ब्लॉकचेन स्केलिंग के प्रमुख तरीके: रोलअप, साइडचेन, चैनल और शार्डिंग

Ethereum मेननेट प्रति सेकंड लगभग 15 ट्रांज़ैक्शन प्रोसेस करता है। Visa जैसा पेमेंट नेटवर्क दसियों हज़ार ट्रांज़ैक्शन संभालता है। इसी अंतर के कारण ब्लॉकचेन को स्केलिंग की ज़रूरत पड़ती है: बेस चेन पर हर भागीदार से हर ट्रांज़ैक्शन सत्यापित कराए बिना अधिक काम करने का तरीका। पिछले कई वर्षों में उद्योग कुछ अलग-अलग तरीकों—रोलअप, साइडचेन, पेमेंट चैनल और शार्डिंग—पर केंद्रित हुआ है। हर तरीका सुरक्षा, विकेंद्रीकरण और लागत के बीच अलग समझौता करता है।

यह गाइड स्केलिंग के प्रमुख तरीकों, हर तरीके के पीछे के तंत्र और उनकी साथ-साथ तुलना को समझाती है, ताकि अगली बार किसी प्रोजेक्ट के दस्तावेज़ में इनका उल्लेख हो तो अंतर स्पष्ट रहे।

स्केलेबिलिटी ट्राइलेमा

Vitalik Buterin द्वारा प्रस्तुत स्केलेबिलिटी ट्राइलेमा इस क्षेत्र के अधिकतर हिस्से को समझने का बुनियादी मानसिक मॉडल है। एक ब्लॉकचेन एक साथ तीन गुण चाहता है: "स्केलेबिलिटी: चेन एक सामान्य नोड द्वारा... सत्यापित किए जा सकने वाले ट्रांज़ैक्शन से अधिक प्रोसेस कर सके," "विकेंद्रीकरण: चेन बड़े केंद्रीकृत भागीदारों के छोटे समूह पर भरोसे की निर्भरता के बिना चल सके," और "सुरक्षा: चेन भाग लेने वाले नोडों के बड़े प्रतिशत द्वारा किए जा रहे हमले का प्रतिरोध कर सके"—लेकिन पारंपरिक डिज़ाइन इन तीन में से केवल दो हासिल करते हैं (vitalik.eth.limo)। Bitcoin और शुरुआती Ethereum ने थ्रूपुट के बजाय विकेंद्रीकरण और सुरक्षा को चुना; शक्तिशाली वैलिडेटरों के छोटे समूह पर निर्भर उच्च-TPS चेन स्केलेबिलिटी और सुरक्षा तो हासिल करती हैं, लेकिन विकेंद्रीकरण से समझौता करती हैं; और सरल मल्टी-चेन डिज़ाइन स्केल करने के साथ विकेंद्रीकृत रह सकते हैं, पर यदि हमलावर को केवल एक चेन से समझौता करना पड़े तो वे असुरक्षित हो जाते हैं।

नीचे दिए गए हर तरीके का उद्देश्य असल में एक ही सवाल का जवाब देना है: त्रिकोण के बाकी दो को छोड़े बिना थ्रूपुट कैसे बढ़ाया जाए?

रोलअप: निष्पादन ऑफ-चेन, निपटान ऑन-चेन

रोलअप ट्रांज़ैक्शन को Layer 1 (L1) के बाहर निष्पादित करता है और फिर एक संक्षिप्त सारांश—साथ ही मूल ट्रांज़ैक्शन डेटा—बेस चेन पर पोस्ट करता है। इन प्रणालियों के प्रमुख ट्रैकर L2BEAT के अनुसार रोलअप "ऐसे L2 हैं जो समय-समय पर Ethereum पर स्टेट कमिटमेंट पोस्ट करते हैं"; इन कमिटमेंट को "या तो वैलिडिटी प्रूफ़ द्वारा सत्यापित किया जाता है या... आशावादी ढंग से स्वीकार किया जाता है और एक निश्चित फ्रॉड-प्रूफ़ अवधि के भीतर [किसी] फ्रॉड प्रूफ़ के जरिए चुनौती दी जा सकती है" (l2beat.com)। डेटा और कमिटमेंट दोनों L1 पर पहुँचने के कारण कोई भी केवल Ethereum से रोलअप की स्टेट दोबारा बना सकता है। इसी वजह से रोलअप उपयोगकर्ताओं से किसी नए वैलिडेटर समूह पर भरोसा कराने के बजाय L1 की सुरक्षा विरासत में ले सकता है। आज अधिकतर लोगों द्वारा इस्तेमाल किए जाने वाले Layer 2 नेटवर्क के पीछे यही तकनीक है: Base, Arbitrum, Optimism, zkSync और Starknet सभी रोलअप हैं।

ऑफ-चेन निष्पादन की शुद्धता साबित करने के तरीके के आधार पर रोलअप दो परिवारों में बँटते हैं।

ऑप्टिमिस्टिक रोलअप

एक ऑप्टिमिस्टिक रोलअप "ऑफ-चेन ट्रांज़ैक्शन को वैध मानता है और ट्रांज़ैक्शन के बैच के लिए वैधता के प्रमाण प्रकाशित नहीं करता" (ethereum.org)। ऑपरेटर ट्रांज़ैक्शन को बैच में जोड़ते हैं, उन्हें ऑफ-चेन निष्पादित करते हैं और संपीड़ित डेटा Ethereum पर पोस्ट करते हैं। इसके बाद एक चुनौती अवधि खुलती है, जिसमें फुल नोड चलाने वाला कोई भी व्यक्ति फ्रॉड प्रूफ़ के जरिए बैच को चुनौती दे सकता है; L2 से L1 पर धन निकालने के लिए तब तक प्रतीक्षा करनी पड़ती है, जब तक "लगभग सात दिन चलने वाली चुनौती अवधि समाप्त नहीं हो जाती" (ethereum.org)। इसी लगभग एक सप्ताह की अवधि के कारण सामान्य ऑप्टिमिस्टिक-रोलअप निकासी में करीब एक सप्ताह लगता है, जब तक तेज़ निकास के लिए शुल्क लेने वाले किसी तृतीय-पक्ष लिक्विडिटी प्रदाता का उपयोग न किया जाए।

ऑप्टिमिस्टिक रोलअप को पूरी क्रिप्टोग्राफ़िक प्रूविंग पाइपलाइन के बजाय केवल फ्रॉड-प्रूफ़ प्रणाली चाहिए। इसी वजह से ऐतिहासिक रूप से उन पर सामान्य उपयोग के स्मार्ट कॉन्ट्रैक्ट का समर्थन करना आसान रहा है। Arbitrum, Optimism और Base—Coinbase का रोलअप, जिसे ethereum.org "OP Stack से बना एक Optimistic Rollup" बताता है (ethereum.org)—आज उपयोग के हिसाब से सबसे बड़े ऑप्टिमिस्टिक रोलअप हैं।

ZK रोलअप

एक ZK रोलअप इसके उलट तरीका अपनाता है: वैधता मानकर चुनौती अवधि देने के बजाय वह हर बैच के साथ एक वैलिडिटी प्रूफ़—यह साबित करने वाला क्रिप्टोग्राफ़िक प्रमाण कि बैच का स्टेट ट्रांज़िशन सही है—जमा करता है। Ethereum उस प्रूफ़ को ऑन-चेन सत्यापित करता है, इसलिए "ZK-rollup से Ethereum पर धन ले जाने में कोई देरी नहीं होती... क्योंकि ZK-rollup कॉन्ट्रैक्ट के वैलिडिटी प्रूफ़ सत्यापित करते ही निकासी ट्रांज़ैक्शन निष्पादित हो जाते हैं" (ethereum.org)। ZK-rollup "एक बैच में हज़ारों ट्रांज़ैक्शन प्रोसेस कर सकते हैं और उसके बाद मेननेट पर केवल कुछ न्यूनतम सारांश डेटा पोस्ट करते हैं" (ethereum.org)। इसके लिए zk-SNARKs (छोटे प्रूफ़, तेज़ सत्यापन) या zk-STARKs (पारदर्शी, किसी trusted setup की ज़रूरत नहीं) जैसी प्रूफ़ प्रणालियाँ इस्तेमाल होती हैं। zkSync Era, Starknet—"STARKs और Cairo VM पर आधारित सामान्य उपयोग का ZK Rollup" (ethereum.org)—और Linea प्रमुख ZK रोलअप हैं; Polygon zkEVM और Scroll भी मौजूदा Ethereum स्मार्ट कॉन्ट्रैक्ट को ZK-प्रमाण योग्य परिवेश में चलाने के लिए zkEVM लागू करते हैं।

इसका समझौता यह है कि वैलिडिटी प्रूफ़ बनाना गणनात्मक रूप से महँगा है और पूर्ण EVM समानता के लिए इसे बनाना फ्रॉड-प्रूफ़ प्रणाली से तकनीकी रूप से अधिक कठिन है। यही एक कारण है कि ZK रोलअप तेज़ फाइनलिटी देने के बावजूद ऑप्टिमिस्टिक रोलअप पहले मुख्यधारा में पहुँचे।

साइडचेन

एक साइडचेन "एक अलग ब्लॉकचेन है जो Ethereum से स्वतंत्र चलती है और दो-तरफ़ा ब्रिज के जरिए Ethereum मेननेट से जुड़ी होती है"। रोलअप के विपरीत, "साइडचेन एक अलग सहमति तंत्र इस्तेमाल करती है और उसे Ethereum की सुरक्षा गारंटी का लाभ नहीं मिलता" (ethereum.org)। यही इसे Layer 2 से अलग करने वाला मूल अंतर है: साइडचेन विरासत में मिली सुरक्षा के बदले स्वतंत्र डिज़ाइन की आज़ादी और आम तौर पर कम शुल्क तथा तेज़ ब्लॉक चुनती है, क्योंकि वह Ethereum के बजाय अपने वैलिडेटर समूह के प्रति जवाबदेह होती है।

Polygon PoS इसका सबसे प्रसिद्ध उदाहरण है। Polygon का अपना उत्पाद पेज इसे "Ethereum की सबसे अधिक इस्तेमाल होने वाली साइडचेन—अरबों की सुरक्षित वैल्यू के साथ परखी हुई, लगभग तुरंत ट्रांज़ैक्शन और एक सेंट से कम शुल्क" बताता है (polygon.technology); इसे Ethereum के बजाय इसका अपना Proof-of-Stake वैलिडेटर समूह सुरक्षित करता है। Gnosis Chain (पहले xDai) एक और व्यापक रूप से इस्तेमाल होने वाली साइडचेन है; Skale और Metis Andromeda भी इसी श्रेणी में आते हैं। चूँकि आप एक अलग और आम तौर पर छोटे वैलिडेटर समूह पर भरोसा कर रहे होते हैं, इसलिए साइडचेन की सुरक्षा उतनी ही मजबूत होती है जितना उसका वैलिडेटर समूह। यह रोलअप की गारंटी से ठोस रूप से अलग है, जहाँ सिद्धांततः L1 पर एंकर किए गए डेटा का उपयोग करके अमान्य स्टेट को पकड़ा और रिवर्ट किया जा सकता है।

स्टेट और पेमेंट चैनल

एक स्टेट चैनल दो या अधिक पक्षों को साझा कॉन्ट्रैक्ट में धन लॉक करके और सीधे हस्ताक्षरित अपडेट का आदान-प्रदान करके ऑफ-चेन ट्रांज़ैक्शन करने देता है। इस तरह "चैनल के सहभागी ऑफ-चेन ट्रांज़ैक्शन की मनचाही संख्या पूरी कर सकते हैं, जबकि चैनल खोलने और बंद करने के लिए केवल दो ऑन-चेन ट्रांज़ैक्शन जमा करने पड़ते हैं" (ethereum.org)। पेमेंट चैनल साधारण बैलेंस ट्रांसफ़र के लिए इसका विशेष रूप है और "इसे दो उपयोगकर्ताओं द्वारा मिलकर रखे गए 'दो-तरफ़ा लेजर' के रूप में सबसे अच्छी तरह समझाया जा सकता है" (ethereum.org)। सहभागी आपस में कितनी भी बार, ऑफ-चेन और तुरंत ट्रांज़ैक्शन कर सकते हैं; वे बेस चेन को केवल चैनल खोलने (कोलैटरल लॉक करने) और बंद करने (अंतिम बैलेंस का निपटान करने) के लिए छूते हैं।

सबसे प्रसिद्ध क्रियान्वयन Bitcoin का Lightning Network है। इसकी अपनी साइट इसे "ब्लॉकचेन में स्मार्ट कॉन्ट्रैक्ट कार्यक्षमता का उपयोग करके सहभागियों के नेटवर्क पर तुरंत भुगतान संभव बनाने वाला विकेंद्रीकृत नेटवर्क" बताती है। यह "दो-तरफ़ा पेमेंट चैनल" से बना है, जो भुगतान को उसी तरह रूट करते हैं जैसे डेटा पैकेट इंटरनेट पर रूट होते हैं (lightning.network)। इसकी सीमा यह है कि चैनल केवल उन पक्षों के बीच ट्रांज़ैक्शन स्केल करते हैं जिनके बीच खुले चैनलों का रास्ता हो; चैनल खोलने के लिए धन पहले से लॉक करना पड़ता है; और बड़े पैमाने पर चैनल नेटवर्क को अच्छी तरह काम करने के लिए लिक्विडिटी रूटिंग चाहिए। इनमें से कोई शर्त सामान्य उपयोग के रोलअप पर लागू नहीं होती, जो किसी के लिए भी मनचाहे स्मार्ट कॉन्ट्रैक्ट चला सकता है।

शार्डिंग और डेटा-उपलब्धता लेयर

शार्डिंग ब्लॉकचेन के सत्यापन कार्य को नोडों के कई समानांतर उपसमूहों ("शार्ड") में बाँटती है, ताकि किसी एक नोड को पूरे नेटवर्क का ट्रांज़ैक्शन भार प्रोसेस न करना पड़े। Vitalik Buterin का तर्क है कि "शार्डिंग एक ऐसी तकनीक है जो आपको ट्राइलेमा के तीनों कोने देती है" (vitalik.eth.limo); इसमें यादृच्छिक रूप से चुनी गई वैलिडेटर समितियाँ अलग-अलग शार्ड को समानांतर रूप से सत्यापित करती हैं। हर नोड से हर शार्ड का पूरा डेटा डाउनलोड कराए बिना शार्डिंग को सुरक्षित बनाने वाली तकनीक डेटा उपलब्धता सैंपलिंग (DAS) है—"नेटवर्क के लिए यह जाँचने का तरीका कि डेटा उपलब्ध है, बिना किसी एक नोड पर बहुत अधिक भार डाले" (ethereum.org)। कोई लाइट नोड ब्लॉक के डेटा के केवल छोटे, यादृच्छिक रूप से चुने गए हिस्से डाउनलोड करता है और erasure coding की मदद से फिर भी यह भरोसा कर सकता है कि पूरा डेटा प्रकाशित किया गया था।

डेटा उपलब्धता की यही समस्या सीधे रोलअप पर भी लागू होती है। इसीलिए समर्पित डेटा-उपलब्धता लेयर अपनी अलग इंफ़्रास्ट्रक्चर श्रेणी बनकर उभरी हैं। Celestia खास तौर पर इस उद्देश्य से बना मॉड्यूलर ब्लॉकचेन है कि "रोलअप और L2, Celestia को ट्रांज़ैक्शन डेटा प्रकाशित करने और किसी को भी डाउनलोड के लिए उपलब्ध कराने वाले नेटवर्क के रूप में इस्तेमाल कर सकें" (celestia.org)। इससे रोलअप अपना डेटा Ethereum मेननेट के बजाय सस्ती, इसी काम के लिए बनी DA लेयर पर पोस्ट कर सकता है। EigenLayer के रीस्टेकिंग इंफ़्रास्ट्रक्चर पर बना EigenDA तुलनीय सेवा देता है, जिसे ऐसे Ethereum स्टेकर सुरक्षित करते हैं जो DA लेयर को भी सुरक्षित करने का विकल्प चुनते हैं। Ethereum L1 के बजाय बाहरी DA लेयर पर डेटा प्रकाशित करने वाले रोलअप को कभी-कभी "शुद्ध" रोलअप के बजाय validium या optimium कहा जाता है, क्योंकि L2BEAT उन्हें रोलअप और दूसरे L2 समाधानों के साथ एक अलग श्रेणी में ट्रैक करता है (l2beat.com)। डेटा पोस्ट करने की लागत घटाने के बदले वे डेटा उपलब्धता के लिए बाहरी नेटवर्क पर निर्भर होते हैं और L1 पर एंकर किए गए डेटा वाली सुरक्षा गारंटी का कुछ हिस्सा छोड़ते हैं।

तरीकों की तुलना

कोई एक तरीका हर पहलू में विजेता नहीं है। इसी कारण उत्पादन प्रणालियाँ इन्हें लगातार अधिक मात्रा में जोड़ रही हैं—उदाहरण के लिए, Ethereum के बजाय Celestia पर अपना डेटा पोस्ट करने वाला ZK रोलअप एक लेयर से वैलिडिटी-प्रूफ़ सुरक्षा और दूसरी से सस्ती डेटा उपलब्धता लेता है।

इसका टोकनाइज़्ड डोमेन से संबंध

स्केलिंग के विकल्प टोकनाइज़्ड डोमेन के लिए महत्वपूर्ण हैं, क्योंकि हर मिंट, ट्रांसफ़र, DNS अपडेट या कोलैटरल कार्रवाई एक ऑन-चेन ट्रांज़ैक्शन है, और उसकी लागत तथा फाइनलिटी का समय इस बात पर निर्भर करता है कि उसका निपटान कहाँ होता है। ऑप्टिमिस्टिक रोलअप पर पुष्टि किया गया टोकनाइज़्ड .com ट्रांसफ़र L2 पर सस्ता और तेज़ लग सकता है, लेकिन रोलअप ट्रांज़ैक्शन तभी अंतिम होता है जब रोलअप ब्लॉक Ethereum पर स्वीकार हो जाता है। तेज़-निकास ब्रिज रोलअप स्टेट को L1 पर जल्दी अंतिम नहीं बनाता: निकासी के मामले में, तरलता प्रदाता सिर्फ़ लंबित L2 निकासी का स्वामित्व लेकर L1 पर उपयोगकर्ता को भुगतान करता है, आम तौर पर एक शुल्क लेकर, जबकि कैनॉनिकल निकासी चुनौती अवधि ख़त्म होने तक प्रतीक्षा करती है। ZK रोलअप पर वही ट्रांसफ़र वैलिडिटी प्रूफ़ पहुँचते ही L1 के सापेक्ष अंतिम हो जाता है। साइडचेन और भी सस्ती हो सकती हैं, लेकिन केवल साइडचेन पर मौजूद डोमेन NFT को Ethereum की सुरक्षा के बजाय उस साइडचेन के छोटे वैलिडेटर समूह की सुरक्षा विरासत में मिलती है। इन समझौतों को समझना यह जानने का हिस्सा है कि किसी डोमेन के ऑन-चेन प्रतिनिधित्व में वास्तव में आपका स्वामित्व किस चीज़ पर है—यही सतर्कता सामान्य रूप से Web3 की बुनियाद के हर हिस्से में महत्वपूर्ण है।

स्रोत और आगे पढ़ने के लिए

• ब्लॉकचेन स्केलेबिलिटी की सीमाएँ — Vitalik Buterin
• Layer 2 — ethereum.org
• ऑप्टिमिस्टिक रोलअप — ethereum.org
• ZK-Rollup — ethereum.org
• साइडचेन — ethereum.org
• स्टेट चैनल — ethereum.org
• डेटा उपलब्धता — ethereum.org
• L2BEAT स्केलिंग सारांश
• Celestia क्या है? — celestia.org
• Lightning Network
• Polygon PoS — polygon.technology