Описание Elrond ERD

Elrond ERD - старый токен сети Elrond Network, который использовался разработчиками на этапе краудфандинга и разработки. В начале сентября 2020 года, после запуска основной сети, потерял актуальность в связи с выпуском нативного токена управления сетью eGLD. Эмиссия токена составляет 20 млн. Это в 1000 раз меньше, чем эмиссия токена ERD формата ERC-20. Свап токенов ERD на eGLD был запущен 3 сентября 2020 года на Binance и 4 сентября в сети Elrond Network с помощью нативного моста.

Об Elrond Network

Elrond описывает себя как новую архитектуру блокчейна, призванную обеспечить совокупное повышение пропускной способности и скорости выполнения транзакций в 1000 раз. По сообщениям, Elrond может обрабатывать до 10 000 транзакций в секунду (TPS) с задержкой в 5 секунд и незначительной стоимостью. Он нацелен на то, чтобы стать основой безграничной и доступной во всем мире интернет-экономики.

В процессе создания инновационного публичного блокчейн-решения, рассчитанного на масштабирование, разработчики планируют должным образом образом решить несколько проблем:

Полная децентрализация - устранение необходимости в доверенной третьей стороне и, следовательно, устранение любой точки отказа;

Надежная безопасность - обеспечение безопасных транзакций и предотвращение любых атак на основе известных векторов атак;

Высокая масштабируемость - позволяет сети достичь производительности, по крайней мере, равной производительности централизованного аналога, измеренной в TPS;

• Эффективность - выполнение всех сетевых услуг с минимальными требованиями к энергии и вычислительным ресурсам;

• Улучшение начальной загрузки и хранения - Обеспечение конкурентоспособной стоимости хранения и синхронизации данных;

• Межсетевое взаимодействие. Обеспечивается конструктивным исполнением, позволяя неограниченное взаимодействие с внешними службами.

Исходя из вышеперечисленных задач, мы создали Elrond как полностью переосмысление инфраструктуры общедоступной цепочки блоков, специально разработанной для обеспечения безопасности, эффективности, масштабируемости и взаимодействия.

Главный вклад Elrond  состоит из двух основных элементов:

1) Уникальный подход State Sharding: эффективное разделение блокчейна и состояния учетной записи на несколько шардов, параллельно обрабатываемых различными участвующими валидаторами;

2) Механизм консенсуса Secure Proof of Stake: улучшенный вариант Proof of Stake (PoS), который обеспечивает долгосрочную безопасность и распределенную справедливость, устраняя необходимость в энергоемких алгоритмах PoW.

Рассмотрим детальнее каждый из механизмов

Adaptive State Sharding

Elrond предлагает динамически адаптивный механизм сегментирования, который позволяет вычислять сегменты и реорганизовывать их в зависимости от необходимости и количества активных сетевых узлов. Переназначение узлов в шардах в начале каждого является прогрессивным и недетерминированным, не вызывая временных штрафов за жизнеспособность. Адаптивное сегментирование состояния связано с дополнительными проблемами по сравнению со статической моделью.

Один из ключевых моментов заключается в том, как выполняется разделение и объединение сегментов для предотвращения общих штрафов за задержку,  которые вызваны потребностями синхронизации / связи при изменении номера сегментов. Задержка в данном случае - это накладные расходы на связь, необходимые узлам для получения нового состояния после того, как их адресное пространство сегментов было изменено.

Elrond решает эту задачу следующим образом:

1) Разделение адресного пространства учетной записи на сегменты с использованием двоичного дерева, которое можно построить с единственным требованием знания точного количества сегментов в определенный этап. Используя этот метод, можно уменьшить накопленную задержку и повысить работоспособность сети двумя способами. Во-первых, благодаря разработанной модели, разделение адресного пространства учетной записи предопределено иерархией. Следовательно, нет разделенных накладных расходов, что означает, что один сегмент разбивается на два сегмента, каждый из которых сохраняет только половину предыдущего адресного пространства в дополнение к связанному состоянию. Во-вторых, задержка сокращается за счет механизма избыточности состояний, поскольку слияние готовится путем сохранения состояния в одноуровневых узлах.

2) Внедрение метода балансировки узлов в каждом сегменте для достижения общего архитектурного равновесия. Этот метод обеспечивает сбалансированную рабочую нагрузку и вознаграждение для каждого узла в сети.

3) Разработка встроенного механизма автоматической маршрутизации транзакций в соответствующих шардах, как результат, значительно снижает задержку. Алгоритм маршрутизации описан в главе IV.4 - Подход к шардированию Elrond.

4) Чтобы добиться значительных улучшений в отношении начальной загрузки и хранения, Elrond использует механизм сокращения сегментов. Это обеспечивает устойчивость нашей архитектуры даже при пропускной способности в десятки тысяч транзакций в секунду (TPS).

Защищенный Proof of Stake (SPoS)

Разработчики предлагают механизм консенсуса Secure Proof of Stake, который расширяет идею Алгоранда о механизме случайного выбора:

1) Elrond представляет усовершенствование, которое снижает задержку, позволяя каждому узлу в сегменте определять членов консенсусной группы (предлагающих блоки и валидаторы) в начале раунда. Это возможно, потому что коэффициент рандомизации r хранится в каждом блоке и создается разработчиком блока с использованием подписи BLS [4] на предыдущем r.

2) Предлагающий блок является валидатором в консенсусной группе, у которого хэш открытого ключа и коэффициент рандомизации наименьшие. В отличие от подхода Алгоранда, где случайный выбор пуламожет занимать до 12 секунд, в Elrond время, необходимое для случайного выбора консенсусной группы, значительно сокращено (по оценкам, менее 100 мс), за исключением задержки в сети. В самом деле, для этого процесса случайного выбора не требуется связи, что позволяет Элронду иметь новую и случайно выбранную группу, которая успешно фиксирует новый блок в реестре в каждом раунде. Компромисс для этого улучшения основан на предпосылке, что противник не может адаптироваться быстрее, чем период времени раунда, и может решить не предлагать блокировку.

Дальнейшим улучшением безопасности генератор случайных чисел могло бы стать использование проверяемых функций задержки (VDF), чтобы предотвратить любые возможности вмешательства в генератор случайных чисел, пока не станет слишком поздно. В настоящее время исследования в области VDF все еще продолжаются - существует всего несколько работающих (и плохо протестированных) реализаций VDF.

3) В дополнение к фактору стейкинга, обычно используемому в архитектурах PoS в качестве единственного входа для принятия решения, Elrond уточняет свой механизм консенсуса, добавляя дополнительный весовой коэффициент, называемый рейтингом. Вероятность выбора узла в консенсусной группе учитывает долю и рейтинг. Рейтинг предложившего блок пересчитывается в конце каждого этапа, за исключением случаев, когда должно произойти сокращение, когда фактическое снижение рейтинга происходит мгновенно, добавляя еще один уровень безопасности за счет поощрения меритократии.

4) Модифицированная схема мультиподписи BLS [5] с 2 раундами связи используется консенсусной группой для подписи блока.

5) Элронд рассматривает формальную проверку критических реализаций протокола (например, механизма консенсуса SPoS), чтобы проверить правильность наших алгоритмов.

Архитектура

В целом в Elrond есть два основных элемента: пользователи и узлы. Пользователи, каждый из которых имеет (конечное) количество пар ключей публичный / частный (Pk / sk) (например, в одном или нескольких приложениях-кошельках), используют сеть Elrond для развертывания подписанных транзакций для передачи значений или выполнения смарт-контрактов. Их можно идентифицировать по одному из адресов их учетных записей (полученному из открытого ключа).

Узлы представлены устройствами, которые образуют сеть Elrond и могут быть пассивными или активно участвовать в задачах обработки. Приемлемые валидаторы являются активными участниками сети Elrond. В частности, они несут ответственность за достижение консенсуса, добавление блоков, поддержание состояния и вознаграждение за свой вклад. Каждый наделенный правами валидатор может быть однозначно идентифицирован открытым ключом, созданным на основе адреса, на котором размещена необходимая сумма, и идентификатора узла.

Кроме того, сеть разделена на более мелкие блоки, называемые осколками. Подходящий валидатор назначается шарду на основе алгоритма, который обеспечивает равномерное распределение узлов по шардам в зависимости от уровня дерева. Каждый осколок содержит случайно выбранную консенсусную группу. Любой предлагающий блок отвечает за объединение транзакций в новый блок. Валидаторы несут ответственность либо за отклонение, либо за одобрение предложенного блока, тем самым подтверждая его и фиксируя в цепочке блоков.

Внутренний служебный токен

Elrond предоставляет доступ к использованию своей сети через внутренние служебные токены, называемые Elronds, или сокращенно ERD. Все затраты на обработку транзакций, запуск смарт-контрактов и вознаграждения за различные взносы в сеть будут оплачиваться в ERD. Ссылки на сборы, платежи или остатки предполагаются в ERD.

Модель угроз Elrond предполагает византийскую модель соперничества, в которой по крайней мере 2 3 n + 1 подходящих узлов в шарде являются честными. Протокол допускает существование противников, которые имеют долю или хороший рейтинг, задерживают или отправляют конфликтующие сообщения, компрометируют другие узлы, имеют ошибки или вступают в сговор между собой, но при условии, что 2 3 n + 1 подходящих валидаторов в шарде честны / без компрометации протокол может достичь консенсуса. Протокол предполагает наличие высокоадаптивных противников, которые, однако, не могут адаптироваться быстрее, чем период раунда. Вычислительная мощность злоумышленника ограничена, поэтому криптографические допущения, предоставляемые уровнем безопасности выбранных примитивов, прочно удерживаются в рамках класса сложности задач, решаемых машиной Тьюринга за полиномиальное время. Предполагается, что сеть честных узлов образует хорошо связанный граф, и распространение их сообщений осуществляется за ограниченное время ∆.

Способы предотвращения взломов

1) Атаки Сибиллы: смягчаются за счет блокировки стейкинга при подключении к сети. Таким образом, стоимость создания новых идентификаторов равна минимальному стейкингу;

2) Ничего не поставлено на карту: удалено из-за необходимости нескольких подписей, а не только от предлагающего, и сокращения ставки. Вознаграждение за блок по сравнению с заблокированной ставкой будет препятствовать такому поведению;

3) Атаки с удаленных серверов: смягчаются механизмом отсечения, использованием случайно выбранной группы консенсуса в каждом раунде (а не только одного предлагающего) и блокировкой ставок. Помимо всего этого, алгоритм консенсуса pBFT обеспечивает окончательность;

4) DDoS-атаки: консенсусная группа выбирается случайным образом каждый раунд (несколько секунд); небольшие временные рамки делают DDoS практически невозможным. 

Хронология

В сети Elrond временная шкала разделена на эпохи и раунды. Эпохи имеют фиксированную продолжительность, равную одному дню (могут быть изменены по мере развития архитектуры), по окончании которой запускается реорганизация и сокращение сегментов. Эпохи далее делятся на раунды, длящиеся в течение фиксированного периода времени. Новая консенсусная группа выбирается случайным образом для каждого шарда в каждом раунде, который может зафиксировать максимум один блок в реестре шарда. Новые валидаторы могут присоединиться к сети, заблокировав свою долю.

Они добавляются в пул неназначенных узлов в текущую эпоху e, назначаются в список ожидания шарда в начале эпохи e + 1, но могут стать только подходящими валидаторами для участия в консенсусе и получения вознаграждения в следующей эпохе e. + 2.