Topics Блокчейн
Bybit Learn
Bybit Learn
Beginner
22 de oct de 2021

Что такое первый и второй уровни блокчейна

В технологии блокчейн термин «масштабирование» описывает увеличение пропускной способности системы, измеряемой количеством транзакций, выполняемых в секунду. В связи с постоянным повышением объемов использования криптовалют, стало необходимо создание «уровней» для повышения безопасности сети, ведения учета и многого другого.

Уровень 1 в децентрализованной экосистеме — это сам блокчейн. Уровень 2 — это сторонняя надстройка над уровнем 1, которая увеличивает число нодов и, следовательно, пропускную способность системы. В настоящее время внедряется множество решений второго уровня. Эти решения используют смарт-контракты для автоматизации транзакций.

Решения L1 против L2

У технологии блокчейна много преимуществ: она повышает уровень безопасности, позволяет легко проводить транзакции и ведет запись всех операций. Однако по мере того, как её использование становится все более распространенным, возникает ряд проблем. Одной из таких проблем является масштабируемость.

В блокчейне каждая транзакция должна проходить несколько этапов, требующих значительных вычислительных мощностей и времени. Чтобы улучшить пропускную способность блокчейна, разработчики внедряют в его структуру решения масштабирования уровня 2. Давайте узнаем больше о том, как они работают.

Почему важна масштабируемость блокчейна?

Эксперты расходятся во мнениях давая определение понятию «масштабируемость». Однако по своей сути термин масштабируемость блокчейна описывает способность системы постоянно поддерживать стабильность и быстродействие, независимо от общего числа пользователей.

Термин “пропускная способность” описывает количество транзакций, обрабатываемых системой в секунду. Электронная платежная сеть компании Visa, VisaNet, обрабатывает почти 20 000 TPS, а блокчейн биткоина, тем временем, может выполнять всего лишь от 3 до 7 TPS.

Разница в производительности может шокировать, однако её очень просто объяснить. Биткоин использует децентрализованную систему, а VisaNet централизованную. Децентрализованной системе требуется больше вычислительной мощности и времени для защиты конфиденциальности своих пользователей. Каждая транзакция проходит несколько этапов, включая прием, майнинг, распределение и подтверждение нодами.

Ожидается, что криптовалюта вскоре станет ведущим инструментом в деловом мире, поэтому разработчики пытаются увеличить мощность и быстроту работы блокчейна. Именно для выполнения этих задач и ведётся работа над слоями блокчейна и оптимизации второго уровня масштабирования.

Проблема масштабируемости биткоина

Сначала биткоин был простым блокчейном, позволяющим пользователям отправлять и получать цифровую валюту. Однако еще с момента его создания было известно о проблеме масштабируемости, что породило вопрос: что произойдет, когда больше людей начнут использовать биткоин?

Этот сценарий можно рассматривать как сетевую проблему. Каждая система имеет определенную пропускную способность и может обрабатывать лишь определенное количество транзакций в секунду  (это количество транзакций, которые блокчейн-сеть может обрабатывать каждую секунду ). Более того, каждая транзакция в децентрализованной системе проходит проверку, что требует достаточно много места для хранения данных.

Перенесемся в 2021 год. Популярность биткоина привела к перегрузке его протокола, в результате чего снизилась скорость обработки.

Почему блокчейн нуждается в технологии L2?

Ответ прост: возросший спрос и более высокие затраты на транзакции. Давайте разберём это на примере Ethereum.

У ETH есть механизм консенсуса, что позволяет применять несколько децентрализованных приложений. Механизм консенсуса в блокчейне — это отказоустойчивая система, которая поддерживает одно и то же состояние сети в распределенных нодах. С помощью этих протоколов все ноды согласовывают транзакции и синхронизируются друг с другом. Это делает блокчейн Ethereum крайне защищённым от перезаписи данных и хакерских атак.

Стабильность и безопасность Ethereum вызвала ICO-ажиотаж, что привело к созданию большого количества новых монет на блокчейне. Следовательно, возросли приток пользователей и количество транзакций, совершаемых на Ethereum. С увеличением количества пользователей увеличивалась и плата за транзакцию, «газ», выплачиваемый сторонам, обрабатывающим транзакции в сети Ethereum.

Когда блокчейн-сеть перегружена, активные транзакции отправляются в пул памяти и требуют больше времени для обработки. Для решения этой проблемы майнеры начинают отдавать приоритет транзакциям с более высокими ценами на газ. Это ещё больше повышает минимальную стоимость, необходимую для совершения транзакции.

В итоге это приводит к тому, что цены на газ взлетают до небес, ухудшая ситуацию для всех участников. Масштабирование L2 призвано решить эту проблему и снизить затраты на транзакции.

Проблема с первым уровнем

Сеть уровня 1 (L1) – это блокчейн в децентрализованной системе. Два примера таких сетей – это Биткоин и Эфириум.

При масштабировании 1 уровня базовый протокол блокчейна изменяется для внедрения возможности его масштабирования. С помощью этих решений изменяются правила протокола, что увеличивает пропускную способность и скорость проведения транзакций.

Масштабирование уровня 1 может включать:

  • Повышение скорости подтверждения блоком
  • Увеличение ёмкости блока памяти

Вместе эти решения масштабирования увеличивают пропускную способность сети. Однако уровень 1, похоже, не справляется с ростом числа пользователей блокчейна. Ниже приведены некоторые недостатки системы.

Неэффективный протокол консенсуса

Блокчейн уровня 1 по-прежнему использует старый и «деревянный» механизм консенсуса доказательство выполнения работы.

И хоть этот механизм безопаснее остальных, его скорость крайне мала. Этот протокол нуждается в вычислительных мощностях майнеров для решения криптографических алгоритмов. Таким образом, требуется больше вычислительной мощности и времени в целом.

Решение

Альтернативный консенсус «доказательство владения», который применён в Ethereum 2.0. Этот механизм консенсуса подтверждает новые блоки данных транзакций в соответствии со стейкинг-обеспечением участников сети, что делает процесс более эффективным.

Чрезмерная нагрузка

По мере увеличения числа пользователей увеличивается и рабочая нагрузка на блокчейн уровня 1. Из-за этого снижаются скорость обработки и производительность.

Решение

Решением масштабирования для этой проблемы является шардинг. Проще говоря, шардинг (сегментирование) разбивает работу по проверке и аутентификации транзакций на небольшие и простые подзадачи. Таким образом, рабочая нагрузка может быть распределена по сети, что позволяет использовать вычислительные мощности большего количества нодов.

Механизм работы шардинга позволяет проводить последовательную обработку нескольких транзакций.

Решения для масштабирования второго уровня

Блокчейн уровня 2 повышает эффективность нативного уровня. L2 берет на себя часть транзакционной нагрузки первого уровня блокчейна и передает ее другой системной архитектуре, эффективно разгружая систему при наплыве транзакций.

Затем блокчейн уровня 2 берёт на себя нагрузку и отчитывается перед уровнем 1. Поскольку большая часть нагрузки по обработке данных приходится на эту смежную вспомогательную архитектуру, загруженность остальной сети снижается, в связи с чем блокчейн уровня 1 становится не только менее перегруженным, но и более масштабируемым.

Примером блокчейна уровня 1 является сеть BTC Lightning Network, масштабирующее решение уровня 2, которое одновременно принимает нагрузку от Биткоина и отчитывается перед ним. В результате Lightning Network увеличивает скорость обработки в блокчейне биткоина. Кроме того, Lightning Network вводит смарт-контракты на блокчейн биткоина 1-го уровня.

Вот несколько других L2 решений для масштабирования:

Вложенный (nested) блокчейн Plasma

Вложенный L2 блокчейн работает поверх другого блокчейна. При такой схеме работы, уровень 1 задает параметры, а вложенный блокчейн уровня 2 выполняет процессы.

У основного блокчейна может быть несколько уровней. Это просто визуализировать на основе типичной структуры компании. Менеджеру поступают рабочие задачи, он назначает их подчиненным, которые позже отчитываются перед менеджером о выполнении поставленных задач. Таким образом, нагрузка на менеджера уменьшается, а масштабируемость повышается.

Примером этого является проект OMG Plasma, который действует как блокчейн 2-го уровня для протокола Ethereum 1-го уровня, обеспечивая более дешевые и быстрые транзакции.

Каналы состояния (state channels)

Каналы состояния позволяют осуществлять двустороннюю связь между участниками блокчейна. За счёт этого сокращается время ожидания, поскольку в процессе не участвуют посредники (например майнеры).

Вот как это работает:

  • Согласно смарт-контрактам, участники предварительно соглашаются зарезервировать часть базового слоя.
  • Затем они могут взаимодействовать друг с другом напрямую, устранив необходимость привлечения майнеров.
  • После проведения всех транзакций они добавляют конечное состояние канала в блокчейн.

Сети Raiden Network на Ethereum и Lightning Network на Bitcoin являются примерами каналов состояния. Lightning Network позволяет участникам проводить несколько микротранзакций в течение определенного периода времени. Raiden позволяет участникам запускать смарт-контракты по личным каналам.

Более того, каналы состояния полностью безопасны, поскольку только участники знают о транзакциях. С другой стороны, L1 блокчейн Ethereum записывает все транзакции в общедоступную бухгалтерскую книгу.

Сайдчейны (Sidechains)

Cайдчейны также являются решением для масштабирования технологии блокчейна уровня 2. Сайдчейн – это транзакционная цепочка, содействующая при проведении большого количества количества транзакций. У него есть механизм консенсуса, не зависящий от нативного уровня. Этот механизм можно оптимизировать для повышения масштабируемости и скорости обработки. При использовании сайдчейна, основной блокчейн должен подтверждать записи транзакций, обеспечивать безопасность и разрешать споры.

Сайдчены отличаются от каналов состояния тем, что они публично записывают все транзакции в бухгалтерской книге. Кроме того, если в сайдчейне происходит нарушение безопасности, то оно не влияет на другие сайдчейны или на основной блокчейн базового уровня.

Роллапы (Rollups)

Роллапы — это решения для масштабирования блокчейна уровня 2, которые выполняют транзакции за пределами блокчейна уровня 1 и размещают на нём данные о выполненных транзакциях. Данные находятся на базовом уровне, что позволяет уровню 1 обеспечивать безопасность роллапов.

Роллапы бывают построены на двух моделях безопасности:

  • Оптимистичные роллапы: в таких роллапах транзакции действительны по умолчанию. В связи с чем они проводят действия по выявлению мошенничества только если возникает проблема.
  • Роллапы с нулевым разглашением: такие роллапы выполняют вычисления вне блокчейна. После выполнения операции они отправляют доказательство достоверности на базовый уровень или основной блокчейн.

Роллапы помогают увеличить пропускную способность блокчейна и снизить плату за газ для пользователей.

Ограничивающие факторы уровня 1 и уровня 2

У выделения уровней блокчейна есть несколько преимуществ. Основное преимущество решений уровня 1 заключается в том, что разработчикам не нужно ничего добавлять к существующей архитектуре, поскольку изменяется только базовый уровень.

Решения для масштабирования уровня 2, в свою очередь, не затрагивают протокол базового уровня. Кроме того, эти решения позволяют выполнять несколько микротранзакций, а пользователям не нужно платить заоблачную комиссию за транзакции или тратить время на верификацию от майнера.

Однако оба этих уровня блокчейна имеют ограничения, которые необходимо учитывать.

Добавление к уже существующим протоколам

Основная проблема со слоями блокчейна заключается в добавлении их в существующие протоколы. И Биткоин, и Эфириум имеют рыночную капитализацию в миллиарды долларов, пользователи этих сервис ежедневно торгуют миллионами долларов. Поэтому нет смысла усложнять процесс излишним кодом и экспериментами, так как на это потребуется много денег.

Трилемма масштабируемости

Виталик Бутерин, основатель Ethereum, придумал термин «трилемма масштабируемости» для обозначения трёх взаимосвязанных свойств блокчейна:

  • Безопасность
  • Масштабируемость
  • Децентрализация

Согласно трилемме, любая блокчейн-технология может иметь не более двух этих свойств. Таким образом, нынешним блокчейнам всегда придется идти на компромисс по одному из фундаментальных свойств. Отличным примером этого является Биткоин. Несмотря на то, что этот блокчейн сумел оптимизировать децентрализацию и безопасность, ему пришлось пойти на компромисс в отношении масштабируемости.

Что будет после решений первого и второго уровней?

Масштабируемость — это одна из причин, по которой массовое внедрение криптовалют в блокчейн-индустрии на данный момент невозможно. По мере роста спроса на криптовалюту также будет усиливаться необходимость в масштабировании протоколов блокчейна. Поскольку оба уровня блокчейна имеют определенные ограничения, решением в будущем будет создание протокола, который сможет решить трилемму масштабируемости.

Подводя итоги

Что касается вышеупомянутого сдерживающего фактора, то для его решения есть два варианта: 1) смягчить проблему масштабирования или 2) найти рабочую альтернативу. Разработчики блокчейна выбирают первый вариант, переходя к масштабированию второго уровня в Ethereum 2.0.

На момент публикации блокчейн-системы все еще находятся в стадии разработки. Главный вопрос заключается в том, станут ли уровни блокчейна и масштабирование второго уровня временными или постоянными решениями? На данный момент никто точно не знает.