1-ый и 2-ой уровни блокчейна: то, что вы должны знать

В технологии блокчейн термин «масштабирование» означает увеличение пропускной способности системы, измеряемой количеством транзакций, выполняемых в секунду. В связи с тем, что криптовалюты все чаще используются в повседневной жизни, возникла необходимость в создании уровней блокчейна для повышения безопасности сети, ведения учета и т.д. Первый уровень в децентрализованной экосистеме — это блокчейн. Уровень 2, с другой стороны, представляет собой интеграцию сторонних компонентов в сочетании с уровнем 1 для увеличения количества узлов и, соответственно, пропускной способности системы. В настоящее время внедряется множество решений на основе блокчейна второго уровня. Эти решения используют смарт-контракты для автоматизации транзакций.

Блокчейн первого уровня в сравнении с блокчейном второго уровня

Технология блокчейн имеет множество преимуществ: она повышает уровень безопасности, позволяет проводить транзакции без лишних хлопот и вести учет. Однако по мере того, как ее использование становится все более распространенным, возникает ряд проблем. Одна из таких проблем — масштабируемость.

В блокчейне каждая транзакция в децентрализованной системе должна пройти несколько этапов, которые требуют значительных вычислительных мощностей и времени. Чтобы улучшить способность блокчейна к обработке данных, разработчики блокчейна внедряют в его структуру масштабирование второго уровня. Давайте узнаем больше о том, как это работает.

Почему важна масштабируемость блокчейна?

Определение слова «масштабируемость» варьируется от эксперта к эксперту. Однако по своей сути масштабируемость блокчейна означает способность системы предлагать богатый опыт каждому пользователю, независимо от общего числа пользователей в любой момент времени.

Термин «пропускная способность» означает количество транзакций, обрабатываемых системой в секунду. В то время как компании/платежные каналы, такие как Visa, обрабатывают почти 20 000 TPS с помощью электронной платежной сети VisaNet, основной блокчейн Биткойна может выполнять только от 3 до 7 TPS.

Разница в пропускной способности может шокировать, но этому есть простое объяснение. Биткойн использует децентрализованную систему, в то время как VisaNet работает на основе централизованной системы. Первая использует больше вычислительной мощности и времени для обеспечения конфиденциальности своих пользователей. Каждая транзакция данных должна пройти несколько этапов, включая принятие, майнинг, распространение и проверку узловой сетью.

Поскольку ожидается, что криптовалюта станет неотъемлемой силой в мире бизнеса, разработчики блокчейна пытаются расширить сферу применения блокчейна. Создавая уровни блокчейна и оптимизируя масштабирование второго уровня, они хотят ускорить время обработки и увеличить количество TPS.

Борьба биткойна с масштабируемостью

Биткойн начинался как простой блокчейн для отправки и получения цифровой валюты. Однако с момента своего создания он столкнулся с проблемой масштабируемости, что породило вопрос: Что произойдет, если все больше и больше людей начнут использовать Биткойн?

Этот сценарий можно представить как сетевую проблему. Каждая система имеет определенный объем пропускной способности и может обрабатывать только определенное количество транзакций в секунду (TPS). Кроме того, каждая транзакция в децентрализованной системе должна быть проверена, поэтому необходимо достаточно места для хранения данных.

Перенесемся в 2021 год. По мере роста популярности биткоина произошло ожидаемое: протокол переполнился. В результате скорость обработки данных упала.

Почему нынешний блокчейн требует технологии второго уровня?

Ответ прост: увеличение спроса и повышение стоимости транзакций. Давайте объясним это на примере Ethereum.

Поскольку Ethereum имеет механизм консенсуса, он позволяет использовать множество децентрализованных приложений. В технологии блокчейн механизм консенсуса — это отказоустойчивая система, которая позволяет заключать соглашения о едином состоянии сети на распределенных узлах. Эти протоколы гарантируют, что все узлы согласны с транзакциями и синхронизированы. Это делает блокчейн Ethereum чрезвычайно сложным для перезаписи или атаки.

Благодаря стабильности и безопасности Ethereum началось повальное увлечение ICO, в результате которого отдельные лица стали создавать монеты на блокчейне. Вследствие этого возник приток пользователей и увеличилось количество транзакций, совершаемых в Ethereum. По мере того как система засорялась, увеличивалась плата за транзакции — или «газ», который платят стороны, обрабатывающие транзакции в сети Ethereum.

Когда сеть блокчейна засоряется, ожидающие транзакции оказываются в пуле памяти и требуют больше времени для обработки. Чтобы решить эту проблему, майнеры начинают отдавать предпочтение транзакциям с более высокой ценой на газ, чтобы подтвердить их. Это еще больше повышает минимальную стоимость, необходимую для совершения транзакции.

Цикл повышения цен доходит до того, что плата за газ резко возрастает, ухудшая ситуацию для всех. Масштабирование второго уровня направлено на решение этой проблемы и снижение стоимости транзакций.

Проблема первого уровня

Сеть первого уровня — это блокчейн в децентрализованной системе. Двумя примерами таких сетей являются Bitcoin и Ethereum.

При масштабировании первого уровня для обеспечения масштабируемости изменяется протокол, лежащий в основе блокчейна. При таких решениях правила протокола меняются, чтобы увеличить пропускную способность и скорость транзакций, тем самым вмещая больше данных и пользователей.

Масштабирование первого уровня может быть следующим:

• Увеличение скорости подтверждения блока
• Увеличение емкости блока, содержащего данные.

Вместе эти решения по масштабированию увеличивают пропускную способность сети. Однако, похоже, что уровень 1 не справляется с растущим числом пользователей блокчейна. Ниже перечислены некоторые недостатки системы.

Неэффективный протокол консенсуса

Блокчейн Layer 1 по-прежнему использует старый и неудобный механизм консенсуса proof-of-work.

Хотя этот механизм более безопасен, чем другие, его скорость сдерживает его использование. Майнеры необходимы для использования вычислительной мощности для решения криптографических алгоритмов. Таким образом, в целом требуется больше вычислительной мощности и времени.

Решение

Альтернативным консенсусом является proof-of-stake, который будет использоваться в Ethereum 2.0. Этот механизм консенсуса подтверждает новые блоки данных транзакций в соответствии с обеспечением участников сети, что делает процесс более эффективным.

Чрезмерная рабочая нагрузка

С ростом числа пользователей увеличилась и рабочая нагрузка на блокчейн первого уровня. Из-за этого скорость и производительность обработки данных снизились.

Решение

Масштабное решение этой проблемы — шардинг. Проще говоря, ширдинг разбивает работу по проверке и аутентификации транзакций на небольшие и управляемые кусочки. Таким образом, рабочая нагрузка может быть распределена по сети, чтобы задействовать вычислительную мощность большего количества узлов.

Поскольку сеть обрабатывает эти фрагменты параллельно, последовательная обработка нескольких транзакций может происходить одновременно.

Решения для масштабирования слоя 2

Блокчейн уровня 2 работает на «родном» уровне для повышения его эффективности. Эффективно разгружая транзакции, Layer 2 берет на себя часть транзакционной нагрузки блокчейна уровня 1 и передает ее другой системной архитектуре.

Затем блокчейн Уровня 2 обрабатывает нагрузку и передает данные Уровню 1 для окончательной обработки результатов. Поскольку большая часть нагрузки по обработке данных передается этой смежной вспомогательной архитектуре, перегрузка сети снижается: блокчейн Уровня 1 не только становится менее перегруженным, но и более масштабируемым.

Примером блокчейна первого уровня является сеть Lightning Network биткойна, масштабируемая на втором уровне, которая одновременно принимает нагрузку от биткойна и отчитывается перед ним. В результате Lightning Network увеличивает скорость обработки данных в блокчейне Bitcoin. Кроме того, Lightning Network привносит смарт-контракты в блокчейн Биткойна первого уровня.

Вот несколько других решений для масштабирования второго уровня:

Вложенный блокчейн (Plasma)

Вложенный блокчейн второго уровня работает поверх другого блокчейна. По сути, блокчейн первого уровня задает параметры, а вложенный блокчейн второго уровня выполняет процессы.

На одном главном блокчейне может быть несколько уровней блокчейна. Представьте себе это как типичную структуру компании. Вместо того чтобы один человек (например, руководитель) выполнял всю работу, руководитель ставит задачи перед подчиненными, которые отчитываются перед руководителем, как только выполнят свои задачи. Таким образом, нагрузка на менеджера снижается, а масштабируемость улучшается.

Примером может служить проект OMG Plasma, который действует как блокчейн второго уровня для протокола первого уровня Ethereum, чтобы обеспечить более дешевые и быстрые транзакции.

Государственные каналы

Каналы состояний позволяют осуществлять двустороннюю связь между участниками блокчейна. При этом участники могут сократить время ожидания, поскольку в процесс не вовлечена третья сторона — например, майнер.

Вот как это работает:

• В рамках смарт-контрактов участники предварительно договариваются о блокировке части базового слоя.
• Затем они могут напрямую взаимодействовать друг с другом, избавляясь от необходимости привлекать майнеров.
• После проведения всего набора транзакций они добавляют окончательное состояние канала в блокчейн.

И Raiden Network в Ethereum, и Lightning Network в Bitcoin являются примерами каналов состояния. Lightning Network позволяет участникам проводить несколько микротранзакций в течение определенного времени. В то же время Raiden позволяет участникам запускать смарт-контракты через личные каналы.

Государственные каналы, такие как Lightning Network, также полностью безопасны, поскольку только участники знают о транзакциях. С другой стороны, блокчейн первого уровня Ethereum записывает все транзакции в публично проверяемую бухгалтерскую книгу.

Сайдчейны

Наряду с государственными каналами, такими как Lightning Network и смарт-контракты, сайдчейны также являются решением для масштабирования технологии блокчейн второго уровня. Сайдчейн — это транзакционная цепочка, способствующая проведению большого количества транзакций. Он имеет механизм консенсуса, который не зависит от родного слоя. Этот механизм может быть оптимизирован для повышения масштабируемости и скорости обработки. В этой ситуации mainchain должен подтверждать записи о транзакциях, поддерживать безопасность и рассматривать споры.

Сайдчейны отличаются от государственных каналов тем, что они публично записывают все транзакции в бухгалтерскую книгу. Кроме того, если в сайдчейне происходит нарушение безопасности, это не влияет на другие сайдчейны или сам мейнчейн базового уровня.

Роллапы

Роллапы — это решения для масштабирования блокчейна второго уровня, которые выполняют транзакции за пределами блокчейна первого уровня и размещают данные транзакций на нем. Поскольку данные находятся на базовом уровне, это позволяет первому уровню обеспечивать безопасность роллапов.

Роллапы имеют две различные модели безопасности:

Оптимистичные роллапы: В них транзакции по умолчанию считаются действительными. Таким образом, они проводят вычисления для обнаружения мошенничества только в случае возникновения проблемы.
Роллапы с нулевым знанием: Эти роллапы выполняют вычисления вне цепи. После этого они передают доказательство достоверности на базовый уровень или в mainchain.
Роллапы способствуют увеличению пропускной способности транзакций, открытости участия и снижению платы за газ для пользователей.

Ограничения слоев 1 и 2

Многоуровневость блокчейна имеет ряд преимуществ. Например, основное преимущество решений уровня 1 заключается в том, что разработчикам не нужно ничего добавлять в существующую архитектуру, поскольку меняется базовый слой.

Между тем, решения уровня 2 для масштабирования не изменяют протокол базового слоя. Кроме того, эти решения позволяют проводить множество микротранзакций, не требуя от пользователей платить завышенные комиссии за транзакции или тратить время на проверку майнеров.

Однако оба эти уровня блокчейна имеют свои ограничения, которые необходимо учитывать.

Дополнение к существующим протоколам

Основная проблема, связанная со слоями блокчейна, заключается в добавлении их к существующим протоколам. Рыночные капиталы Биткойна и Эфириума исчисляются миллиардами. Пользователи ежедневно торгуют миллионами долларов. Поэтому не имеет смысла усложнять процесс путем ненужного кодирования и экспериментов, поскольку это потребует больших затрат.

Трилемма масштабируемости

Виталик Бутерин, основатель Ethereum, придумал термин «трилемма масштабируемости» для обозначения способности блокчейна жонглировать тремя органическими свойствами:

• Безопасность
• Масштабируемость
• Децентрализация

Трилемма гласит, что любая технология блокчейн может обладать максимум двумя свойствами, но никогда не всеми тремя сразу. Таким образом, текущая технология блокчейн всегда будет вынуждена идти на компромисс по одному из фундаментальных свойств. Отличным примером этого является биткойн. Хотя блокчейну удалось оптимизировать децентрализацию и безопасность, ему пришлось пойти на компромисс в отношении масштабируемости — не по своей вине.

Каково будущее после первого и второго уровней?

Масштабируемость — одна из причин, по которой массовое принятие криптовалют в индустрии блокчейна на данный момент невозможно. По мере роста спроса на криптовалюту будет расти и давление на масштабирование протоколов блокчейн. Поскольку оба уровня блокчейна имеют определенные ограничения, решением в будущем станет создание протокола, который сможет решить трилемму масштабируемости.

Итог

В отношении вышеупомянутого узкого места есть два варианта: 1) смягчить проблему масштабирования или 2) искать жизнеспособные альтернативы. Разработчики блокчейна выбирают первый вариант, переходя к масштабированию второго уровня в действии с Ethereum 2.0.

На момент публикации блокчейн-системы все еще находятся в стадии разработки. Актуальный вопрос будущего — будут ли уровни блокчейна и масштабирование второго уровня временными или постоянными. На данный момент никто точно не знает.