Рівень 1 та рівень 2 блокчейну: основи
Популярність криптовалюти та блокчейну зростає експоненціально, що значно збільшує кількість користувачів і транзакцій. Це спричинило інфраструктурні бутеки для роботи в мережі блокчейну. Щоб досягти швидкого впровадження, галузі потрібно шукати рішення для вирішення проблем масштабованості, щоб відповідати зростаючій кількості користувачів, транзакцій і даних.
Два основні рішення, що використовуються в галузі, включають рівень 1 і рівень 2:
Рівень 1. Архітектура блокчейну в основі
Рішення для масштабування рівня 1. Основні зміни, внесені до рівня 1
Рівень 2. Стороння інтеграція на додаток до мереж рівня 1
Рішення для масштабування рівня 2. Підвищення швидкості платформ рівня 1 без внесення базових змін до коду або архітектури
У цій статті ми розглянемо трилему блокчейну, рівень 1 і рівень 2, а також як допомогти блокчейнам досягти масштабованості.
Трилема блокчейну
Термін «трилема блокчейну» стосується конунду блокчейну, одночасно досягаючи таких трьох характеристик:
Децентралізація: Розподіл обчислювальної потужності/консенсусу в мережі
Безпека. Захист від зловмисних акторів і атак у мережі
Масштабованість. Здатність блокчейна підтримувати високу пропускну здатність транзакцій
Стверджується, що будь-яка система може досягти лише двох із трьох характеристик, змушуючи її відмовитися від однієї.
Приклади трилеми блокчейна
Зазвичай блокчейни боролися з трилемою блокчейну. Розгляньмо кілька визначних прикладів.
Ethereum
Ethereum є децентралізованим і дуже захищеним з приблизно 561 000 валідаторів. Майже неможливо атакувати блокчейн Ethereum, оскільки для того, щоб поставити під загрозу мережу, нападнику потрібно буде взяти понад 51% валідаторів. Однак це відбувається з спотворенням масштабованості, саме тому плата Ethereum за мережеву комісію під час високої активності.
Binance Smart Chain (чейн BNB)
На відміну від Ethereum, BNB Chain дозволяє максимум 21 валідатора. Тому очевидно, що чейн BNB не децентралізований. Однак це дозволяє йому досягти високого рівня безпеки та масштабованості.
Чому важливо масштабувати блокчейн?
Визначення слова «масштабованість» різниться в різних експертах. Однак, по суті, масштабованість блокчейну означає здатність системи пропонувати значний досвід кожному користувачеві, незалежно від загальної кількості користувачів у будь-який момент часу.
Термін «пропускна здатність» означає кількість транзакцій, які система здійснює за секунду. У той час як компанії/платіжні канали, такі як Visa, опрацьовують майже 20 000 TPS за допомогою електронної платіжної мережі VisaNet, основна мережа Bitcoin може працювати лише від 3 до 7 TPS.
Різниця в спроможності може бути шокованою, але за нею є просте пояснення. Bitcoin застосовує децентралізовану систему, тоді як VisaNet працює в централізованій системі. Перший використовує більше можливостей обробки та часу для захисту конфіденційності своїх користувачів. Кожна трансакція даних повинна пройти кілька кроків, зокрема прийняття, майнінг, розподіл і перевірка нодовою мережею.
Оскільки очікується, що криптовалюта стане імперативною силою в діловому світі, розробники блокчейну намагаються збільшити обсяг роботи з блокчейном. Створюючи рівні блокчейну та оптимізуючи масштабування рівня 2, вони хочуть прискорити час обробки та збільшити кількість TPS.
Проблема масштабування блокчейна
Для прикладу використайте Ethereum. У технології блокчейну механізм консенсусу — це система, що не допускає помилок, яка дає змогу укладати угоди в одній мережі в розподілених нодах. Ці протоколи гарантують, що всі ноди узгоджуються з транзакціями та синхронізуються. Це значно ускладнює перезапис або атаку мережі Ethereum.
Через стабільність і безпеку Ethereum розпочалася криптовалюта ICO, що призвело до створення криптовалют і децентралізованих застосунків (DApps) у блокчейні. Отже, був приплив користувачів і збільшення кількості транзакцій, здійснених на Ethereum. Коли система засмітилася, комісія за транзакцію або газ, сплачені сторонам, які обробляють транзакції в мережі Ethereum, зростали.
Коли блокчейн-мережа засмічена, транзакції, що очікують на розгляд, опиняються в пулі пам’яті та потребують більше часу на обробку. Щоб вирішити це питання, майнери починають визначати пріоритети транзакцій з вищими цінами на газ, щоб підтвердити їх. Це додатково підвищує мінімальну вартість, необхідну для здійснення транзакції.
Цикл інкременту ціни сягає рівня, коли різко зростає плата за газ, що погіршує ситуацію для всіх. Масштабовання рівня 2 спрямоване на надання рішення цієї проблеми та зниження витрат на транзакції.
Що таке рівень 1?
Рівень 1 — це основна блокчейн-мережа, на якій будуються інші блокчейни та DApps. Вони можуть підтримувати транзакції та операції, які здійснюються в блокчейні. Для покращення масштабованості рівень 1 повинен внести прямі зміни в код або архітектуру блокчейну. Прикладами є підвищення швидкості підтвердження блоку або збільшення потужності блоку, що містить дані.
Ethereum, Binance Smart Chain і Solana є найвідомішими рівнями 1.
Розгляньмо деякі рішення для масштабування рівня 1.
Рішення для масштабування рівня 1
Механізм консенсусу
Різні блокчейни використовують різні механізми консенсусу.
Блокчейни, як-от Bitcoin, використовують підтвердження роботи (PoW). Хоча PoW-система дуже захищена, вона може бути повільною. Це пов’язано з тим, що для вирішення криптографічних алгоритмів потрібна значна обчислювальна потужність. Ethereum починався з механізму консенсусу PoW, що призвело до сильного перевантаження мережі, коли велика кількість користувачів прийшла в мережу Ethereum.
З того часу Ethereum перейшла на використання механізму консенсусу Proof-of-stake (PoS) через The Merge, а тепер обробляє та перевіряє нові блоки шляхом консенсусу з мережі. Цей перемикач дозволив Ethereum змінити швидкість з 10 до 20 транзакцій за секунду (TPS) на більш ніж 20 000 TPS. Це досягається, зберігаючи децентралізацію та безпеку.
Ланцюговий форт
Рішення для масштабування рівня 1 зазвичай запроваджує команда розробників блокчейну. Фіксування мережі означає оновлення або коригування блокчейну. Є 2 типи виделок: м’який видек і жорсткий вилок.
М’які виделки — це архітектурні зміни, сумісні з наявним блокчейном. З іншого боку, жорсткі виделки — це зміни в архітектурі блокчейну, які відрізняються від наявної.
Прикладом м’якого виделки може бути м’який вилочковий форк мережі Bitcoin, який допоміг підвищити продуктивність мережі від приблизно 1600 транзакцій на блок до 3000.
У той час як більші зміни, які потрібно внести в блокчейн, такі як збільшення розміру блоку Bitcoin до 8MB, вимагають жорсткого вилочка. Це створить дві версії Bitcoin — одну оновлену й одну стару мережу.
Ураження
Шардінг — це одна з методик масштабування, яка ділить великі набори транзакцій на менші набори даних, відомі як «сегменти». Мережа одночасно опрацьовує ці мережеві сегменти одночасно, що дає змогу послідовно працювати над кількома трансакціями, а не послідовно виконувати кожен трансакція в мережі. Це швидший і ефективніший механізм.
Крім того, замість того, щоб повністю зберігати копію блокчейну, кожен мережевий вузол призначається певному сегменту. Окремі сегменти обмінюються адресами, балансами та загальними станами, що використовують протоколи крос-шардового зв’язку, а також надають докази мейнчейну.
Прикладами блокчейнів із інтегрованим шредінгом є Ziliqa та Tezos.
Однак слід зазначити, що Sharding є експериментальним, і ще жоден рівень 1 не впровадив його.
Що таке рівень 2?
Рівень 2 підвищує масштабованість і ефективність протоколу блокчейну, бігаючи на додаток до нього. Це дасть змогу здійснювати транзакції подалі від рівня 1 за допомогою зовнішньої паралельної мережі.
Щоб завершити результати трансакцій, рівень 2 отримує пакети трансакцій з основного ланцюга, обробляє їх від свого імені, а потім об’єднує трансакції назад у рівень 1. Блокчейн рівня 1 стає менш купленим і, зрештою, масштабованішим, абстрактно більшу частину обробки даних на додаткову архітектуру.
Визнаними прикладами рівня 2 є Polygon, Optimism, Arbitrum, zkSync і мережа блискавки Bitcoin.
Рішення для масштабування рівня 2
Ось деякі з рішень для масштабування рівня 2.
Незамінний блокчейн
Нестінг — це одне з рішень масштабування рівня 2, згідно з яким протокол блокчейну містить інші блокчейни всередині або зверху. Архітектура вкладеного блокчейну зазвичай включає основний блокчейн, який встановлює правила та параметри для ширшої мережі, тоді як виконання виконуються на взаємопов’язаному стрічці другорядних мереж.
Вкладений ланцюжок складається як з батьківських, так і з дочірніх мереж. Батьківський ланцюжок делегує дочірні мережі для виконання транзакції. Операції здійснюватимуться дочірніми мережами, які потім повідомлять про результат батьківський ланцюжок. Батьківський ланцюжок надасть результат рівня 1 після завершення трансакцій.
Якщо він не потрібен для вирішення спорів, базовий блокчейн не бере участь у мережевих операціях вкладених мереж. Оскільки кожен працює разом, це один із найбільших методів масштабування та швидший. Розподіл праці в цій парадигмі значно зменшує навантаження на обробку в мейнчейні, що значно підвищує масштабованість.
Прикладом цього є плазмовий проєкт OMG, який діє як блокчейн рівня 2 для Ethereum, щоб забезпечити більш дешеві та швидші транзакції.
Канали стану
Двосторонній зв’язок між блокчейном і нечейновими трансакційними каналами може бути спрощено через державний канал. Канал штату — це по суті мережевий ресурс, який здійснює дії з використанням мультисиг- або смарт-контрактного механізму, без необхідності валідації нодами рівня 1.
Транзакції можна виконувати без необхідності надсилати дані трансакцій до рівня 1. Після завершення трансакцій остаточний стан каналу буде надіслано на перевірку до рівня 1. Цей механізм дає змогу підвищити швидкість транзакцій і збільшити загальну пропускну здатність мережі. Державні канали мають неперевершену швидкість і конфіденційність. Без необхідності проходити через третіх осіб, як-от майнери, державні канали є одним із найкращих наявних рішень для масштабування.
Як Raiden Network на Ethereum, так і Lightning Network на Bitcoin є прикладами державних каналів. Обидва з цих каналів використовуються, які виконуються за допомогою хешованих контрактів Timelock (HTLC). Мережа Lightning дає користувачам змогу виконувати багато мікротранзакцій за короткий проміжок часу, але Raiden також дає користувачам змогу запускати смарт-контракти через їхні канали.
Державні канали, як-от мережа Lightning, також цілком безпечні, оскільки про транзакції знають лише учасники. З іншого боку, блокчейн Ethereum рівня 1 реєструє всі транзакції в публічному реєстрі.
Сайдчейни
У великих пакетних транзакціях часто використовуються байдчейни, які є окремими блокчейн-мережами з власними наборами валідаторів (і механізмами консенсусу), які співіснують з рівнем 1 для підвищення його швидкості та масштабованості.
Завдяки конструкції sidechain основними обов’язками рівня 1 є підтримання загальної безпеки, перевірка записів про пакетні транзакції та врегулювання конфліктів. Після завершення обробки транзакцій у системі sidechain з основного ланцюга активи блокуються. Крім того, більшість байдчейнів мають федерацію або іншу незалежну третю сторону, яка двічі перевіряє, чи є які-небудь порушення в діяльності між майнетом і байдчейном. Федерація може складати або смарт-контракти, або набір людей.
Існує дві основні відмінності між бідчейнами та каналами штату:
Транзакції, здійснені на платформі sidechain, між учасниками не є приватними; натомість вони оприлюднюються в реєстрі.
На головний та інші бокові чейни не впливають недоліки системи безпеки.
Ролапи
Одним із способів масштабування, який зростає популярністю в середовищі блокчейну, є розгортання. У ролапах групи транзакцій рівня 1 об’єднуються, обробляються поза ланцюгом, а потім завантажуються назад у головний ланцюжок.
Як наслідок, рівень 1 не повинен працювати самостійно. Ролики дозволяють мережі рівня 1, як-от Ethereum, стати більш масштабованими. Ролики також працюють по-різному. Інші використовують оптимістичний підхід, тоді як деякі використовують процедуру нульових знань.
Два типи ролапів:
Оптимізовані ролапи: Вони припускають, що трансакції будуть дійсними за замовчуванням. Отже, вони виконують обчислення для виявлення шахрайства лише в разі виникнення проблеми.
Нульові ролапи: Ці ролапи запускають обчислення офчейн. Після цього вони подають підтвердження дійсності базовому або мейнчейну.
Ролики допомагають збільшити пропускну здатність транзакцій, відкрити участь і зменшити комісії за газ для користувачів.
Обмеження рівня 1 і рівня 2
Нашаровування блокчейну має кілька переваг. Наприклад, основна перевага рішень рівня 1 полягає в тому, що розробникам не потрібно нічого додавати до наявної архітектури, оскільки базовий рівень змінюється.
Тим часом рішення для масштабування рівня 2 не впливають на протокол базового рівня. Крім того, ці рішення дозволяють кілька мікротранзакцій, не вимагаючи від користувачів виплачувати небесні комісії за транзакції або витрачати час на верифікацію майнера.
Однак обидва ці рівні блокчейну мають обмеження, які потрібно враховувати.
Доповнення до наявних протоколів
Основна проблема з рівнями блокчейну — додавання їх до наявних протоколів. Як Bitcoin, так і Etherium мають ринкові капітали в мільярдах. Користувачі щодня торгують мільйонами доларів. Тому не має сенсу ускладнювати процес через непотрібне кодування та експериментування, оскільки для цього потрібно багато грошей.
Що таке майбутнє після рівня 1 і рівня 2?
Масштабованість — одна з причин масового впровадження криптовалюти наразі неможлива в блокчейні. Зі зростанням попиту на криптовалюту також зростає тиск для масштабування протоколів блокчейну. Оскільки обидва рівні блокчейну мають певні обмеження, рішення в майбутньому буде створити протокол, який може подолати трилему масштабованості.
Підсумки
Що стосується вищезгаданої бутильки, є два варіанти: 1) зменшити проблему масштабування або 2) знайти життєздатні альтернативи. Розробники блокчейну обирають першого, переходячи до масштабування рівня 2 у дії Ethereum.
На момент публікації все ще розробляються блокчейн-системи. Нагальне питання для майбутнього — чи блокчейн-рівні та масштабування Layer2 будуть тимчасовими чи постійними.