Уровни блокчейна. Что такое Layer 1 и Layer 2? Разбираем на примерах
Как мы знаем, Bitcoin появился еще в начале 2009 года. Но только в 2017 году блокчейны стали массовыми. И только в ноябре 2021 года — почти через 12 лет после появления биткоина — рыночная капитализация всего крипторынка достигла своего пика в $2,9 трлн.
Рост первой криптовалюты создал неизмеримую ценность и изменил то, как общество воспринимает деньги и кто контролирует финансовый поток. Но на пути развития блокчейны стали жертвами собственного успеха. Они не могли обрабатывать возросший трафик, что приводило, или к длительному времени транзакций, или к высоким комиссиям.
Чтобы понять, почему это так, мы должны разобраться, почему сети блокчейнов также называют сетями уровня 1, что такое сети уровня 2, и что отличает блокчейны от обычных компьютерных сетей.
Блокчейны vs. компьютерные сети
На базовом уровне все блокчейны представляют собой компьютерные сети. Компьютерные сети состоят из групп участников сети, известных как ноды (узлы). Они обмениваются данными и совместно используют вычислительные ресурсы. Эти ноды могут коннектиться друг с другом самыми разными способами. Существует четыре основных типа компьютерных сетей:
- Сетка — узел (нода) коннектиться к каждому другому узлу.
- Кольцо — узел соединяется с двумя другими узлами, создавая двунаправленное кольцо.
- Шина — узел соединяется только с одним другим узлом.
- Звезда — серверный узел коннектиться с клиентскими узлами.
Звезда — самая распространенная компьютерная сеть, потому что она быстрая и дешевая. В звездообразных архитектурах узел (нода) центрального сервера передает данные напрямую другим узлам, поэтому данные не должны проходить через каждый узел на пути к другим. Это экономит пропускную способность сети. А поскольку серверный узел предоставляет вычислительные ресурсы непосредственно клиентским узлам, такая система является очень эффективной. Однако и цена производительности будет высокой — мы получаем централизацию как с точки зрения контроля, так и с точки зрения точек отказа (single points of failure, SPoF). Отказ единой точки приводит к отказу всей сети.
Напротив, одноранговые (P2P) сети не используют серверные узлы для координации сети. Вместо этого каждый узел действует как клиент и сервер, разделяя вычислительные ресурсы по сети. Такой принцип решает проблему централизованного управления и SPoF, поэтому это идеальное решение для P2P-денег, таких как Биткоин.
Минус децентрализации заключается в том, что одноранговые сети сложно масштабируются. Эта проблема касается и сетей блокчейна, поскольку они защищены механизмами консенсуса P2P-сетей. Виталик Бутерин, соучредитель Ethereum, назвал эту проблему трилеммой масштабируемости (также известной как трилемма блокчейна).
Ранние блокчейны предлагали только две функции из трех. То есть, им приходилось жертвовать либо масштабируемостью, либо безопасностью, либо децентрализацией.
Как устроен блокчейн уровня 1 (Layer 1)
Чтобы решить трилемму масштабируемости, сети блокчейнов начали внедрять разные подходы. Эти подходы называются Layer 1 — базовый уровень сети блокчейн. Bitcoin, Ethereum и Solana — все это примеры блокчейнов первого уровня.
Одним из самых очевидных способов решить трилемму масштабируемости на Layer 1 было увеличить размер блока. Это позволяет блокчейну обрабатывать больше транзакций в каждом блоке данных. Чем больше размер блока, тем больше транзакций он может обрабатывать в секунду.
Тут есть минус. Увеличение размера блока требует от операторов нод использовать более мощные компьютеры. Такую покупку могут себе позволить меньшее количество операторов, что приводит к большей централизации.
Когда миллиардер Илон Маск предложил увеличить размер блока Dogecoin на 900%, соучредитель Ethereum Виталик Бутерин указал , что блокчейн не будет децентрализованным, если обычные пользователи с ПК потребительского уровня не смогут запустить ноду.
Современные сети Layer 1 решают трилемму масштабируемости с помощью механизмов консенсуса и шардинга.
Протоколы консенсуса
Алгоритмы консенсуса лежат в самой основе блокчейна. Чтобы биткоин и другие криптовалюты имели ценность, P2P-сеть должна решить две ключевые проблемы: двойное расходование и стимулирование.
Двойное расходование — это когда кто-то дважды использует один и тот же дефицитный ресурс (например, деньги). Данная проблема присуща цифровым технологиям, потому что такие файлы можно копировать бесконечно. Чтобы решить эту проблему, блокчейны делают каждую транзакцию уникальной с помощью временных меток и хэшей, а также путем добавления их в пакеты транзакций, называемые блоками. Чтобы подделать транзакцию, узлу придется подделать весь блок.
Именно здесь вступают в действие алгоритмы консенсуса. Они децентрализованно координируют все ноды сети. Чтобы блок прошел, сеть должна верифицировать содержащиеся в нем данные. Важно отметить, что если некоторые сетевые узлы отправляют ложные данные, сеть будет дальше работать, пока большинство валидаторов узлов контролируют вычислительную мощность сети (хешрейт).
«Пока большая часть мощности ЦП контролируется узлами, которые не сотрудничают для атаки на сеть, они будут генерировать самую длинную цепочку и опережать злоумышленников». — Сатоши Накамото, создатель биткоина
Такое сетевое взаимодействие называется Задача Византийских Генералов (BFT, Byzantine Fault Tolerance). В децентрализованной сети чрезвычайно важно, чтобы сеть работала, даже если некоторые ее узлы ненадежны или не работают. В противном случае блокчейн бы остановился.
В дополнение к решению проблемы двойных трат протоколы консенсуса стимулируют узлы продолжать обработку транзакций. Это не менее важно: зачем кому-то жертвовать своей вычислительной мощностью и бесплатно оплачивать огромные счета за электроэнергию?
В случае с Bitcoin операторы нод (майнеры) расходуют вычислительные ресурсы. За свои труды они получают вознаграждение за блок в виде BTC. Этот алгоритм известен как proof-of-work (PoW).
Другие блокчейны, такие как PoS, используют валидаторов в качестве операторов нод. Вместо того, чтобы тратить энергоемкие вычислительные мощности, валидаторы полагаются на стейкинг (блокировку) ресурсов — монет — для достижения той же цели координации консенсуса.
Например, после перехода на PoS, Ethereum потребует стейка в 32 ETH за право стать валидатором. После того, как валидаторы застейкают средства, они начнут получть комиссию за каждую транзакцию.
Итак, протоколы консенсуса ставят перед злоумышленникам препятствия, которые практически невозможно преодолеть. Например, в случае с биткоинами они должны иметь процессор мощностью больше, чем 51% от мощности всей сети. Этого невозможно достичь, учитывая размер блокчейна.
Годовое энергопотребление сети Bitcoin равно потреблению Таиланда и составляет 204,5 ТВтч. Злоумышленникам придется накопить более половины этой мощности, чтобы провести скоординированный взлом.
Теперь пример с Ethereum. Чтобы контролировать блокчейн, преступнику пришлось бы выкупить самую большую долю ETH — то есть, это задача для очень богатых хакеров. Но злоумышленник должен быть готов потерять это богатство; вся сеть потеряет свою ценность, как только она обработает мошенническую транзакцию.
Хотя большинство новых L1 используют PoS, они не всегда лучше масштабируются. Solana – PoS блокчейн, несколько раз переставал работать из-за того, что трафик рос быстрее, чем мощность. Ее протокол стейкинга был малопригоден, потому что одно время почти половина нод Solana размещалась всего в пяти центрах обработки данных.
Solana предлагает теоретическую пропускную способность сети 50 000 транзакций в секунду (TPS). Это намного больше, чем у Bitcoin (~ 5 TPS). Но какой в этом смысл, если нет децентрализации?
Шардинг
Еще одно решение масштабируемости layer 1 — шардинг. Он разбивает сеть на небольшие базы данных, называемые шардами. Каждый шард выполняет свои транзакции и добавляет блоки со своими нодами.
Распределяя обработку по множеству маленьких шардов, мы снимаем нагрузку с основного механизма консенсуса, что приводит к более высокому показателю TPS.
Но есть одно но. Поскольку каждый шард меньше, преступнику легче накопить средства или вычислительную мощность, необходимые для контроля над сетью. По этой причине шардинг еще предстоит проверить на большом блокчейне, чтобы доказать его надежность.
Ethereum лидирует в этом вопросе. Он планирует внедрить шардинг после перехода от PoW к консенсусу PoS в 2022 году. Шардинг разделит Ethereum на 64 сегмента.
Сеть попытается решить проблемы безопасности шардинга путем случайного распределения нод по шардам.
Есть и другие эксперименты по шардингу, которые стремятся решить трилемму масштабируемости. Швейцарский фонд исследований распределенных технологий (DTR), состоящий из семи университетов, запустил в 2019 году специальный проект Unit-e, который призван стать масштабируемой глобальной платежной сетью. Другой проект, Radix, частично упорядочивает шарды, а не кадрирует их на единой временной шкале, как это делает Ethereum.
Скоро ли внедрятся решения масштабируемости для Layer 1?
Вмешательство в сеть блокчейна — дело тонкое. Большинство людей все еще с недоверием смотрят на криптовалюту. Bitcoin преодолевал эти страхи более 10 лет, поэтому его обновления Layer-1 более консервативны.
Последнее обновление Taproot Bitcoin добавил цифровые подписи Шнорра. Они позволяют сети объединять несколько транзакций, чтобы снизить комиссию и повысить масштабируемость. Тем не менее, Bitcoin по-прежнему отдает приоритет решениям Layer-2 для настоящей масштабируемости через сеть Lightning.
Nadezhda KlimenkoТо же самое мы видим и в блокчейне Ethereum. Он имеет десятки сетей 2 уровня, построенных поверх Layer-1.
В обоих случаях протоколы L2 снимают рабочую нагрузку с основной сети L1, обрабатывают ее в другом месте и возвращают данные обратно в L1 намного более эффективным способом. Для достижения этой цели в L2 используются различные технологии масштабируемости, как указано в таблице выше.
Однако совместная работа экосистем L1 и L2 тоже имеет сложности. Токены нужно перемещать через специальные мосты, и каждое dApp должно быть интегрировано в каждый L2. Если бы мы использовали исключительно сети L1, это облегчило бы жизнь разработчикам и пользователям.
Многие блокчейны L1 пытались решить проблему масштабируемости. В том числе Cardano, Algorand, Elrond, Fantom, Avalanche и Harmony. Но ни один из них не стал таким популярным и признанным как Bitcoin или Ethereum. Технологии все еще находятся в зачаточном состоянии. Поэтому слишком рано делать выводы о том, есть ли значительные успехи у блокчейнов с работающими мейннетами по сравнению с BTC или ETH.
Что такое блокчейн второго уровня (Layer 2)
Ethereum в своей текущей итерации обрабатывает около 15 транзакций в секунду. Это вызвало ряд проблем: сеть часто перегружается, что иногда приводит к экстремально высоким комиссиям (газ).
Есть надежда, что Ethereum 2.0 улучшит масштабируемость, но до завершения обновления еще далеко. И с учетом того, что использование эфира достигает пика около 1 миллиона транзакций в день, сегодня ему нужны другие решения. Вот для чего нужен уровень 2.
Уровень 2 — это то, что строится поверх базового блокчейна для улучшения его масштабируемости.
Примеры Layer 2 решений
Решения уровня 2 Ethereum подпадают под несколько категорий, и каждая из них отличается своим подходом к тому, как сделать сеть более масштабируемой.
Channels
Каналы предлагают пользователям способ совершения нескольких транзакций офф-чейн (вне сети), отправляя только две транзакции на уровень расчетов, то есть Ethereum. Это обеспечивает высокую пропускную способность при низких затратах, однако существуют ограничения.
Участники должны быть известны заранее, и они также должны внести средства в контракт multisig (мультиподпись). Это означает, что сеть необходимо регулярно контролировать, чтобы обеспечить безопасность средств. Также требуется время для настройки каналов между пользователями, что не позволяет активно участвовать в транзакциях.
Примеры каналов – протоколы Connext и Raiden.
Plasma
Решения Plasm используют хеш-деревья, которые создают дочерние цепи к основному блокчейну. Это способствует быстрым транзакциям с меньшими затратами, поскольку блоки не рассчитываются в основной сети, и нет необходимости хранить данные в реестре.
Однако есть некоторые ограничения для решений Plasma. Платформа поддерживает только определенные транзакции, поэтому, например, более сложная деятельность DeFi невозможна. При снятии средств потребуется более длительное время, возможно перебои и проблемы. Также нужно, чтобы кто-то контролировал сеть, проверял безопасность средств и хранил данные.
Примеры решений Plasma – протоколы OMG и Polygon (SDK Polygon также настроен поддерживает ZK rollups, optimistic rollups и автономные сети).
Sidechains
Сайдчейны работают отдельно от основного блокчейна и действуют независимо, используя собственный алгоритм консенсуса. Они подключаются к Ethereum через двусторонний мост (кроссчейн). Сайдчейны совместимы с Ethereum Virtual Machine, но имеют ограничения: они менее децентрализованы, чем основная сеть.
Кроме того, алгоритм консенсуса не регулируется Layer 1, и валидаторы сайдчейна могут скоординировать свои действия для преступных целей.
Примеры сайдчейнов xDAI и Skale.
Rollups
Rollups выполняют транзакции на Layer 2 и отправляют данные в базовый блокчейн. Это означает, что они получают уровень безопасности от Ethereum, но могут выполнять транзакции за его пределами.
Существует два типа ролл-апов. Первый – это ZK (zero knowledge – нулевое разглашение), которые объединяют множество переводов в одну транзакцию. Второй тип – optimistic rollups, которые работают параллельно с Ethereum.
ZK rollups группируют транзакции и выносят часть вычислений за пределы основного блокчейна. Для доказательства и согласования с основным блокчейном они создают так называемый SNARK — succinct non-interactive argument of knowledge (краткий неинтерактивный аргумент знаний). Это криптографическое доказательство, которое передается на базовый уровень, и по факту в Ethereum отправляется только одна транзакция. ZK-роллапы позволяют проводить быстрые транзакции, но объем этих транзакций ограничен.
Тем временем optimistic rollups разворачивают уже существующие в Ethereum смарт-контракты. За счет этого optimistic rollups обеспечивают интеграцию – главное требование DeFi. Но есть и минус – такие ролл-апы более подвержены атакам и требуют больше времени на транзакцию.
Примеры ZK rollup – протоколы Loopring и StarkWare. Примеры optimistic rollups – недавно вышедший протокол Optimism.
Validium
Validium похож на технологию ZK-роллапов тем, что использует доказательства с нулевым разглашением. Но при этом данные хранятся вне сети. Это дает до 10 000 транзакций в секунду без задержек на снятие средств и с меньшим риском атак.
Но есть и минус – в Validium можно запустить не все виды смарт-контрактов.
Примеры решений Validium – StarkWare и DeversiFi.
Заключение
- Одноранговые (P2P) сети не используют серверные узлы для координации сети. Вместо этого каждый узел действует как клиент и сервер, разделяя вычислительные ресурсы.
- Одноранговые сети сложно масштабируются.
- Layer 1 — базовый уровень сети блокчейн. Bitcoin, Ethereum и Solana — все это примеры блокчейнов первого уровня.
- Cейчас мы имеем несколько решений Layer 2, которые хотят решить проблемы масштабирования Ethereum.
- Есть различные гибридные решения, которые объединяют несколько технологий.
- Если Ethereum полностью реализует свой потенциал, приобретет глобальный уровень доверия, то вполне вероятно, что эти и другие решения пригодятся для масштабирования сети Ethereum 2.0.
- В будущем в экосистеме Ethereum могут произойти значительные изменения, ведь новые проекты тестируют преимущества и недостатки работы на Layer 2, улучшают протоколы и дополняют их.
Будет интересно
