Автор: Pranav Garimidi, Joachim Neu, Max Resnick, исследователи из a16z crypto; источник: a16z crypto; перевод: Shaw, Golden Finance

Современный блокчейн уже способен с уверенностью заявлять, что обладает необходимой вычислительной мощностью для конкуренции с существующей финансовой инфраструктурой. Текущие системы в производственной среде обрабатывают десятки тысяч транзакций в секунду, и в будущем производительность будет увеличиваться в разы.

Однако, помимо чистой пропускной способности, финансовым приложениям необходима предсказуемость. Когда инициируется транзакция — будь то сделка, аукцион или исполнение опциона — крайне важно надежно гарантировать время подтверждения транзакции в блокчейне, что критично для нормальной работы финансовой системы. Если задержки при подтверждении транзакций становятся непредсказуемыми (будь то из-за злонамеренного вмешательства или случайных факторов), многие приложения перестают функционировать должным образом. Чтобы обеспечить конкурентоспособность финансовых приложений на блокчейне, необходимо предоставлять краткосрочные гарантии подтверждения транзакций: как только валидная транзакция отправлена в сеть, она должна быть как можно скорее включена в блок.

Рассмотрим пример — он-цепной ордербук. Эффективный ордербук требует, чтобы маркет-мейкеры постоянно выставляли ордера на покупку и продажу активов для обеспечения ликвидности. Основная проблема маркет-мейкеров — как минимизировать спред (разницу между ценой покупки и продажи), избегая при этом риска обратного выбора из-за расхождения ценовых предложений с рыночной ситуацией. Для этого маркет-мейкеры должны постоянно обновлять ордера, чтобы отражать текущие рыночные условия. Например, при резком скачке цен после объявления Федеральной резервной системой, маркет-мейкеры должны немедленно обновить ордера по новым ценам. В такой ситуации, если транзакции по обновлению ордеров не могут быть мгновенно подтверждены в блокчейне, арбитражеры смогут совершать сделки по устаревшим ценам, что приведет к их убыткам. В результате маркет-мейкеры вынуждены расширять спред, чтобы снизить риск обратного выбора, что снижает конкурентоспособность платформы.

Механизм предсказуемого подтверждения транзакций способен обеспечить маркет-мейкерам надежную защиту, позволяя быстро реагировать на внешние события и поддерживать эффективный рынок.

Разрыв между текущим состоянием и потребностями

На сегодняшний день существующие публичные блокчейны могут обеспечить лишь несколько секунд надежной гарантии окончательного подтверждения транзакции. Такой уровень гарантии достаточен для платежных приложений, но недостаточен для большинства финансовых сценариев, требующих реакции участников рынка в реальном времени. Возьмем пример ордербука: для маркет-мейкера, если арбитражер сможет включить свою транзакцию в более ранний блок, гарантия «подтверждения за несколько секунд» теряет смысл. Без надежных механизмов подтверждения, маркет-мейкеры вынуждены расширять спред и предлагать менее выгодные цены, чтобы компенсировать риск обратного выбора. Это делает транзакции в цепочке менее привлекательными по сравнению с другими платформами, где гарантии выше.

Если блокчейн действительно хочет стать современной инфраструктурой капиталового рынка, разработчики должны решить эти проблемы, чтобы высокоценные приложения, такие как ордербуки, могли активно развиваться в цепочке.

Где именно кроется сложность предсказуемости?

Усиление гарантий подтверждения транзакций на существующих публичных цепочках для поддержки таких финансовых сценариев — чрезвычайно сложная задача. Многие протоколы полагаются на один узел (так называемый «блок-выбирающий узел»), который в заданный момент решает, какие транзакции включить в блок. Хотя эта архитектура снижает сложность построения высокопроизводительных цепочек, она создает потенциальную точку монополизации — узел-выбирающий может извлекать ценность. Обычно, в течение окна, когда узел выбран для формирования блока, он полностью контролирует, какие транзакции войдут в блок.

Для цепочек, поддерживающих финансовую деятельность, узел-выбирающий занимает привилегированное положение. Если он отказывается включать определенную транзакцию, пользователю остается только ждать следующего узла, готового включить ее. В открытых сетях узлы-выбирающие по определению мотивированы извлекать максимальную ценность, что известно как «выжимание стоимости майнера» (MEV). MEV — это не только атаки типа «сэндвич» на AMM-транзакции. Даже задержка упаковки транзакции всего на несколько десятков миллисекунд позволяет узлу получать огромную прибыль и значительно снижать эффективность работы приложений. Если ордербук приоритетно обрабатывает только часть участников, остальные оказываются в невыгодных условиях. В крайних случаях злоумышленный узел может полностью отказаться от включения транзакций, что заставит участников отказаться от использования этой платформы.

Приведем пример: Федеральная резервная система объявляет о повышении ставки, и цена ETH мгновенно падает на 5%. Все маркет-мейкеры в ордербуке срочно отменяют свои ордера и выставляют новые по более низким ценам. В то же время арбитражеры отправляют транзакции, пытаясь продать ETH по устаревшим ценам. Если ордербук работает на протоколе с одним узлом-выбирающим, этот узел обладает огромной властью. Он может напрямую просматривать все отмены ордеров, чтобы арбитражеры могли зарабатывать на разнице, или задерживать обработку отмен, чтобы сначала пропустить арбитражные транзакции, а затем включить их. Более того, он может вставить свои собственные арбитражные транзакции, извлекая прибыль из ценовых отклонений.

Два ключевых требования: сопротивляемость цензуре и скрытность транзакций

При таком положении дел активное участие маркет-мейкеров становится убыточным — любые колебания цен могут быть использованы злоумышленниками. Проблема в том, что узлы-выбирающие обладают чрезмерными привилегиями: они могут просматривать любые транзакции и решать, включать их или нет, а также могут видеть транзакции других участников и реагировать на них. Любая из этих возможностей может привести к катастрофическим последствиям.

Иллюстрация на примере

Рассмотрим пример аукциона с двумя участниками: Алиса и Боб, причем Боб — это узел-выбирающий блок в этом блоке. (Для простоты — два участника, но логика применима к любому количеству.) Аукцион происходит в течение времени t=0 до t=1. Алиса в момент tA подает ставку bA, а Боб — в момент tB (tB > tA) — ставку bB. Поскольку Боб — узел-выбирающий, он может гарантировать, что его ставка будет последней. Оба участника могут видеть текущие цены (например, среднюю цену на централизованной бирже). Пусть в момент t цена равна pt. Предположим, что в любой момент времени t ожидаемая цена в конце аукциона (t=1) равна текущему pt. Правила просты: тот, кто предложит более высокую ставку, выигрывает и получает актив по своей цене.

Необходимость сопротивляемости цензуре

Теперь посмотрим, что произойдет, если Боб сможет просматривать ставки Алисы. Тогда механизм аукциона полностью разрушится: он сможет просто предложить очень низкую ставку и гарантировать победу, блокируя все остальные ставки. Итоговая прибыль аукциона станет почти нулевой.

Необходимость скрытности транзакций

Более сложный сценарий: Боб не может напрямую просматривать ставки Алисы, но перед своим предложением он видит ее ставку. Тогда он действует так: перед подачей своей ставки он сравнивает текущую цену ptB с bA. Если ptB выше, он ставит чуть выше bA; если нет — пропускает участие. Такой подход заставляет Алису постоянно сталкиваться с обратным выбором: она сможет выиграть только если ее ставка превышает текущую цену, которая сама зависит от действий Боба. В результате, она будет вынуждена либо постоянно повышать ставки, либо отказаться от участия. В конечном итоге, она либо проиграет, либо перестанет участвовать, а Боб сможет в конце предложить очень низкую ставку и выиграть, сводя прибыль аукциона к нулю.

Ключевой вывод: если Боб может просматривать ставки Алисы или видеть их заранее, аукцион обречен на провал. Эта же логика применима к любым сценариям высокочастотной торговли активами: спотовым, бессрочным контрактам, деривативам. Если существует узел-выбирающий с такими полномочиями, рынок разрушится. Чтобы обеспечить работоспособность таких приложений, необходимо исключить возможность узлов-выбирающих иметь такие привилегии.

Как возникают эти проблемы на практике?

Данное описание рисует мрачную картину для любой цепочки с протоколом с одним узлом-выбирающим. Однако, многие децентрализованные биржи (DEX), использующие такие протоколы, показывают хорошие объемы торгов. Почему так происходит?

На самом деле, есть две силы, которые частично нивелируют эти проблемы:

• Узлы-выбирающие не злоупотребляют полностью своими экономическими привилегиями, поскольку их собственные интересы связаны с успехом всей цепочки;

• Разработчики приложений нашли обходные решения, чтобы снизить уязвимость к этим проблемам.

Хотя эти факторы позволяют децентрализованным финансам (DeFi) функционировать, в долгосрочной перспективе они не обеспечивают полноценной конкуренции с традиционными рынками вне цепочки.

На цепочке с значительной экономической активностью для получения права на создание блока необходимо заложить значительный объем токенов. Поэтому узлы-выбирающие либо держат крупные залоги, либо обладают высокой репутацией, которая позволяет другим делегировать им право формирования блока. В любом случае, крупные узлы — обычно публичные организации, чья репутация под угрозой. Кроме того, их залоги создают экономический стимул развивать цепочку в позитивном направлении. Поэтому, пока мы не наблюдаем массовое злоупотребление рыночной властью со стороны узлов-выбирающих, как описано выше, — это не означает, что проблема полностью отсутствует.

С одной стороны, опора на общественное давление и долгосрочные интересы — ненадежный фундамент для регулировки поведения узлов. По мере роста масштабов финансовых операций в цепочке, потенциальная прибыль узлов также увеличивается. Чем больше их потенциал, тем сложнее сдерживать их через социальные механизмы и заставлять соблюдать краткосрочные интересы.

С другой стороны, степень злоупотребления рыночной властью — это непрерывный диапазон: от умеренных нарушений до полного разрушения рынка. Узлы могут постепенно экспериментировать, увеличивая свою прибыль за счет использования привилегий. Когда часть узлов начнет выходить за допустимые границы, остальные быстро последуют. Влияние одного узла кажется незначительным, но если все начнут так поступать, последствия будут очень серьезными.

Наиболее яркий пример — последовательная игра: узлы-выбирающие могут задерживать публикацию блока, чтобы увеличить награду, или делать это так, чтобы блоки иногда пропускались. Хотя такие стратегии известны и прибыльны, изначально узлы избегают их, чтобы сохранить репутацию. Однако, социальное равновесие очень хрупкое: если один узел начнет использовать подобные стратегии и не будет наказан, остальные последуют за ним.

Игры на временных интервалах — лишь один из способов, как узлы-выбирающие могут повышать свою прибыль, не полностью злоупотребляя полномочиями. Они могут использовать и другие методы, чтобы получать больше, чем позволяют приложению. В отдельности эти методы могут казаться допустимыми, но в совокупности они ведут к тому, что издержки на работу цепочки превысят выгоды.

Еще один фактор, поддерживающий работу DeFi — перенос основной логики за пределы цепочки, оставляя только результаты в блокчейне. Например, все протоколы, требующие быстрого исполнения аукционов, делают это вне цепочки. Обычно такие приложения работают на разрешенных узлах, чтобы избежать злоупотреблений со стороны злонамеренных узлов-выбирающих. Например, UniswapX на Ethereum использует цепочечные аукционы голландского типа, выполненные вне цепочки, а Cowswap также переносит массовые аукционы за пределы цепочки.

Хотя такой подход обеспечивает работу приложений, он ставит под угрозу саму базовую ценностную модель цепочки. Если вся логика исполнения находится вне цепочки, то сама цепочка превращается в чистый расчетный слой. Одно из главных преимуществ DeFi — композиционность. В мире, где все происходит вне цепочки, приложения оказываются в разобщенных средах. Кроме того, перенос логики за пределы цепочки добавляет новые предпосылки доверия: чтобы приложение работало, необходимо не только стабильное функционирование цепочки, но и доступность внешней инфраструктуры.

Как добиться предсказуемости?

Для решения этих проблем протокол должен обладать двумя ключевыми свойствами: стабильной гарантией подтверждения транзакций и порядком их сортировки, а также защитой конфиденциальности до момента подтверждения.

Первое требование: сопротивляемость цензуре

Первое свойство можно назвать краткосрочной сопротивляемостью цензуре. Если протокол обладает этим свойством, то любая транзакция, достигшая честного узла, будет гарантированно включена в следующий доступный блок.

Краткосрочная сопротивляемость цензуре: любая валидная транзакция, своевременно доставленная любому честному узлу, обязательно войдет в следующий блок.

Более точно, предположим, что протокол работает по фиксированному тактовому времени, и блоки создаются с интервалом, например, каждые 100 миллисекунд. Тогда необходимо обеспечить, что если транзакция поступила честному узлу за 250 мс, она обязательно войдет в блок, сформированный через 300 мс. Злоумышленник не должен иметь возможности произвольно фильтровать транзакции, выбирать, включать или исключать их. Основная идея — пользователи и приложения должны иметь очень надежный способ гарантировать, что их транзакции будут подтверждены в любой момент времени. Не должно зависеть от того, что один узел потерял пакет или по злому умыслу отказался включить транзакцию.

Хотя эта характеристика предполагает высокие издержки, она важна для обеспечения высокой предсказуемости входа транзакций. В реальности, полностью реализовать такую гарантию на протоколах с одним узлом-выбирающим невозможно, поскольку если он злоупотребит, транзакция не попадет в цепочку. Однако, даже наличие группы из нескольких узлов, способных гарантировать подтверждение, значительно повышает надежность. Для стабильного развития приложений важно найти баланс между производительностью и надежностью. Пока существующие протоколы не обеспечивают достаточной гарантии, необходимо искать новые решения.

Когда протокол сможет гарантировать подтверждение транзакций, вопрос сортировки станет менее критичным. Можно использовать произвольные детерминированные правила сортировки, чтобы обеспечить согласованность результата. Например, сортировать по приоритетной плате или разрешить приложениям задавать собственные правила порядка транзакций, взаимодействующих с их состоянием. Важное условие — транзакции должны успешно подтверждаться, чтобы сортировка имела смысл.

Второе требование: конфиденциальность

После достижения краткосрочной сопротивляемости цензуре, необходимо обеспечить защиту информации — так называемую скрытность. Это означает, что до окончательного подтверждения транзакции в цепочке, никто, кроме получателя, не должен иметь доступа к содержанию транзакции.

Протокол с этим свойством позволяет узлам-участникам видеть транзакции, которые им отправлены, в открытом виде, но остальные участники сети — до момента финализации — не должны знать их содержимое. Например, можно использовать тайм-замкнутую шифровку, при которой содержимое блока становится доступным только после определенного времени, или использовать шифрование с пороговым раскрытием, когда только после подтверждения неконтролируемого совета транзакции расшифровываются.

Это означает, что узлы могут злоупотреблять просмотром транзакций, но остальные участники сети — до завершения консенсуса — не смогут их увидеть. Когда транзакции становятся частью окончательного блока, они уже подтверждены и отсортированы, и другие участники не смогут их опередить. Для практической реализации важно, чтобы в любой момент времени существовало достаточное число честных узлов, способных подтвердить транзакции.

Мы не использовали более сильные определения конфиденциальности — например, что только пользователь знает содержимое транзакции до подтверждения (шифрование в пуле транзакций), — потому что протокол должен иметь механизм фильтрации мусорных транзакций. Если содержимое полностью скрыто, сеть не сможет отличить валидные транзакции от мусора. Единственный способ — оставить в транзакциях некоторые метаданные, например, адреса получателей, которые не скрыты, и при этом платить за транзакцию. Но такие метаданные могут раскрывать достаточно информации для атак. Поэтому предпочтительнее, чтобы один узел видел полное содержимое транзакции, а остальные — нет. Это требует, чтобы в любой момент времени у сети было хотя бы одно честное узло, которое сможет подтвердить транзакцию.

Заключение

Протокол, одновременно обладающий краткосрочной сопротивляемостью цензуре и защитой конфиденциальности, — идеальная основа для построения финансовых приложений. В нашем примере с аукционом эти свойства решают проблему Боба: он не сможет просматривать ставки Алисы и не сможет использовать их для манипуляций, что устраняет основные угрозы.

При наличии этих гарантий любой пользователь, отправляющий транзакцию — будь то сделка или ставка — может быть уверен, что она будет подтверждена мгновенно. Маркет-мейкеры смогут обновлять ордера, участники — быстро делать ставки, а операции — выполняться эффективно. Пользователи будут знать, что их действия немедленно реализуются. Это создаст условия для полноценного построения новых, низколатентных финансовых приложений прямо в цепочке. Чтобы конкурировать с существующей инфраструктурой и даже превосходить ее по производительности, необходимо решать гораздо более сложные задачи, чем просто увеличение пропускной способности.