Снижаем транзакционные издержки: что такое каналы состояния в блокчейне

Рост нагрузки на блокчейн замедляет транзакции и увеличивает комиссии. Одно из возможных решений этой проблемы — каналы состояния (state channels). Они позволяют ускорить процесс за счет вынесения части работы за пределы основной цепи.

Что такое канал состояния

Блокчейн создавался как способ обеспечить прозрачность и достоверность транзакций. Он стал своеобразным «бухгалтером» для цифрового мира — цифровой реестр, база данных, которую невозможно подделать и которая доступна в любой точке планеты. Но есть большая проблема: чем больше пользователей и транзакций в сети, тем сильнее нагрузка на основную цепочку, а значит — выше комиссии и медленнее транзакции.

Чтобы решить проблему, появились решения второго уровня (Layer 2, L2). Они строятся поверх основной цепи и обрабатывают часть данных вовне. Один из самых эффективных инструментов второго уровня — это «каналы состояния».

Канал состояния — это канал между двумя (или несколькими) участниками, где можно совершать неограниченное количество транзакций вне блокчейна, а затем записать в сеть только итог. Таким образом уменьшается нагрузка на основную цепь и увеличивается ее пропускная способность.

Область применения

Каналы состояния особенно полезны там, где требуется высокая скорость и частота взаимодействий при минимальных комиссиях. Это, в первую очередь:

• микротранзакции и небольшие платежи — например, для оплаты в приложениях, или для совершения мелких покупок;
• игры, где важна быстрая реакция на действия пользователей без задержек;
• децентрализованные биржи — для исполнения множества сделок между двумя участниками без записи каждой в цепочку;
• интернет вещей (IoT) и машинные платежи — когда устройства регулярно обмениваются микроплатежами или данными.

Благодаря частичной изоляции от основной сети и снижению нагрузки на нее, каналы позволяют эффективнее масштабировать блокчейн-системы. Проще говоря, это делает системы более удобными для применения в ежедневных обыденных задачах.

Примеры реализации

1. Lightning Network — самая известная реализация для Биткоина. Позволяет проводить моментальные платежи с низкими комиссиями. Работает на основе p2p-каналов между пользователями, закрытие которых отображается в основной цепи BTC.

2. Raiden Network — аналог Lightning для Эфириума. Поддерживает токены ERC-20, позволяет масштабировать сеть за счет off-chain-переводов.

3. Perun — оффчейн-фреймворк, поддерживающий платежи в реальном времени, а также сложную бизнес-логику и взаимодействие между блокчейнами. В технической документации авторы рассматривают канал состояния в качестве надстройки над сетью Эфириума, а в качестве возможных направлений для применения выделяют сервисы микротранзакций и интернет вещей (IoT).

4. Celer Network — мультичейн-система, сочетающая каналы состояния и другие L2-решения. Поддерживает Ethereum, BSC и другие сети.

Как работают каналы состояния в Эфириуме

В сети Эфириума каналы состояния реализуются через смарт-контракты. Их работа строится по четкому сценарию: сперва открыть канал, затем провести взаимодействие между участниками, потом закрыть канал.

При этом сам блокчейн используется только в критически важные моменты: в момент открытия и закрытия каналов или при возникновении споров. Все остальное — вне цепи, напрямую между участниками. 

Рассмотрим алгоритм подробнее и поэтапно.

Открытие канала

Чтобы открыть канал, участники блокируют средства в смарт-контракте в основной сети. Эта сумма служит депозитом, с которым можно производить любые расчеты, не записывая в блокчейн. Кроме того, депозит выступает в роли финансовой гарантии: если кто-то попытается обмануть систему, смарт-контракт способен «оштрафовать» виновного.

Перед началом взаимодействия участники записывают начальное состояние — своего рода точку отсчета. С этого момента канал считается открытым, и начинается обмен транзакциями.

Взаимодействие внутри канала

Во время работы канала стороны обмениваются подписанными транзакциями напрямую. Каждая транзакция включает:

• Nonce — уникальный идентификатор, задающий порядок обновлений и защищающий от атак повторного воспроизведения (так же известных, как «Replay attack»).
• Предыдущее состояние канала.
• Новое состояние канала.
• Описание транзакции, например: «Алиса отправила Бобу 5 ETH».

Все обновления состояния происходят вне блокчейна. Любая сторона может инициировать закрытие канала без согласия второй — для этого нужно отправить последнюю валидную транзакцию в смарт-контракт.

Пока обе стороны согласны с изменениями и подтверждают их своими подписями, эти данные считаются такими же достоверными, как и обычные транзакции в сети Эфириума. Блокчейн на этом этапе может понадобиться только в случае спора между сторонами.

Разрешение споров

Если один из участников отказывается подписывать корректные обновления или пытается подать в сеть старое состояние, включается механизм разрешения споров.

Чтобы избежать мошенничества, в подобных случаях закрытие канала сопровождается challenge window — временем, в течение которого вторая сторона может оспорить представленные данные. Если сторона предоставит более свежее состояние, подписанное обеими сторонами, именно оно будет признано действительным.

Короче говоря, каналы состояния в Эфириуме обеспечивают доверенность без посредников: если у честного участника есть последняя действительная подпись, он всегда сможет добиться справедливого исхода, даже если оппонент действует недобросовестно.

Закрытие канала

Чтобы закрыть канал, участники отправляют финальное, согласованное состояние в смарт-контракт. В нем фиксируются балансы, история изменений и цифровые подписи всех сторон. После этого средства из депозита перераспределяются в соответствии с конечными результатами взаимодействия и записываются в блокчейн. Все, что происходило оффчейн, теперь официально отражено в основной сети.

Плюсы и минусы каналов

Преимущества:

• Скорость: транзакции между участниками выполняются мгновенно, поскольку проходят вне основной сети.
• Низкие комиссии: взаимодействия вне сети снижают транзакционные издержки.
• Приватность: только участники канала знают, что именно происходит — публично записываются лишь начальное и финальное состояния.
• Масштабируемость: сеть способна обрабатывать существенно больше транзакций за счет разгрузки основной цепи.

Недостатки:

• Проведение транзакций в обход блокчейна. Строго говоря, канал состояния нельзя назвать решением проблемы масштабируемости именно блокчейна, так как работа, которая должна выполняться в блокчейне, выносится за рамки сети.
• Ограничения в архитектуре: каналы требуют начальной блокировки средств и не способны реализовать такой же широкий круг сценариев, как другие L2 решения (например, как роллапы).
• Риски при спорах: если одна из сторон пытается обмануть другую, важно, чтобы другая сторона-жертва могла вовремя отреагировать — в противном случае возможны потери.
• Сложность массового внедрения: на практике создание и поддержка подобных каналов — дело, требующее высокого уровня экспертизы. Особенно остро проблема встает, когда необходимо создать относительно гибкое решение, рассчитанное на большое количество пользователей.

Вывод

Каналы состояния — это важный пример решений второго уровня. Каналы позволяют обрабатывать больше операций, снижать комиссии и ускорять взаимодействие между пользователями. Вместе с тем, каналы имеют свои ограничения, в том числе на уровне архитектуры и массового распространения. Но, несмотря на некоторые слабые места, каналы состояния все же предлагают дополнительные возможности снижать транзакционные издержки в точечных сценариях использования.