Масштабируемые решения: что такое протоколы Layer-1 и Layer-2

За последние несколько лет индустрии crypto и blockchain пережили настоящий бум, и число пользователей и транзакций тоже значительно выросло. Хотя никто не может отрицать революционный характер этой технологии, она начала сталкиваться с проблемами масштабируемости — способности системы расти вместе с увеличением спроса.

Для чего нужны решения масштабирования?

Децентрализация означает, что вычислительная мощность и консенсус распределены по сети, а безопасность отражает защиту blockchain от злоумышленников и хакерских атак. Оба этих свойства считаются критически важными для blockchain-сетей. 

Высокозащищенные децентрализованные системы часто сталкиваются с проблемами пропускной способности транзакций, что породило проблему, известную как Blockchain Trilemma. Она гласит, что одновременно достичь высокого уровня безопасности, децентрализации и масштабируемости почти невозможно, и что на практике blockchain-сети могут максимум добиться двух из трех факторов. 

Но многие разработчики работают над решением этой проблемы и уже достигли заметных результатов. Улучшения масштабируемости blockchain-сети можно разделить на решения Layer-1 и Layer-2. У каждого из них свой механизм, свои преимущества и свои сложности. 

Важность решений масштабирования

Хотя blockchain — более справедливый и безопасный способ владения и управления деньгами, централизованные финансовые институты гораздо эффективнее с точки зрения пропускной способности. Например, Visa может обрабатывать 65 тысяч транзакций в секунду, тогда как у Bitcoin это число — всего 7, а у Ethereum — 15. 

Чтобы конкурировать с централизованными системами обработки платежей, blockchain-сети должны быть более масштабируемыми, чтобы справляться с растущим числом пользователей, транзакций и данных. Если ничего не предпринимать, blockchains будут забиваться транзакциями, застрявшими одна за другой. Система не сможет обработать все их одновременно, и это создаст неравномерность в пользовательском опыте. 

Что такое blockchain Layer-1?

Решения масштабирования Layer-1 сосредоточены на улучшениях on-chain. Они изменяют базовый протокол и архитектуру сети, чтобы обеспечить лучшую пропускную способность. Например, Bitcoin, Ethereum, Binance Smart Chain и Litecoin — это blockchain-сети Layer-1. Решение масштабирования Layer-1 усиливает базовый уровень, то есть сам протокол.

Шардинг

Шардинг был заимствован из распределенных баз данных и стал самым популярным решением масштабирования Layer-1. При шардинге вся blockchain-сеть разбивается на части или наборы данных, называемые shards, поэтому узлам проще поддерживать shards, чем всю сеть целиком. Все shards обрабатываются одновременно, что позволяет параллельно работать с большим числом транзакций. 

Каждый узел также назначается на разные shards. Отдельные shards предоставляют доказательства mainchain и взаимодействуют друг с другом через протоколы межшардовой коммуникации, чтобы обмениваться адресами, общим состоянием и балансами. 

Ethereum 2.0, новая версия blockchain Ethereum, внедряет шардинг как решение для масштабирования.

Еще один blockchain Layer-1, который использует шардинг, — Elrond. Ему удалось достичь пропускной способности 100 000 TPS (transactions per second) благодаря Adaptive State Sharding и защищенному механизму консенсуса Proof-of-Stake. 

Сеть blockchain Harmony — еще один пример проекта, который применяет shards для достижения более высокой масштабируемости. Он делает упор на использование zero-knowledge proof и Decentralized Autonomous Organisations. 

Улучшения механизма консенсуса

Некоторые механизмы консенсуса эффективнее других. Например, Proof-of-Work, используемый Bitcoin, Ethereum, Litecoin, Doge и т. д., обеспечивает высокий уровень децентрализации и безопасности. Но при этом он довольно медленный, из-за чего многие разработчики выбирают Proof-of-Stake при создании сетей. 

Даже существующие blockchains могут менять механизм консенсуса, и лучший пример — Ethereum, который планирует перейти на механизм консенсуса Proof-of-Stake, чтобы увеличить пропускную способность и децентрализацию blockchain, при этом сохранив высокий уровень безопасности. 

В целом, в наши дни наиболее модернизированные blockchain Layer-1 и Layer-2 используют механизм консенсуса Proof-of-Stake или его вариации. Поскольку он устраняет необходимость для компьютеров конкурировать за валидацию, PoS уже дает больше пространства для масштабирования.

Blockchain Kava может служить хорошим примером сети Layer-1, которая достигает масштабируемости за счет использования алгоритма консенсуса Tendermint Proof-of-Stake для улучшения транзакций в EVM co-chain. 

Solana считается blockchain-протоколом Layer-1 нового поколения, который использует новый и перспективный механизм консенсуса Proof-of-History и сумел значительно увеличить пропускную способность до более чем 3000 транзакций в секунду. 

Среди других, чуть менее популярных решений Layer-1 для crypto можно выделить reparameterization и создание альтернативных Data Structures. Главное преимущество всех этих методов в том, что они обеспечивают наиболее эффективные улучшения в масштабах крупной сети.

Проблемы решений Layer-1 

Одна из основных проблем решения Layer-1 заключается в том, что валидатор сети должен согласиться на изменение через hard fork. И это не всегда просто, потому что в некоторых случаях они могут потерять прибыль. Например, когда blockchain переходит с Proof-of-Work на Proof-of-Stake, майнеры потеряют доход и могут не поддержать необходимость масштабирования. 

Что такое blockchain Layer-2?

Решение layer-2 сосредоточено на создании off-chain решения путем запуска параллельного blockchain или построения сторонней сети поверх исходной. Этот второй слой, иначе называемый computational layer, используется для разгрузки основной или родительской сети. Это самый простой и быстрый способ повысить масштабируемость blockchain.

Часть транзакций протокола переносится в смежную blockchain-архитектуру, которая обрабатывает транзакцию и лишь затем обращается обратно к parent chain для окончательного подтверждения результата. Решения Layer-2 часто комбинируются с решениями Layer-1. 

Лучшие решения layer-2 включают масштабируемые мосты между legacy chains и decentralized applications, что привело к появлению новых вариаций PoS, таких как Liquid Proof-of-Stake, delegated Proof-of-Stake, Hybrid PoS и другие. 

Основные способы применения решений Layer-2 — это Nestchains, Rollups, State Channels и Sidechains. 

Вложенные блокчейны 

Вложенный blockchain обычно представляет собой дополнительную сеть поверх другого blockchain. Обычно он требует базового blockchain, который задает параметры для более широкой сети, тогда как транзакции и выполнение smart contracts происходят во взаимосвязанных вторичных цепочках. На основе основной цепи можно построить несколько сетей в виде дочерних цепей. Main chain делегирует операцию дочерней цепи, которая обрабатывает ее независимо от main chain, и только затем возвращает результат родительской цепи. Участие main chain требуется только в случае, если нужно разрешить спор.  

Sidechains 

Sidechain — это дополнительная цепь, присоединенная к основной. Обычно она используется для крупнопакетных транзакций. Sidechains используют независимый алгоритм консенсуса, отличный от main chain, и создаются отдельно с нуля. Этот механизм может быть оптимизирован для скорости и масштабируемости. Main chain здесь обеспечивает безопасность, подтверждает пакеты транзакций и разрешает конфликты. 

Разница между sidechains и state channels заключается в числе встроенных способов. Все транзакции записываются в публичный реестр и видны всем участникам. Важно, что сбои в sidechains не затрагивают main chain. 

Сеть Plasma — пример решения Layer-2 на основе sidechain для Ethereum. Она состоит из небольших blockchains, соединенных древовидной структурой. 

State Channels

State channels внедряются для повышения общей производительности blockchain. Они также улучшают двустороннюю связь между blockchain и off-chain транзакционными каналами. State channel не требует валидации узлами Layer-1, вместо этого он использует механизм мультиподписи или smart contract. Завершенные транзакции записываются в базовую сеть. 

Примеры State Channels — это Celer, Bitcoin Lightning и Lightning Network Ethereum. Главная проблема этого подхода заключается в том, что state channels в некоторой степени жертвуют децентрализацией ради большей масштабируемости. 

Roll-Ups 

Roll-ups выполняют транзакционные операции вне основной blockchain, но публикуют связанные данные в layer-1, тем самым обеспечивая безопасность транзакций на базовом уровне. Благодаря выполнению на off level комиссии снижаются. Smart contracts работают на layer-1, но выполняют транзакции на layer 2, используя данные из основной blockchain. Существуют optimistic roll-ups, которые по умолчанию считают транзакции корректными и запускают вычисления только как challenge через fraud-proof. Zero-knowledge roll-ups выполняют вычисления off-chain и отправляют доказательства корректности в main chain. 

Cartesi, Fuel Network, Optimism и Boba — это blockchain Layer-2, использующие optimistic roll-ups. Loopring, Immutable X, Starkware и Polygon Hermez — это решения Layer-2, использующие zero-knowledge roll-ups. 

Проблемы решений Layer-2

Главная проблема crypto Layer-2 в том, что здесь риск потери безопасности значительно выше, поэтому пользователи легче доверяют таким устойчивым проектам, как Bitcoin или Ethereum, опираясь на их историю безопасности. Но сейчас они все чаще переходят к сетям Layer-2 из-за скорости транзакций и стоимости. Поэтому эксперты считают, что будущее Layer-2 — в узкоспециализированных областях, тогда как более крупные blockchains по-прежнему будут доминировать и сосредотачиваться на безопасности. 

Заключение 

Масштабируемость — главное препятствие на пути к глобальному внедрению crypto. Решение состоит в создании blockchains, способных справиться с трилеммой масштабируемости уже на этапе внедрения, при одновременной попытке улучшать существующие сети, чтобы избежать узкого места. На данный момент все возможные решения можно разделить на Layer-1 и Layer-2. Сравнивать Layer-1 и Layer-2 непросто, поскольку у обоих есть свои плюсы и минусы, хотя вполне возможно, что будущее за их комбинацией.