Rozwiązania skalujące: czym są protokoły warstwy 1 i warstwy 2

W ciągu ostatnich kilku lat branże krypto i blockchain przeżyły prawdziwy boom, a liczba użytkowników i transakcji również znacząco wzrosła. Choć nikt nie może zaprzeczyć rewolucyjnemu charakterowi tej technologii, zaczęła ona napotykać problemy ze skalowalnością — czyli zdolnością systemu do rozwoju wraz ze wzrostem zapotrzebowania.

Do czego służą rozwiązania skalujące?

Decentralizacja oznacza, że moc obliczeniowa i konsensus są rozproszone po całej sieci, natomiast bezpieczeństwo odzwierciedla ochronę blockchaina przed przestępcami i atakami hakerskimi. Obie cechy są uznawane za kluczowe dla sieci blockchain. 

Wysoce bezpieczne, zdecentralizowane systemy często napotykają problemy z przepustowością transakcji, co stworzyło problem określany jako trylemat blockchaina. Zakłada on, że osiągnięcie jednocześnie wysokiego poziomu bezpieczeństwa, decentralizacji i skalowalności jest niemal niemożliwe, a sieci blockchain w praktyce mogą maksymalnie osiągnąć dwa z trzech czynników. 

Istnieje jednak wielu deweloperów pracujących nad rozwiązaniem tego problemu i osiągnęli oni już znaczące rezultaty. Ulepszenia skalowalności sieci blockchain można podzielić na rozwiązania warstwy 1 i warstwy 2. Każde z nich ma inny mechanizm, własne zalety i komplikacje. 

Znaczenie rozwiązań skalujących

Chociaż blockchain jest bardziej sprawiedliwym i bezpiecznym sposobem posiadania oraz zarządzania pieniędzmi, scentralizowane instytucje finansowe są znacznie bardziej efektywne pod względem przepustowości. Na przykład Visa chwali się 65 tysiącami transakcji na sekundę, podczas gdy dla Bitcoina liczba ta wynosi tylko 7, a dla Ethereum 15. 

Aby konkurować ze scentralizowanymi systemami przetwarzania płatności, sieci blockchain muszą być bardziej skalowalne, aby mogły obsługiwać rosnącą liczbę użytkowników, transakcji i danych. Jeśli nic nie zostanie zrobione, blockchainy zostaną zapchane transakcjami stojącymi jedna za drugą. System nie będzie w stanie przetworzyć wszystkich naraz, co stworzy nierówności w doświadczeniu użytkownika. 

Czym jest blockchain warstwy 1?

Rozwiązania skalujące warstwy 1 koncentrują się na usprawnieniach on-chain. Modyfikują podstawowy protokół i architekturę sieci, aby zapewnić lepszą przepustowość. Na przykład Bitcoin, Ethereum, Binance Smart Chain i Litecoin to sieci blockchain warstwy 1. Rozwiązanie skalujące warstwy 1 wzmacnia warstwę bazową, czyli sam protokół.

Shardowanie

Shardowanie zostało zaadaptowane z rozproszonych baz danych i stało się najpopularniejszym rozwiązaniem skalującym warstwy 1. W shardingu cała sieć blockchain jest dzielona na części lub zbiory danych zwane shardami, dzięki czemu węzłom łatwiej jest utrzymywać shard niż całą sieć. Wszystkie shardy są przetwarzane w tym samym czasie, co umożliwia sekwencyjną pracę nad wieloma transakcjami. 

Każdy węzeł jest również przypisywany do różnych shardów. Poszczególne shardy dostarczają dowody do mainchaina i komunikują się ze sobą poprzez protokoły komunikacji między shardami, aby współdzielić adresy, ogólne stany i salda. 

Ethereum 2.0, nowa wersja blockchaina Ethereum, wdraża shardowanie jako rozwiązanie skalujące.

Innym blockchainem warstwy 1, który wykorzystuje shardowanie, jest Elrond. Udało mu się osiągnąć przepustowość 100 000 TPS (transakcji na sekundę) dzięki Adaptive State Sharding oraz bezpiecznemu mechanizmowi konsensusu Proof-of-Stake. 

Sieć blockchain Harmony to kolejny przykład projektu wykorzystującego shardy do osiągnięcia większej skalowalności. Koncentruje się na użyciu dowodów zero-knowledge oraz Decentralized Autonomous Organisations. 

Ulepszenia mechanizmu konsensusu

Niektóre mechanizmy konsensusu są bardziej wydajne niż inne. Na przykład Proof-of-Work używany przez Bitcoin, Ethereum, Litecoin, Doge itd. oferuje wysoki poziom decentralizacji i bezpieczeństwa. Jednocześnie jest jednak dość wolny, przez co wielu deweloperów wybiera Proof-of-Stake podczas tworzenia sieci. 

Nawet istniejące blockchainy mogą zmienić mechanizm konsensusu, a najlepszym przykładem jest Ethereum, które planuje przejść na mechanizm konsensusu Proof-of-Stake, aby zwiększyć pojemność i decentralizację blockchaina, przy jednoczesnym utrzymaniu wysokiego poziomu bezpieczeństwa. 

Ogólnie rzecz biorąc, obecnie najbardziej rozwinięte blockchainy warstwy 1 i warstwy 2 przyjmują mechanizm konsensusu Proof-of-Stake lub jego warianty. Ponieważ eliminuje on potrzebę rywalizacji komputerów o walidację, PoS daje już więcej przestrzeni do skalowania.

Blockchain Kava może być dobrym przykładem sieci warstwy 1, która osiąga skalowalność, wykorzystując algorytm konsensusu Tendermint Proof-of-Stake do usprawnienia transakcji na EVM co-chain. 

Solana jest uznawana za protokół blockchain warstwy 1 nowej generacji, który wykorzystuje nowy i obiecujący mechanizm konsensusu Proof-of-History i zdołał znacząco zwiększyć przepustowość do ponad 3000 transakcji na sekundę. 

Inne, nieco mniej popularne rozwiązania warstwy 1 dla krypto obejmują reparametryzację i tworzenie alternatywnych struktur danych. Główną zaletą wszystkich tych metod jest to, że zapewniają najbardziej efektywne usprawnienia na dużą skalę.

Problemy rozwiązań warstwy 1 

Jednym z głównych problemów rozwiązania warstwy 1 jest to, że walidator sieci musi zgodzić się na zmianę poprzez hard fork. I nie zawsze jest to łatwe, ponieważ w niektórych przypadkach straciliby na tym finansowo. Na przykład, gdy blockchain przechodzi z Proof-of-Work na Proof-of-Stake, górnicy stracą dochód i mogą negować potrzebę skalowalności. 

Czym jest blockchain warstwy 2?

Rozwiązanie warstwy 2 koncentruje się na tworzeniu rozwiązania off-chain poprzez uruchomienie równoległego blockchaina lub skonstruowanie sieci stron trzecich na szczycie oryginalnej. Ta druga warstwa, inaczej nazywana warstwą obliczeniową, służy do odciążenia głównej lub macierzystej sieci. To najłatwiejszy i najszybszy sposób na poprawę skalowalności blockchaina.

Część transakcji protokołu przenosi się do sąsiedniej architektury blockchain, która przetwarza transakcję i odwołuje się do łańcucha macierzystego dopiero w celu finalizacji wyników. Rozwiązania warstwy 2 są często łączone z rozwiązaniami warstwy 1. 

Najlepsze rozwiązania warstwy 2 obejmują skalowalne mosty między starszymi łańcuchami a zdecentralizowanymi aplikacjami, które doprowadziły do powstania nowych wariantów PoS, takich jak Liquid Proof-of-Stake, delegated Proof-of-Stake, Hybrid PoS i inne. 

Główne sposoby stosowania rozwiązań warstwy 2 to Nestchains, Rollups, State Channels i Sidechains. 

Zagnieżdżone blockchainy 

Zagnieżdżony blockchain to zwykle dodatkowa sieć na szczycie innego blockchaina. Zazwyczaj wymaga on podstawowego blockchaina, który ustala parametry dla szerszej sieci, podczas gdy transakcje i wykonywanie smart kontraktów odbywają się na połączonych łańcuchach wtórnych. Na bazie głównego łańcucha można budować wiele sieci jako łańcuchy potomne. Główny łańcuch deleguje operację do łańcucha potomnego, który przetwarza ją niezależnie od głównego łańcucha, a dopiero potem zwraca ją do łańcucha nadrzędnego. Udział głównego łańcucha jest wymagany tylko wtedy, gdy trzeba rozwiązać spór.  

Sidechains 

Sidechain to dodatkowy łańcuch dołączony do głównego. Zwykle wykorzystuje się go do transakcji w dużych partiach. Sidechains używają niezależnego algorytmu konsensusu, innego niż główny łańcuch, i są budowane niezależnie od podstaw od zera. Mechanizm ten można zoptymalizować pod kątem szybkości i skalowalności. Główny łańcuch odpowiada tutaj za bezpieczeństwo, potwierdza partie transakcji i rozwiązuje konflikty. 

Różnica między sidechains a state channels polega na liczbie integralnych sposobów. Wszystkie transakcje są zapisywane w publicznym rejestrze i widoczne dla wszystkich uczestników. Co ważne, naruszenia w sidechains nie wpływają na główny łańcuch. 

Sieć Plasma jest przykładem rozwiązania sidechain warstwy 2 dla Ethereum. Składa się z małych blockchainów połączonych w strukturę przypominającą drzewo. 

State Channels

State channels są wdrażane, aby usprawnić ogólną wydajność blockchaina. Poprawiają również dwukierunkową komunikację między blockchainem a off-chainowymi kanałami transakcyjnymi. State channel nie wymaga walidacji przez węzły warstwy 1, zamiast tego wykorzystuje mechanizm wielopodpisu lub smart kontraktu. Zakończone transakcje są zapisywane w bazowej sieci. 

Przykładami State Channels są Celer, Bitcoin Lightning i Lightning Network Ethereum. Głównym problemem tego rozwiązania jest to, że state channels tracą pewien stopień decentralizacji w zamian za większą skalowalność. 

Roll-Ups 

Roll-upy wykonują operacje transakcyjne poza głównym blockchainem, ale przesyłają powiązane dane do warstwy 1, zabezpieczając w ten sposób transakcje na warstwie bazowej. Dzięki wykonywaniu na warstwie off-chain opłaty spadają. Smart kontrakty działają na warstwie 1, ale wykonują transakcje na warstwie 2, korzystając z danych z głównego blockchaina. Istnieją optimistic roll-upy, które domyślnie zakładają, że transakcje są poprawne, a obliczenia uruchamiają tylko w ramach challenge za pośrednictwem fraud-proof. Zero-knowledge roll-upy wykonują obliczenia off-chain i przesyłają dowody poprawności do głównego łańcucha. 

Cartesi, Fuel Network, Optimism i Boba to blockchainy warstwy 2 wykorzystujące optimistic roll-upy. Loopring, Immutable X, Starkware i Polygon Hermez to rozwiązania warstwy 2 wykorzystujące zero-knowledge roll-upy. 

Problemy rozwiązań warstwy 2

Głównym problemem krypto warstwy 2 jest to, że ryzyko utraty bezpieczeństwa jest tutaj znacznie większe, więc użytkownicy łatwiej zaufają odpornemu projektowi, takiemu jak Bitcoin czy Ethereum, ze względu na ich historię bezpieczeństwa. Coraz częściej jednak będą oni zwracać się ku sieciom warstwy 2 ze względu na szybkość i koszt transakcji. Eksperci uważają więc, że przyszłość warstwy 2 leży w wyspecjalizowanych obszarach, podczas gdy większe blockchainy nadal będą dominować i koncentrować się na bezpieczeństwie. 

Podsumowanie 

Skalowalność jest główną przeszkodą na drodze do globalnej adopcji krypto. Rozwiązaniem jest budowanie blockchainów, które poradzą sobie z trylematem skalowalności już na etapie wdrożenia, jednocześnie próbując ulepszać istniejące sieci, aby uniknąć wąskiego gardła. Obecnie wszystkie możliwe rozwiązania można podzielić na warstwę 1 i warstwę 2. Trudno porównywać rozwiązania layer-1 vs layer-2, ponieważ oba mają swoje zalety i wady, choć możliwe, że przyszłość leży w ich połączeniu.