Soluzioni di scalabilità: cosa sono i protocolli Layer-1 e Layer-2

Negli ultimi anni, i settori crypto e blockchain hanno vissuto un vero boom, e anche il numero di utenti e transazioni è cresciuto in modo significativo. Sebbene nessuno possa negare la natura rivoluzionaria di questa tecnologia, ha iniziato a fare i conti con problemi di scalabilità — la capacità del sistema di crescere insieme all’aumento della domanda.

A cosa servono le soluzioni di scaling?

Decentralizzazione significa che potenza di calcolo e consenso sono distribuiti su tutta la rete, mentre la sicurezza riflette la protezione della blockchain da malintenzionati e attacchi hacker. Entrambe le caratteristiche sono considerate essenziali per le reti blockchain. 

I sistemi decentralizzati ad alta sicurezza spesso affrontano problemi di throughput delle transazioni, che hanno creato un problema noto come Blockchain Trilemma. Esso afferma che raggiungere simultaneamente alti livelli di sicurezza, decentralizzazione e scalabilità è quasi impossibile e che, nella realtà, le reti blockchain possono al massimo ottenere due dei tre fattori. 

Ma molti sviluppatori stanno lavorando per superare questo problema e hanno già ottenuto risultati significativi. I miglioramenti della scalabilità delle reti blockchain possono essere suddivisi in soluzioni Layer-1 e Layer-2. Ognuna di esse ha un meccanismo diverso, i propri vantaggi e le proprie complessità. 

L’importanza delle soluzioni di scaling

Se da un lato la blockchain è un modo più equo e sicuro di possedere e gestire denaro, dall’altro le istituzioni finanziarie केंदralizzate sono molto più efficienti in termini di throughput. Per esempio, Visa vanta 65 mila transazioni al secondo, mentre per Bitcoin questo numero è solo 7 e per Ethereum è 15. 

Per competere con i sistemi centralizzati di elaborazione dei pagamenti, le reti blockchain devono essere più scalabili, così da poter gestire un numero crescente di utenti, transazioni e dati. Se non si fa nulla, le blockchain finiranno intasate da transazioni bloccate una dopo l’altra. Il sistema non sarà in grado di elaborarle tutte contemporaneamente e ciò creerà disparità nell’esperienza utente. 

Cos’è una blockchain Layer-1?

Le soluzioni di scaling Layer-1 si concentrano su miglioramenti on-chain. Modificano il protocollo di base e l’architettura della rete per offrire un throughput migliore. Per esempio, Bitcoin, Ethereum, Binance Smart Chain e Litecoin sono reti blockchain Layer-1. La soluzione di scaling Layer-1 potenzia il layer di base, cioè il protocollo stesso.

Sharding

Lo sharding è stato adattato dai database distribuiti ed è diventato la soluzione di scaling Layer-1 più popolare. Con lo sharding, l’intera rete blockchain viene suddivisa in parti o dataset chiamati shard, così per i nodi è più facile mantenere gli shard piuttosto che l’intera rete. Tutti gli shard vengono elaborati nello stesso momento, consentendo il lavoro sequenziale su numerose transazioni. 

A ogni nodo vengono inoltre assegnati shard diversi. I singoli shard forniscono prove alla mainchain e interagiscono tra loro tramite protocolli di comunicazione cross-shard per condividere indirizzi, stati generali e saldi. 

Ethereum 2.0, la nuova versione della blockchain Ethereum, implementa lo sharding come soluzione di scaling.

Un’altra blockchain Layer-1 che utilizza lo sharding è Elrond. È riuscita a raggiungere un throughput di 100 000 TPS (transazioni al secondo) tramite Adaptive State Sharding e un sicuro meccanismo di consenso Proof-of-Stake. 

La rete blockchain Harmony è un altro esempio di progetto che applica gli shard per ottenere una maggiore scalabilità. Si concentra sull’uso delle zero-knowledge proof e delle Decentralized Autonomous Organisations. 

Miglioramenti del meccanismo di consenso

Alcuni meccanismi di consenso sono più efficienti di altri. Per esempio, il Proof-of-Work usato da Bitcoin, Ethereum, Litecoin, Doge, ecc. offre un alto livello di decentralizzazione e sicurezza. Ma allo stesso tempo è piuttosto lento, motivo per cui molti sviluppatori scelgono il Proof-of-Stake quando sviluppano le reti. 

Anche le blockchain esistenti possono cambiare meccanismo di consenso e il miglior esempio è Ethereum, che sta pianificando di passare al meccanismo di consenso Proof-of-Stake per aumentare la capacità e la decentralizzazione della blockchain, mantenendo comunque un alto livello di sicurezza. 

In generale, oggi le blockchain Layer-1 e Layer-2 più avanzate adottano un meccanismo di consenso Proof-of-Stake o sue variazioni. Poiché elimina la necessità per i computer di competere per la validazione, il PoS offre già più spazio per la scalabilità.

La blockchain Kava può essere un buon esempio di rete Layer-1 che ottiene scalabilità usando un algoritmo di consenso Tendermint Proof-of-Stake per migliorare le transazioni sulla EVM co-chain. 

Solana è considerato un protocollo blockchain Layer-1 di nuova generazione che utilizza un nuovo e promettente meccanismo di consenso Proof-of-History ed è riuscito ad aumentare significativamente il throughput con oltre 3000 transazioni al secondo. 

Altre soluzioni Layer-1, un po’ meno popolari, per il crypto includono la riparametrizzazione e la creazione di strutture dati alternative. Il vantaggio principale di tutti questi metodi è che offrono i miglioramenti su larga scala più efficaci.

I problemi delle soluzioni Layer-1 

Uno dei principali problemi della soluzione Layer-1 è che il validatore della rete deve concordare la modifica tramite il fork hard. E non è sempre così semplice, perché in alcuni casi subirebbero una perdita di profitto. Per esempio, quando la blockchain passa dal Proof-of-Work al Proof-of-Stake, i miner perderanno entrate e potrebbero rifiutare la necessità di scalabilità. 

Cos’è una blockchain Layer-2?

La soluzione layer-2 si concentra sulla creazione di una soluzione off-chain eseguendo una blockchain parallela o costruendo una rete di terze parti sopra quella originale. Questo secondo layer, in altre parole chiamato computational layer, viene utilizzato per decongestionare la rete principale o madre. È il modo più semplice e veloce per migliorare la scalabilità della blockchain.

Una parte delle transazioni del protocollo si sposta sull’architettura blockchain adiacente, che elabora la transazione e torna a fare riferimento alla chain madre solo per finalizzare i risultati. Le soluzioni Layer-2 sono spesso combinate con soluzioni Layer-1. 

Le migliori soluzioni layer-2 includono bridge scalabili tra chain legacy e applicazioni decentralizzate, che hanno portato alla scoperta di nuove varianti di PoS, come Liquid Proof-of-Stake, delegated Proof-of-Stake, Hybrid PoS e altre. 

I principali modi di applicare le soluzioni Layer-2 sono Nestchains, Rollups, State Channels e Sidechains. 

Blockchain annidate 

Una blockchain annidata è di solito la rete aggiuntiva posta sopra un’altra blockchain. Di solito richiede una blockchain di base che definisca i parametri per una rete più ampia, mentre le transazioni e le esecuzioni degli smart contract avvengono sulle chain secondarie interconnesse. Più reti possono essere costruite sulla chain principale come child chain. La chain principale delega l’operazione alla child chain, che la elabora indipendentemente dalla chain principale e solo dopo la restituisce alla parent. La partecipazione della chain principale è richiesta solo in caso di controversia da risolvere.  

Sidechain 

Una sidechain è una catena aggiuntiva affiancata a quella principale. Di solito viene usata per transazioni in grandi lotti. Le sidechain utilizzano un algoritmo di consenso indipendente, diverso da quello della chain principale e costruito autonomamente da zero. Questo meccanismo può essere ottimizzato per velocità e scalabilità. La chain principale qui mantiene la sicurezza, conferma i lotti di transazioni e risolve i conflitti. 

La differenza tra sidechain e state channel riguarda il numero di modalità integrali. Tutte le transazioni sono registrate sul registro pubblico e visibili a tutti i partecipanti. È importante notare che le violazioni nelle sidechain non influiscono sulla chain principale. 

Una rete Plasma è un esempio di soluzione Layer-2 sidechain per Ethereum. È composta da piccole blockchain collegate in una struttura ad albero. 

State Channels

Gli state channel vengono implementati per facilitare le prestazioni complessive della blockchain. Migliorano anche la comunicazione bidirezionale tra blockchain e canali transazionali off-chain. Uno state channel non necessita della convalida da parte dei nodi del Layer-1; invece, utilizza un meccanismo multi-signature o smart contract. Le transazioni completate vengono registrate sulla rete sottostante. 

Esempi di State Channels sono Celer, Bitcoin Lightning e la Lightning Network di Ethereum. Il problema principale di questo approccio è che gli state channel perdono una certa quota di decentralizzazione per ottenere una maggiore scalabilità. 

Roll-Up 

I roll-up eseguono le operazioni di transazione al di fuori della blockchain principale ma inviano i dati correlati al layer-1, mettendo così in sicurezza le transazioni sul layer di base. Grazie all’esecuzione off-level, le commissioni diminuiscono. Gli smart contract girano sul layer-1, ma eseguono le transazioni sul layer 2 utilizzando i dati della blockchain principale. Esistono gli optimistic roll-up, che presumono per impostazione predefinita che le transazioni siano corrette e avviano il calcolo solo come sfida tramite fraud-proof. I zero-knowledge roll-up eseguono il calcolo off-chain e inviano prove di validità alla chain principale. 

Cartesi, Fuel Network, Optimism e Boba sono blockchain Layer-2 che utilizzano optimistic roll-up. Loopring, Immutable X, Starkware e Polygon Hermez sono le soluzioni Layer-2 che utilizzano zero-knowledge roll-up. 

I problemi delle soluzioni Layer-2

Il principale problema del crypto Layer-2 è che qui la possibilità di perdere sicurezza è molto più alta, quindi gli utenti si fideranno più facilmente di un progetto resiliente come Bitcoin o Ethereum per il loro storico di sicurezza. Ma ora sempre più spesso si rivolgeranno alle reti Layer-2 per la velocità e il costo delle transazioni. Quindi gli esperti pensano che il futuro del Layer-2 sia nei settori mirati, mentre le blockchain più grandi continueranno a dominare e a concentrarsi sulla sicurezza. 

Conclusione 

La scalabilità è il principale ostacolo sulla strada verso l’adozione globale del crypto. La soluzione è costruire blockchain in grado di affrontare il trilemma della scalabilità fin dalla progettazione, cercando al contempo di migliorare le reti esistenti per evitare il collo di bottiglia. Al momento tutte le possibili soluzioni possono essere suddivise in Layer-1 e Layer-2. È difficile confrontare le soluzioni Layer-1 vs Layer-2 perché entrambe hanno pro e contro, anche se è possibile che il futuro risieda nella combinazione di entrambe.