Рівні блокчейну. Що таке Layer 1 та Layer 2? Розбираємо на прикладах

У цій статті:

1. Блокчейни vs. комп'ютерні мережі.

2. Як влаштований блокчейн рівня 1 (Layer 1).

3. Що таке блокчейн другого рівня (Layer 2).

4. Висновок.

Як відомо, Bitcoin з'явився ще на початку 2009 року. Але лише у 2017 році блокчейни стали масовими. І лише в листопаді 2021 року — майже через 12 років після появи біткоїну — ринкова капіталізація всього крипторинка досягла свого піку $2,9 трлн.

Зростання першої криптовалюти створило незмірну цінність і змінило те, як суспільство сприймає гроші і хто контролює фінансовий потік. Але на шляху розвитку блокчейни стали жертвами свого ж успіху. Вони не могли обробляти збільшений трафік, що призводило, або до тривалого часу транзакцій, або до високих комісій.

Щоб зрозуміти, чому це так, ми повинні розібратися, чому мережі блокчейнів називають мережами рівня 1, що таке мережі рівня 2, і що відрізняє блокчейни від звичайних комп'ютерних мереж.

На базовому рівні всі блокчейни є комп'ютерними мережами. Комп'ютерні мережі складаються із груп учасників мережі, відомих як ноди (вузли). Вони обмінюються даними та спільно використовують обчислювальні ресурси. Ці ноди можуть коннектитися один з одним різними способами. Існує чотири основні типи комп'ютерних мереж:

• Сітка - вузол (нода) коннектиться (з'єднується) до кожного іншого вузла.
• Кільце - вузол з'єднується з двома іншими вузлами, створюючи двонаправлене кільце.
• Шина - вузол з'єднується лише з одним іншим вузлом.
• Зірка - серверний вузол коннектиться з клієнтськими вузлами.

Зірка - найпоширеніша комп'ютерна мережа, тому що вона швидка та дешева. У зіркоподібних архітектурах вузол (нода) центрального сервера передає дані напряму іншим вузлам, тому дані не повинні проходити через кожен вузол на шляху до інших. Це економить пропускну спроможність мережі. Оскільки серверний вузол надає обчислювальні ресурси безпосередньо клієнтським вузлам, така система є дуже ефективною. Проте й ціна продуктивності буде високою — ми отримуємо централізацію як з погляду контролю, і з погляду точок відмови (single points of failure, SPoF). Відмова єдиної точки призводить до відмови всієї мережі.

Навпаки, однорангові (P2P) мережі не використовують серверні вузли для координації мережі. Натомість кожен вузол діє як клієнт і сервер, поділяючи обчислювальні ресурси через мережу. Такий принцип вирішує проблему централізованого управління та SPoF, тому це ідеальне рішення для P2P-грошей, таких як Біткоін.

Мінус децентралізації у тому, що однорангові мережі складно масштабуються. Ця проблема стосується і мереж блокчейну, оскільки вони захищені механізмами консенсусу P2P-мереж. Віталік Бутерін, співзасновник Ethereum, назвав цю проблему трилемою масштабованості (також відомою як трилема блокчейна).

Ранні блокчейни пропонували лише дві функції із трьох. Тобто їм доводилося жертвувати або масштабованістю, або безпекою, або децентралізацією.

Щоб вирішити трилему масштабованості, мережі блокчейнів почали запроваджувати різні підходи. Ці підходи називаються Layer 1 – базовий рівень мережі блокчейн. Bitcoin, Ethereum та Solana – все це приклади блокчейнів першого рівня.

Одним із найбільш очевидних способів вирішити трилему масштабованості на Layer 1 було збільшити розмір блоку. Це дозволяє блокчейну обробляти більше транзакцій у кожному блоці даних. Чим більший розмір блоку, тим більше транзакцій він може обробляти за секунду.

Тут є мінус. Збільшення розміру блоку вимагає від операторів нод використовувати більш потужні комп'ютери. Таку покупку можуть дозволити собі менша кількість операторів, що призводить до більшої централізації.

Коли мільярдер Ілон Маск запропонував збільшити розмір блоку Dogecoin на 900%, співзасновник Ethereum Віталік Бутерін вказав на те, що блокчейн не буде децентралізованим, якщо звичайні користувачі з ПК споживчого рівня не зможуть запустити ноду.

Сучасні мережі Layer 1 вирішують трилему масштабованості за допомогою механізмів консенсусу та шардингу.

Протоколи консенсусу

Алгоритми консенсусу лежать у основі блокчейна. Щоб біткоїн та інші криптовалюти мали цінність, P2P-мережа має вирішити дві ключові проблеми: подвійне витрачання та стимулювання.

Подвійне витрачання — це коли хтось двічі використовує той самий дефіцитний ресурс (наприклад, гроші). Ця проблема властива цифровим технологіям, оскільки такі файли можна копіювати нескінченно. Щоб вирішити цю проблему, блокчейни роблять кожну транзакцію унікальною за допомогою тимчасових міток і хешей, а також шляхом додавання їх до пакетів транзакцій, які називаються блоками. Щоб підробити транзакцію, вузлу доведеться підробити весь блок.

Саме тут набувають чинності алгоритми консенсусу. Вони децентралізовано координують усі ноди мережі. Щоб блок пройшов, мережа повинна верифікувати дані, що містяться в ньому. Важливо підмітити, якщо деякі мережні вузли відправляють хибні дані, мережа далі працюватиме, поки більшість валідаторів вузлів контролюють обчислювальну потужність мережі (хешрейт).

«Поки більша частина потужності ЦП контролюється вузлами, які не співпрацюють для атаки на мережу, вони генеруватимуть найдовший ланцюжок і випереджатимуть зловмисників». — Сатоші Накамото, творець біткоїну

Така мережна взаємодія називається Завдання Візантійських Генералів (BFT, Byzantine Fault Tolerance). У децентралізованій мережі надзвичайно важливо, щоб мережа працювала, навіть якщо деякі її вузли ненадійні або не працюють. Інакше блокчейн зупинився б.

На додаток до вирішення проблеми подвійних витрат, протоколи консенсусу стимулюють вузли продовжувати обробку транзакцій. Це не менш важливо: навіщо комусь жертвувати своєю обчислювальною потужністю та безкоштовно оплачувати величезні рахунки за електроенергію?

У випадку з Bitcoin оператори нод (майнери) витрачають обчислювальні ресурси. За свою працю вони отримують винагороду за блок у вигляді BTC. Цей алгоритм відомий як proof-of-work (PoW).

Інші блокчейни, такі як PoS, використовують валідаторів як оператори нодів. Замість того щоб витрачати енергоємні обчислювальні потужності, валідатори покладаються на стейкінг (блокування) ресурсів — монет — для досягнення тієї ж мети координації консенсусу.

Наприклад, після переходу на PoS, Ethereum вимагатиме стейка в 32 ETH за право стати валідатором. Після того, як валідатори застейкають кошти, вони почнуть одержати комісію за кожну транзакцію.

Отже протоколи консенсусу ставлять перед зловмисникам перешкоди, які практично неможливо подолати. Наприклад, у випадку з біткоїнами вони повинні мати процесор потужністю більше, ніж 51% від потужності всієї мережі. Цього неможливо досягти з огляду на розмір блокчейну.

Річне енергоспоживання мережі Bitcoin дорівнює споживанню Таїланду і становить 204,5 ТВтч. Зловмисникам доведеться нагромадити більше половини цієї потужності, щоб провести скоординований злом.

Тепер приклад із Ethereum. Щоб контролювати блокчейн, злочинцеві довелося б викупити найбільшу частку ETH — це завдання для дуже багатих хакерів. Але зловмисник має бути готовий втратити це багатство; вся мережа втратить свою цінність, як тільки вона обробить шахрайську транзакцію.

Хоча більшість нових L1 використовують PoS, вони не завжди краще масштабуються. Solana - PoS блокчейн, кілька разів переставав працювати через те, що трафік зростав швидше, ніж потужність. Її протокол стейкінгу був малопридатний, тому що у свій час майже половина нод Solana розміщувалася всього в п'яти центрах обробки даних.

Solana пропонує теоретичну пропускну спроможність мережі 50 000 транзакцій за секунду (TPS). Це набагато більше, ніж у Bitcoin (~5 TPS). Але який у цьому сенс, якщо немає децентралізації?

Шардинг

Ще одне рішення масштабованості layer 1 – шардинг. Він розбиває мережу на невеликі бази даних, які називаються шардами. Кожен шард виконує свої транзакції та додає блоки зі своїми нодами.

Розподіляючи обробку по безлічі маленьких шардів, ми знімаємо навантаження з основного механізму консенсусу, що призводить до більш високого показника TPS.

Але є одне але. Оскільки кожен шард менший, злочинцеві легше накопичити засоби або обчислювальну потужність, необхідні для контролю над мережею. Тому шардинг ще доведеться перевірити на великому блокчейні, щоб довести його надійність.

Ethereum лідірує у цьому питанні. Він планує запровадити шардинг після переходу від PoW до консенсусу PoS у 2022 році. Шардинг розділить Ethereum на 64 сегменти.

Мережа спробує вирішити проблеми безпеки шардингу шляхом випадкового розподілу нодів між шардами.

Є й інші експерименти з шардингу, які прагнуть вирішити трилему масштабованості. Швейцарський фонд досліджень розподілених технологій (DTR), що складається з семи університетів, запустив у 2019 році спеціальний проект Unit-e, який має стати масштабованою глобальною платіжною мережею. Інший проект, Radix, частково впорядковує шарди, а не кадрує їх на єдиній шкалі часу, як це робить Ethereum.

Чи скоро впровадяться рішення про масштабування для Layer 1?

Втручання в мережу блокчейна – справа тонка. Більшість людей все ще недовірливо дивляться на криптовалюту. Bitcoin долав ці страхи понад 10 років, тому його оновлення Layer-1 більш консервативні.

Останнє оновлення Taproot Bitcoin додав цифровий підпис Шнорра. Вони дозволяють мережі об'єднувати кілька транзакцій, щоб знизити комісію та підвищити масштабованість. Тим не менш, Bitcoin, як і раніше, віддає пріоритет рішенням Layer-2 для справжньої масштабованості через мережу Lightning.

Те саме ми бачимо і в блокчейні Ethereum. Він має десятки мереж 2 рівня, побудованих поверх Layer-1.

В обох випадках протоколи L2 знімають робоче навантаження з основної мережі L1, обробляють її в іншому місці і повертають дані назад L1 набагато більш ефективним способом. Для досягнення цієї мети L2 використовуються різні технології масштабованості, як зазначено в таблиці вище.

Однак спільна робота екосистем L1 та L2 теж має складності. Токени потрібно переміщати через спеціальні мости, і кожне dApp має бути інтегровано у кожен L2. Якби ми використовували виключно мережі L1, це полегшило б життя розробникам та користувачам.

Багато блокчейнів L1 намагалися вирішити проблему масштабованості. У тому числі Cardano, Algorand, Elrond, Fantom, Avalanche та Harmony. Але жоден з них не став таким популярним та визнаним як Bitcoin чи Ethereum. Технології все ще перебувають у зародковому стані. Тому дуже рано робити висновки про те, чи є значні успіхи у блокчейнів з працюючими мейнетами в порівнянні з BTC або ETH.

Ethereum у своїй поточній ітерації обробляє близько 15 транзакцій в секунду. Це викликало низку проблем: мережа часто перевантажується, що іноді призводить до екстремально високих комісій (газ).

Є надія, що Ethereum 2.0 покращить масштабованість, але до завершення оновлення ще далеко. І з урахуванням того, що використання ефіру досягає піку близько 1 мільйона транзакцій на день, сьогодні йому потрібні інші рішення. Ось навіщо потрібен рівень 2.

Рівень 2 - це те, що будується поверх базового блокчейна для покращення його масштабованості.

Приклади Layer 2 рішень

Рішення рівня 2 Ethereum підпадають під кілька категорій, і кожна з них відрізняється своїм підходом до того, як зробити мережу масштабованою.

Channels

Канали пропонують користувачам спосіб здійснення кількох транзакцій офф-чейн (поза мережею), відправляючи лише дві транзакції до рівня розрахунків, тобто Ethereum. Це забезпечує високу пропускну здатність за низьких витрат, проте існують обмеження.

Учасники повинні бути відомі заздалегідь, і вони також повинні внести кошти у контракт multisig (мультипідпис). Це означає, що мережу необхідно регулярно контролювати, щоб забезпечити безпеку коштів. Також потрібен час для налаштування каналів між користувачами, що не дозволяє брати активну участь у транзакціях.

Приклади каналів – протоколи Connext та Raiden.

Plasma

Рішення Plasm використовують хеш-дерева, які створюють дочірні ланцюги до основного блокчейну. Це сприяє швидким транзакціям з меншими витратами, оскільки блоки не розраховуються в основній мережі, і немає необхідності зберігати дані в реєстрі.

Однак, є деякі обмеження для рішень Plasma. Платформа підтримує лише певні транзакції, тому, наприклад, складніша діяльність DeFi неможлива. При знятті коштів буде потрібний більш тривалий час, можливо перебої та проблеми. Також потрібно, щоб хтось контролював мережу, перевіряв безпеку коштів та зберігав дані.

Приклади рішень Plasma – протоколи OMG та Polygon (SDK Polygon також налаштований підтримує ZK rollups, optimistic rollups та автономні мережі).

Sidechains

Сайдчейни працюють окремо від основного блокчейну та діють незалежно, використовуючи власний алгоритм консенсусу. Вони підключаються до Ethereum через двосторонній міст (кроссчейн). Сайдчейни сумісні з Ethereum Virtual Machine, але мають обмеження: вони менш децентралізовані ніж основна мережа.

Крім того, алгоритм консенсусу не регулюється Layer 1 і валідатори сайдчейна можуть скоординувати свої дії для злочинних цілей.

Приклади сайдчейнів xDAI та Skale.

Rollups

Rollups виконують транзакції на Layer 2 і надсилають дані до базового блокчейну. Це означає, що вони отримують безпеку від Ethereum, але можуть виконувати транзакції за його межами.

Існує два типи рол-апів. Перший - це ZK (zero knowledge - нульове розголошення), які поєднують безліч переказів в одну транзакцію. Другий тип – optimistic rollups, які працюють паралельно з Ethereum.

ZK rollups групують транзакції та виносять частину обчислень за межі основного блокчейну. Для доказу та узгодження з основним блокчейном вони створюють так званий SNARK - succinct non-interactive argument of knowledge (короткий неінтерактивний аргумент знань). Це криптографічний доказ, який передається на базовий рівень, і за фактом до Ethereum вирушає лише одна транзакція. ZK-ролапи дозволяють проводити швидкі транзакції, але обсяг цих транзакцій обмежений.

Тим часом optimistic rollups розгортають смарт-контракти, що вже існують в Ethereum. Завдяки цьому optimistic rollups забезпечують інтеграцію — головна вимога DeFi. Але є і мінус — такі рол-апи більш схильні до атак і вимагають більше часу на транзакцію.

Приклади ZK rollup – протоколи Loopring та StarkWare. Приклади optimistic rollups - протокол Optimism, що нещодавно вийшов.

Validium

Validium схожий на технологію ZK-ролапа тим, що використовує докази з нульовим розголошенням. Але при цьому дані зберігаються поза мережею. Це дає до 10 000 транзакцій за секунду без затримок на зняття коштів і з меншим ризиком атак.

Але є й мінус – у Validium можна запустити не всі види смарт-контрактів.

Приклади рішень Validium - StarkWare та DeversiFi.

1. Однорангові (P2P) мережі не використовують серверні вузли для координації мережі. Натомість кожен вузол діє як клієнт та сервер, поділяючи обчислювальні ресурси.
2. Однорангові мережі складно масштабуються.
3. Layer 1 – базовий рівень мережі блокчейн. Bitcoin, Ethereum та Solana – все це приклади блокчейнів першого рівня.
4. Наразі ми маємо кілька рішень Layer 2, які хочуть вирішити проблеми масштабування Ethereum.
5. Є різні гібридні рішення, які поєднують кілька технологій.
6. Якщо Ethereum повністю реалізує свій потенціал, набуде глобального рівня довіри, то цілком імовірно, що ці та інші рішення стануть у нагоді для масштабування мережі Ethereum 2.0.
7. У майбутньому в екосистемі Ethereum можуть відбутися значні зміни, адже нові проекти тестують переваги та недоліки роботи на Layer 2, покращують протоколи та доповнюють їх.

Відповіді на питання, що часто задаються

Що таке мережа першого рівня?

Мережа першого рівня (Layer 1) – це базові блокчейни, такі як Bitcoin або Ethereum. При масштабуванні 1 рівня базовий протокол блокчейна змінюється для застосування можливості його масштабування.

Що таке мережі другого рівня?

Рівень 2 - це те, що будується поверх базового блокчейна для покращення його масштабованості. Рішення рівня 2 Ethereum підпадають під кілька категорій, і кожна з них відрізняється своїм підходом до того, як зробити мережу масштабованою. Наприклад: Channels, Plasma, Sidechains, Rollups, Validium.