошего согласованного клиента, я, очевидно, не поддерживаю это (шутка)», — отметил Тим Бейко, но добавил, что легкий клиент не помешает.
Зачем разработчики планируют внедрить шардинг
Следующей после завершения мерджа отметкой станет развертывание механизма шардинга в 2023 году, чтобы повысить пропускную способность Ethereum еще больше. Это считается фазой 1, на этом этапе еще не будет смарт-контрактов и других инструментов. Шардинг позволит разделить блокчейн на 64 мини-цепочки, шарды. Шард — это цепочка из кластера валидирующих нод. Эти ноды несут ответственность только за обработку и проверку транзакций лишь в рамках своих шардов. Система похожа на распределение нагрузки между различными кластерами нейронов в мозгу. Количество транзакций на обработке для конкретных нод значительно уменьшится, что снимет большую часть нагрузки на сеть. Девелоперы надеются, что это приведёт к повышению масштабируемости почти без ущерба для децентрализации или безопасности.
В своем эссе «Почему шардинг великий: развенчивая мифы технических качеств», Виталик Бутерин заявляет, что шардинг — будущее масштабирования сети Ethereum, но эту технологию часто недооценивают из-за недостаточного понимания.
По его словам, основная цель сегментирования на шарды — максимально приблизиться к воспроизведению наиболее важных свойств безопасности традиционных (не сегментированных) блокчейнов, но без необходимости для каждого узла лично проверять каждую транзакцию. Также Виталик предложил использовать технологию проверки с нулевым разглашением данных: «ZK-SNARK можно использовать для проверки того, чтобы кодирование стирания для фрагмента данных было выполнено правильно, а затем можно использовать ветви Merkle для проверки отдельных фрагментов».
Ранее для запуска шардов, в Ethereum разработали новую EVM для Ethereum 2.0, работающую на модели бинарных инструкций под названием WebAssembly.
Также на этом этапе разработчики внедрят перекрестные ссылки, которые позволят записывать и финализировать состояние каждого шарда на Beacon Chain. Это послужит основой для транзакций на более позднем этапе.
Что касается третьей фазы, то там пока только теории. Но в блоге Виталик описывает возможное обновление системы вплоть до шестой фазы. Там перечисляются различные нововведения вроде суперквадратичного шардинга, кроссшаровые транзакции, внедрение легких клиентов и т.д.
Также в марте Виталик делился мыслями про Proto-danksharding — технологии проверки данных для транзакций, в которых содержатся блобы, невидимые для EVM.
Кроме того, существует разработка обновления EIP-4488, которое должно сделать использование роллапов более эффективным. EIP-4488 может уменьшить в пять раз цену за отправку транзакций из L1 в L2.
Токеномика The Merge
Вместе с The Merge разработчики запустят обновление «тройной халвинг», в котором вознаграждение за блок будет сокращено с 12800 ETH до 1280 ETH в день. Это поможет снизить инфляцию до 0,43%. Вместе недавним обновлением EIP-1559, в котором внедрили сжигание части комиссий, эти шаги могут привести в дефляции ETH. После обновления будут сжигаться 500 тысяч ETH ежегодно с отрицательной эмиссией в размере 0,5%.
Что ждет пользователей после слияния
В целом рядовые пользователи не заметят особых изменений. Разве что, считается, что цена ETH пойдет вверх сразу после мерджа. Есть миф о том, что после слияния все комиссионные ETH будут сжигаться, но это не так. Несгоревшие сборы или чаевые на уровне исполнения будут отправлены стейкерам. В дополнение, валидаторы получат 30% от комиссий за транзакции.
Также мердж не означает снижение комиссий. Это ожидается в течение следующего шага с имплементацией шардинга. Пользователи не смогут также вывести застейканный ETH сразу после слияния. Потребуется примерно 6 месяцев до следующего обновления.
Одной из главных возможных проблем юзеров, которые захотят стать валидаторами, является возможность багов и несинхронность блокчейна. Следует внимательно отнестись к обновлению клиентов. В целом, пользователям лучше вообще ничего не делать. Все произойдет автоматически.
Также всегда есть риск, что что-то пойдет не так во время мерджа, но это бы стало настоящей катастрофой для DeFi.
Что еще почитать по теме
Ethereum Foundation Research and Development Blog
The Beacon Chain Ethereum 2.0 explainer you need to read first
The Variable on Proof-of-Stake
Что посмотреть
Cyber Academy — образовательная платформа для блокчейн-разработчиков. Присоединяйтесь к нам ✨
Поддержите нас на Gitcoin
Анонсы | Website | Twitter | Телеграм-чат | GitHub | Facebook | Linkedin
