Schaaloplossingen: Wat zijn Layer-1- en Layer-2-protocollen

In de afgelopen jaren kenden de crypto- en blockchainindustrieën een ware boom, en ook het aantal gebruikers en transacties is aanzienlijk gegroeid. Hoewel niemand het revolutionaire karakter van de technologie kan ontkennen, kreeg ze al snel te maken met problemen op het gebied van schaalbaarheid — het vermogen van het systeem om mee te groeien met de toename van de vraag.

Waar zijn schaalbaarheidsoplossingen voor?

Decentralisatie betekent dat rekenkracht en consensus over het netwerk zijn verdeeld, terwijl beveiliging verwijst naar de bescherming van de blockchain tegen kwaadwillenden en hackeraanvallen. Beide kenmerken worden beschouwd als essentieel voor blockchainnetwerken. 

Sterk beveiligde gedecentraliseerde systemen krijgen vaak te maken met problemen met de transactiedoorvoer, wat een probleem creëerde dat bekendstaat als de Blockchain Trilemma. Deze stelt dat het bijna onmogelijk is om tegelijk een hoog niveau van beveiliging, decentralisatie en schaalbaarheid te bereiken, en dat blockchainnetwerken in de praktijk maximaal twee van de drie factoren kunnen realiseren. 

Maar er zijn veel ontwikkelaars bezig dit probleem op te lossen en zij hebben al enkele significante resultaten behaald. Verbeteringen aan de schaalbaarheid van blockchainnetwerken kunnen worden onderverdeeld in Layer-1- en Layer-2-oplossingen. Elk daarvan heeft een eigen mechanisme, eigen voordelen en eigen complicaties. 

Het belang van schaalbaarheidsoplossingen

Hoewel blockchain een eerlijkere en veiligere manier is om geld te bezitten en te beheren, zijn gecentraliseerde financiële instellingen veel effectiever wat betreft doorvoer. Zo kan Visa bijvoorbeeld 65 duizend transacties per seconde verwerken, terwijl dat aantal voor Bitcoin slechts 7 is en voor Ethereum 15. 

Om te kunnen concurreren met gecentraliseerde betalingsverwerkende systemen, moeten blockchainnetwerken schaalbaarder worden zodat ze een groeiend aantal gebruikers, transacties en data kunnen verwerken. Als er niets wordt gedaan, raken blockchains verstopt met transacties die zich na elkaar opstapelen. Het systeem kan ze niet allemaal tegelijk verwerken en dat creëert ongelijkheid in de gebruikerservaring. 

Wat is een Layer-1 blockchain?

Layer-1-schaalbaarheidsoplossingen richten zich op verbeteringen on-chain. Ze wijzigen het basisprotocol en de architectuur van het netwerk om een betere doorvoer te bieden. Bitcoin, Ethereum, Binance Smart Chain en Litecoin zijn bijvoorbeeld Layer-1-blockchainnetwerken. De Layer-1-schaalbaarheidsoplossing versterkt de basislaag, oftewel het protocol zelf.

Sharding

Sharding is aangepast uit gedistribueerde databases en werd de populairste Layer-1-schaalbaarheidsoplossing. Bij sharding wordt het volledige blockchainnetwerk opgedeeld in stukken of datasets die shards worden genoemd, waardoor het voor nodes eenvoudiger wordt om shards te onderhouden dan het hele netwerk. Alle shards worden tegelijkertijd verwerkt, waardoor sequentieel gewerkt kan worden aan talrijke transacties. 

Elke node wordt ook toegewezen aan verschillende shards. Afzonderlijke shards leveren bewijzen aan de mainchain en communiceren met elkaar via cross-shard-communicatieprotocollen om adressen, algemene staten en saldi te delen. 

Ethereum 2.0, de nieuwe versie van de Ethereum-blockchain, implementeert sharding als schaalbaarheidsoplossing.

Een andere Layer-1-blockchain die sharding gebruikt is Elrond. Die wist een doorvoer van 100 000 TPS (transacties per seconde) te behalen via Adaptive State Sharding en een veilig Proof-of-Stake-consensusmechanisme. 

Het Harmony-blockchainnetwerk is een ander voorbeeld van een project dat shards toepast om een hogere schaalbaarheid te bereiken. Het richt zich op het gebruik van zero-knowledge proofs en Decentralized Autonomous Organisations. 

Verbeteringen aan het consensusmechanisme

Sommige consensusmechanismen zijn efficiënter dan andere. Bijvoorbeeld Proof-of-Work, gebruikt door Bitcoin, Ethereum, Litecoin, Doge, enz., biedt een hoog niveau van decentralisatie en beveiliging. Maar tegelijkertijd is het vrij traag, waardoor veel ontwikkelaars bij het ontwikkelen van netwerken kiezen voor Proof-of-Stake. 

Zelfs bestaande blockchains kunnen het consensusmechanisme veranderen, en het beste voorbeeld is Ethereum, dat van plan is over te stappen op het Proof-of-Stake-consensusmechanisme om de capaciteit en decentralisatie van de blockchain te vergroten, terwijl een hoog beveiligingsniveau behouden blijft. 

Over het algemeen nemen tegenwoordig de meest geüpgradede Layer-1- en Layer-2-blockchains een Proof-of-Stake-consensusmechanisme of varianten daarvan over. Omdat dit de noodzaak wegneemt dat computers met elkaar concurreren om validatie, biedt PoS al meer ruimte voor schaalvergroting.

De Kava-blockchain kan een goed voorbeeld zijn van een Layer-1-netwerk dat schaalbaarheid bereikt door een Tendermint Proof-of-Stake-consensusalgoritme te gebruiken om transacties op de EVM co-chain te verbeteren. 

Solana wordt beschouwd als een Layer-1-blockchainprotocol van de nieuwe generatie dat een nieuw en veelbelovend Proof-of-History-consensusmechanisme gebruikt en de doorvoer aanzienlijk wist te verhogen tot meer dan 3000 transacties per seconde. 

Andere, iets minder populaire Layer-1-oplossingen voor crypto zijn onder meer herparametrisering en het creëren van alternatieve datastructuren. Het belangrijkste voordeel van al deze methoden is dat ze de meest effectieve verbeteringen op grote schaal bieden.

De problemen van Layer-1-oplossingen 

Een van de belangrijkste problemen met de Layer-1-oplossing is dat de netwerkvalidator het eens moet worden over de wijziging via de harde fork. En dat is niet altijd eenvoudig, omdat ze in sommige gevallen winst zouden verliezen. Wanneer de blockchain bijvoorbeeld overgaat van Proof-of-Work naar Proof-of-Stake, verliezen miners inkomen en kunnen zij de noodzaak van schaalbaarheid ontkennen. 

Wat is een Layer-2 blockchain?

De layer-2-oplossing richt zich op het creëren van een off-chain oplossing door een parallelle blockchain te draaien of een netwerk van een derde partij boven op het oorspronkelijke netwerk te bouwen. Deze tweede laag, ook wel de computationele laag genoemd, wordt gebruikt om het hoofdnetwerk of oudernetwerk te ontlasten. Het is de eenvoudigste en snelste manier om de schaalbaarheid van de blockchain te verbeteren.

Een deel van de transacties van het protocol verschuift naar de aangrenzende blockchainarchitectuur, die de transactie verwerkt en alleen terugverwijst naar de parent chain om de resultaten definitief vast te leggen. Layer-2-oplossingen worden vaak gecombineerd met Layer-1-oplossingen. 

De beste layer-2-oplossingen omvatten schaalbare bridges tussen legacy chains en decentrale applicaties, wat leidde tot de ontdekking van nieuwe varianten van PoS, zoals Liquid Proof-of-Stake, delegated Proof-of-Stake, Hybrid PoS en andere. 

De belangrijkste manieren om Layer-2-oplossingen toe te passen zijn Nestchains, Rollups, State Channels en Sidechains. 

Geneste blockchains 

Een geneste blockchain is meestal het extra netwerk boven op een andere blockchain. Hiervoor is doorgaans een basisblockchain nodig die de parameters voor een breder netwerk vastlegt, terwijl de transacties en uitvoeringen van smart contracts plaatsvinden op de onderling verbonden secundaire chains. Meerdere netwerken kunnen als child chains op de hoofdchain worden gebouwd. De hoofdchain delegeert de werking aan de child chain, die deze onafhankelijk van de hoofdchain verwerkt en daarna pas terugstuurt naar de parent. De deelname van de hoofdchain is alleen vereist als er een geschil moet worden opgelost.  

Sidechains 

Een sidechain is een extra chain die aan de hoofdchain is gekoppeld. Deze wordt meestal gebruikt voor transacties in grote batches. Sidechains gebruiken een onafhankelijk consensusalgoritme, anders dan de hoofdchain en vanaf nul onafhankelijk opgebouwd. Dit mechanisme kan worden geoptimaliseerd voor snelheid en schaalbaarheid. De hoofdchain behoudt hier de beveiliging, bevestigt de batches transacties en lost conflicten op. 

Het verschil tussen sidechains en state channels is het aantal integrale manieren. Alle transacties worden vastgelegd op het openbare grootboek en zijn zichtbaar voor alle deelnemers. Belangrijk is dat inbreuken in de sidechains de hoofdchain niet beïnvloeden. 

Een Plasma-netwerk is een voorbeeld van een sidechain Layer-2-oplossing voor Ethereum. Het bestaat uit kleine blockchains die met elkaar zijn verbonden in een boomachtige structuur. 

State Channels

State channels worden geïmplementeerd om de algehele prestaties van de blockchain te verbeteren. Ze verbeteren ook de tweerichtingscommunicatie tussen blockchain en off-chain transactiekanalen. Een state channel hoeft niet te worden gevalideerd door de nodes van Layer-1; in plaats daarvan gebruikt het een multi-signature- of smart contract-mechanisme. Voltooide transacties worden vastgelegd op het onderliggende netwerk. 

Voorbeelden van State Channels zijn Celer, Bitcoin Lightning en Ethereum’s Lightning Network. Het belangrijkste probleem met deze aanpak is dat state channels een zekere mate van decentralisatie verliezen om grotere schaalbaarheid te bereiken. 

Roll-Ups 

Roll-ups voeren transacties uit buiten de hoofdblockchain, maar plaatsen de relevante data op layer-1, waardoor de transacties op de basislaag worden beveiligd. Dankzij de uitvoering op off-level dalen de kosten. Smart contracts draaien op layer-1, maar voeren de transacties uit op layer 2 met behulp van de data van de hoofdblockchain. Er zijn optimistic roll-ups die ervan uitgaan dat transacties standaard correct zijn en alleen computation uitvoeren als uitdaging via fraud-proof. Zero-knowledge roll-ups voeren computation off-chain uit en dienen validiteitsbewijzen in bij de hoofdchain. 

Cartesi, Fuel Network, Optimism en Boba zijn Layer-2-blockchains die optimistic roll-ups gebruiken. Loopring, Immutable X, Starkware en Polygon Hermez zijn de Layer-2-oplossingen die zero-knowledge roll-ups gebruiken. 

De problemen van Layer-2-oplossingen

Het belangrijkste probleem met Layer-2 crypto is dat de kans om hier beveiliging te verliezen veel groter is, waardoor gebruikers projecten die veerkrachtig zijn, zoals Bitcoin of Ethereum, eerder zullen vertrouwen vanwege hun staat van dienst op het gebied van beveiliging. Maar tegenwoordig stappen ze steeds vaker over op Layer-2-netwerken vanwege de transactiesnelheid en kosten. Experts denken daarom dat de toekomst van Layer-2 ligt in gespecialiseerde sectoren, terwijl grotere blockchains nog steeds zullen domineren en zich zullen richten op beveiliging. 

Conclusie 

Schaalbaarheid is het belangrijkste obstakel op weg naar wereldwijde crypto-adoptie. De oplossing is het bouwen van blockchains die het schaalbaarheidsdilemma aankunnen, terwijl men tegelijkertijd bestaande netwerken probeert te verbeteren om het knelpunt te vermijden. Op dit moment kunnen alle mogelijke oplossingen worden onderverdeeld in Layer-1 en Layer-2. Het is moeilijk om Layer-1 vs Layer-2-oplossingen te vergelijken, omdat beide voor- en nadelen hebben, al is het mogelijk dat de toekomst ligt in de combinatie van beide.