Layer 1 и layer 2: как решается проблема масштабируемости блокчейнов

Основной проблемой блокчейнов является их масштабируемость. Существует несколько видов блокчейнов, и все они пытаются решить проблему скорости транзакций. Но их решений недостаточно. Поэтому разработчики находят новые варианты. Давайте рассмотрим основные из них. 

Трилемма блокчейна 

Идея блокчейна — децентрализация. Поэтому блокчейн состоит из узлов (нод), которые принимают решения о верности транзакции на основе алгоритма консенсуса. Каждый узел (компьютер) должен задействовать значительные вычислительные ресурсы, пропускную способность и память для хранения данных для поддержания работы блокчейна.

Большое количество узлов обеспечивает высокую децентрализацию блокчейна и низкий риск атаки 51%. Но параллельно большое количество нод негативно влияет на скорость транзакций. Чем меньше узлов в блокчейне, тем выше скорость передачи информации, но ниже уровень безопасности. 

Таким образом, возникает так называемая трилемма блокчейна — баланс между безопасностью, децентрализацией и масштабируемостью сети. 

Самые популярные сети всегда децентрализованы, но скорость их транзакций сильно ограничена, а комиссии выше чем в других сетях. Яркими примерами являются Ethereum и Bitcoin. Для увеличения скорости транзакций были созданы решения для масштабирования первого уровня (layer 1) и решения второго уровня (layer 2). 

Решения для масштабирования первого уровня

Итак, layer 1 или блокчейн первого уровня — основная сеть блокчейна, которая отвечает за транзакции внутри сети. Существует несколько вариантов увеличения скорости транзакций на уровне 1. 

Изменение правил протокола

Изначально сообщество может внести изменения в правила протокола, чтобы увеличить пропускную способность и скорость транзакций. Изменения могут включать увеличение объема данных в каждом блоке или скорости подтверждения блоков.

Новый механизм консенсуса

Сеть может перейти на новый алгоритм консенсуса, как, например, это сделал Ethereum. (Идея перехода Ethereum с Proof of Work на Proof of Stake). Помимо Proof of Stake существуют и другие алгоритмы консенсуса, которые пытаются решить проблему масштабируемости блокчейна. 

Шардинг (sharding)

При использование шардинга вся сеть разделяется на отдельные наборы данных, которые распределяются между узлами. Это сокращает нагрузку на узлы, которые обычно должны поддерживать всю сеть. Наборы данных обрабатываются сетью одновременно, что позволяет последовательно работать над многочисленными транзакциями.

Пример: Ethereum 2.0, Zilliqa, Tezos и Qtum

Что такое layer 2 

Layer 2 — это сеть, которая подключена к основной, она является надстройкой, которая отвечает за транзакции вне сети. Например, сеть биткоина — это уровень 1, а Lightning Network — это решение второго уровня, которое увеличивает масштабируемость основной сети. 

Bitcoin Lightning Network позволяет совершать мгновенные транзакции с низкими комиссиями. Это одноранговая система (P2P или person-to-person), где пользователи, осуществляющие перевод, открывают канал и переводят средства, не записывая транзакции в основную цепочку биткоина. Как только все операции завершены, пользователи закрывают канал. Транзакции «упаковываются» и записываются в блок блокчейна. Таким образом, пользователи могут произвести мгновенные переводы средств, при этом сохранив безопасность основной сети блокчейна биткоина. 

Виды решений блокчейна второго уровня

Все решения второго уровня можно разделить на: 

Каналы состояния (state channels)

Транзакции происходят в канале, который открывают участники транзакции. Чтобы осуществлять переводы средств, участникам нужно заблокировать свои средства в контракте с несколькими подписями. В блокчейне записывается только первая транзакция, которая открывает канал, и последняя, которая закрывает соединение, она отправляется в сеть и средства разблокируются. 

При открытии каналов создается смарт-контракт, который защищает транзакции и используется в качестве «судьи» в двусторонних отношениях участников перевода. 

Пример: Lightning Network, Celer, Raiden Network и Liquid Network

Роллапы (Rollups)

Это решения второго уровня, используемые в сети Ethereum. Они осуществляют часть транзакций в цепочке второго уровня, то есть вне основной сети, затем «скручивают» десятки транзакций в одну и отправляют ее в основную сеть. Так как роллапы сжимают данные большого количества транзакций в одну, стоимость одной транзакции распределяется между множеством пользователей. Более того, пользователям не нужно ждать осуществления каждой транзакции на основном медленном блокчейне. 

Роллапы делятся на два вида — ZK-Rollups и Optimistic rollups.

Optimistic rollups

Optimistic rollups базируются на доказательстве мошенничества, идея которого не проверять каждую транзакцию, а отправить данные в основную сеть и предположить, что они верны. Отправители предоставляют залог, который изымается при обнаружении мошеннических действий в блокчейне. Основным недостатком optimistic rollups является невозможность вывести средства в течении недели, так как именно этот период нужен для оспаривание мошеннических транзакций.  

Пример: Optimism и Arbitrum 

ZK-Rollups

Zero-knowledge rollups или ZK-Rollups — пакеты данных, которые обеспечиваются смарт-контрактом, находящимся в основной цепочке, но обрабатываются и вычисляются вне основной сети. Zero-knowledge или нулевое разглашение значит, что все верификаторы могут быть уверены, что они имеют одну и ту же информацию, но сама информация не раскрывается. В отличие от optimistic rollups, которые основаны на том, что все валидаторы честны, zero-knowledge rollups проверяют каждый добавленный в сеть блок, исключая необходимость доверять валидаторам.

Пример: Polygon

Сайдчейн (sidechain)

Сайдчены — независимые цепочки блоков, которые работают параллельно основной сети. В отличие от других решений второго уровня, которые полагаются на контроль безопасности основной сети, сайдчейны имеют свой механизм консенсуса. Однако это не очень положительный момент, такие цепочки менее безопасны. 

Работа сайдчейна и основной сети не взаимосвязана. Так, если сайдчейн будет взломан, это не повлияет на основную сеть. Также при взломе основного блокчейна сайдчейн продолжит функционировать, но его привязка к основной сети не будет иметь смысла. 

Пример: Bitcoin’s Liquid Network и RootStock (RSK)

Вложенные блокчейны

Вложенные блокчейны — представляют собой набор вторичных цепочек, располагающихся поверх основного блокчейна. Их деятельность соответствует правилам и параметрам основного блокчейна. При этом основной блокчейн используется только для урегулирования споров, но не участвует в выполнении транзакций. То есть вторичные цепочки обрабатывают транзакции и возвращают их в основной блокчейн. 

Пример: Plasma (проект OmiseGO)

Проблемы решений layer 1 и layer 2

Решения первого и второго уровне имеют плюсы и минусы. Например, решения первого уровня могут обеспечить более высокую безопасность транзакций, так как они не переносят их в другие сети. Однако для внесения изменений в протокол блокчейна потребуется одобрение сообщества, которое может не согласиться с предлагаемыми решениями. 

Решения второго уровня обеспечивают высокую скорость транзакций. При этом риск мошеннических действий и хакерских атак значительно увеличивается.