Layer 1 против Layer 2: объяснение решений для масштабирования блокчейнов

Масштабируемость блокчейна означает способность сети обрабатывать большой объем транзакций без снижения скорости работы. Этот аспект важен, так как он определяет, сколько транзакций блокчейн способен обрабатывать за определенное время. Масштабируемые сети Layer 1 и Layer 2 критически важны для применения блокчейна в таких сферах, как здравоохранение, финансы и управление цепочками поставок. Эффективное масштабирование блокчейна расширяет его возможности и делает его более подходящим для массового использования.

Что такое масштабируемость блокчейна?

Масштабируемость блокчейна — это не только про технологии уровня (слоев); это также способность системы адаптироваться к высоким нагрузкам на транзакции. Мы часто ассоциируем масштабируемость с ростом, но она также включает адаптацию к падению спроса — эффективная система должна подстраиваться, не расходуя излишне ресурсы.

В бизнесе масштабируемость обычно связана с эффектом масштаба, как у SaaS-компаний. Они тратят значительные средства на начальную разработку, но затем могут поддерживать тысячи или миллионы пользователей с минимальными затратами. Для организаций масштабируемость также означает способность увеличивать штат без организационного хаоса, что требует устойчивой корпоративной культуры и сильного лидерства.

В блокчейне масштабируемость обычно измеряется количеством транзакций в секунду (TPS). Это упрощает сравнение сетей, но не даёт полного представления о том, как блокчейн работает при переменных нагрузках. Для массового внедрения блокчейн должен обрабатывать миллионы транзакций, однако многие сети пока не достигают таких показателей. Централизованные сервисы, такие как Visa, могут обрабатывать 24 000 TPS, поскольку им не нужно привлекать множество узлов для подтверждения транзакций.

Примеры масштабируемых блокчейнов включают Ethereum 2.0, Cardano и Solana. Ethereum 2.0, например, стремится повысить масштабируемость, используя консенсус Proof-of-Stake. Тем не менее, достижение масштабируемости в блокчейне — это непростая задача. С увеличением объема транзакций возрастает и время, и затраты на обработку каждой транзакции, что может замедлить сеть.

Масштабируемость блокчейна также требует баланса с децентрализацией и безопасностью. Слишком сильный акцент на масштабируемости может уменьшить число узлов, ослабляя децентрализацию и, потенциально, безопасность.

Этот баланс стал известен как "блокчейн-трилемма", концепция, предложенная Виталиком Бутериным из Ethereum. Он предположил, что блокчейны могут оптимизировать только два из трех факторов:

• Децентрализация;
• Безопасность;
• Масштабируемость.

Примеры проявления трилеммы в блокчейне включают:

• Bitcoin: высоко децентрализован и безопасен благодаря Proof-of-Work, но имеет низкую масштабируемость.
• Ethereum: широко используется благодаря поддержке смарт-контрактов, но поначалу имел ограничения по масштабируемости на Proof-of-Work. Ethereum 2.0 теперь использует Proof-of-Stake для повышения масштабируемости.
• Ripple: эффективен для международных переводов, но более централизован, что вызывает вопросы относительно безопасности и долгосрочной жизнеспособности.

Блокчейн-трилемма остаётся одной из главных задач для разработчиков, которые продолжают искать способы сбалансировать эти факторы для создания более эффективных сетей.

Что такое Layer 1?

Решения Layer 1 сосредоточены на изменениях основной архитектуры блокчейна. Эти изменения требуют значительных усилий и времени, так как затрагивают основные компоненты сети. Например, переход Ethereum с энергозатратного метода Proof-of-Work (PoW) на более эффективный Proof-of-Stake (PoS) 15 сентября 2022 года стал апгрейдом на уровне Layer 1.

Ethereum был запущен в 2015 году с низкими комиссиями и небольшим числом пользователей. Но по мере роста популярности сеть столкнулась с проблемами масштабируемости, что привело к увеличению времени транзакций и повышению комиссий. Ethereum обрабатывает около 15 транзакций в секунду (TPS), что быстрее, чем 7 TPS у Bitcoin, но все же значительно уступает 1700 TPS у Visa.

Layer 1 и Layer 2: Решения для масштабирования блокчейна

Масштабируемость Ethereum ограничена размером блока и лимитом газа, который определяет, сколько вычислительных ресурсов (в единицах газа) требуется для обработки транзакции. Изначально лимит был установлен на уровне 10 миллионов единиц на блок, но после хардфорка London его повысили до 30 миллионов. Это изменение позволяет теоретически выполнять до 1428 простых транзакций на блок, однако фактические числа варьируются в зависимости от потребностей транзакций в газе.

Валидаторы выбирают транзакции с наивысшими комиссиями из мемпула (зоны ожидания для транзакций), поэтому высокая плата за газ может ускорить выполнение. Однако даже при большем числе майнеров скорость обработки транзакций в Ethereum остаётся ограниченной для предотвращения инфляции, что стабилизирует, но сдерживает пропускную способность сети.

Чтобы улучшить масштабируемость, обновление Ethereum (ранее Ethereum 2.0) представило новую структуру, которая делит сеть на 64 шарда — независимых блокчейна, работающих параллельно. Ethereum также перешёл с Proof of Work на Proof of Stake для реализации этой системы. Вопреки предположениям некоторых пользователей, обновление не привело к созданию нового токена — монеты ETH остались прежними, переместившись на новую платформу в соотношении 1:1. Основной способ снижения комиссий по-прежнему связан с использованием решений Layer 2, поскольку спрос продолжает расти.

Обновление Ethereum — это не новая сеть, а улучшение существующей, закладывающее основу для более масштабируемых блокчейн-приложений.

Что такое Layer 2?

Решения Layer 2 (L2) работают в качестве надстройки к основной сети блокчейна, перемещая определенные процессы за её пределы. Это снижает затраты на транзакции и повышает эффективность, снижая нагрузку на основную цепочку. Одним из известных решений Layer 2 является Lightning Network (LN) для Bitcoin.

Высокие комиссии и медленные транзакции в Bitcoin уже давно являются проблемой. Хотя такие форки, как Litecoin (LTC), Dogecoin (DOGE) и Bitcoin Cash (BCH), пытались её решить, Lightning Network остаётся наиболее поддерживаемым решением для масштабирования среди разработчиков Bitcoin.

Lightning Network действует как вторичный платёжный слой, позволяя транзакциям происходить непосредственно между узлами сети, минуя основной блокчейн Bitcoin. Внутри LN транзакции мгновенны и стоят лишь доли цента. Пользователи могут открывать платёжный канал на этом уровне и совершать неограниченное количество транзакций, не задействуя основной блокчейн — только итоговый баланс записывается при закрытии канала.

Lightning Network предназначена для решения проблемы масштабируемости Bitcoin, делая микротранзакции, такие как покупка кофе или перевод небольшой суммы другу, более практичными, быстрыми и дешёвыми. Lightning Labs, команда, стоящая за LN, разработала приложение Strike, которое упрощает отправку и получение Lightning-платежей в Bitcoin.

Ключевые преимущества Lightning Network:

• Высокая пропускная способность транзакций. Lightning Labs заявляет, что LN может обрабатывать до 25 миллионов транзакций в секунду, что не под силу ни одному другому блокчейну или платёжной системе.
• Снижение нагрузки на сеть. Обрабатывая транзакции вне основной сети, LN уменьшает нагрузку на основную сеть, ускоряя работу и снижая комиссии.

Несмотря на эти преимущества, Lightning Network сталкивается с рядом вызовов. Ограниченное использование затрудняет проверку её полного потенциала, а управление средствами в платёжных каналах может быть сложным. Например, после настройки канала количество BTC в нём не подлежит изменению, что иногда требует дополнительной ликвидности.

Хотя Lightning Network ещё развивается, она обещает революционизировать цифровые платежи. Однако некоторые аналитики предупреждают, что создание хабов, где узлы хранят крупные балансы BTC, может со временем привести к риску централизации.

Layer 1 против Layer 2: Основные различия

В блокчейне решения Layer 1 (L1) означают непосредственные обновления основной сети. Примером для Bitcoin стало обновление Taproot в ноябре 2021 года, которое улучшило конфиденциальность и эффективность. Аналогично, хардфорк Ethereum London (EIP-1559) изменил систему комиссий, добавил механизм сжигания токенов и подготовил почву для перехода на Proof of Stake (PoS). Оба эти решения относятся к Layer 1, так как они вносят изменения непосредственно в ядро блокчейна.

Решения Layer 2 (L2), напротив, предназначены для повышения масштабируемости за счет создания дополнительных слоёв поверх основной сети. Lightning Network (LN) является примером L2 для Bitcoin, обеспечивая более быстрые и дешевые транзакции через внецепочечные каналы, при этом сохраняя основную сеть без изменений.

Основные преимущества блокчейнов Layer 2

• Повышенная масштабируемость. Layer 2 решения позволяют сетям обрабатывать больше транзакций в секунду, разгружая основную цепочку. Например, если Ethereum обрабатывает около 15 транзакций в секунду, то L2 сеть способна удвоить или даже утроить эту пропускную способность.
• Быстрые транзакции с низкими комиссиями. Масштабируя обработку транзакций, Layer 2 сети могут подтверждать транзакции быстрее и дешевле. Это особенно полезно для микротранзакций, где комиссии основной сети могут быть чрезмерными.
• Снижение нагрузки на Layer 1. Решения L2 помогают «разгрузить» основную цепочку, перенося мелкие транзакции на вторичные слои. Это снижает нагрузку на Layer 1, ускоряя обработку крупных транзакций и снижая для них комиссии.
• Интероперабельность и возможность настройки. Многие Layer 2 решения на Ethereum совместимы с Ethereum Virtual Machine (EVM), позволяя разработчикам создавать цепочки для специфических нужд, таких как игры или фермерство. Эти L2 цепочки также могут беспрепятственно взаимодействовать друг с другом, поддерживая широкий спектр приложений.
• Повышенная безопасность и децентрализация. Распределяя транзакции по нескольким сетям L2, экосистема блокчейна становится более децентрализованной и безопасной. Если одна сеть сталкивается с проблемами, другие L2 цепочки могут продолжать работу без перебоев.

Преимущества решений Layer 1

Решения Layer 1 обеспечивают прочную основу для развития блокчейн-проектов. Внедрение улучшений непосредственно в основной блокчейн позволяет легко интегрировать новые инструменты и функции, повышающие функциональность и производительность. Это делает обновления Layer 1 важными для долгосрочного роста и адаптивности проектов.

Недостатки

Однако внедрение улучшений на Layer 1 требует времени и является сложным процессом. В отличие от Layer 2 решений, которые работают поверх основной цепочки, изменения на уровне Layer 1 требуют значительного планирования, разработки и тестирования. Это означает, что реализация улучшений на Layer 1 занимает гораздо больше времени по сравнению с решениями второго уровня.

Преимущества решений Layer 2

Layer 2 решения работают независимо от основной цепочки, что даёт им гибкость и возможность легкого удаления или изменения, если это потребуется. Они эффективно решают блокчейн-трилемму, находя баланс между масштабируемостью, безопасностью и децентрализацией без необходимости вносить значительные изменения в основную сеть. Кроме того, внедрение решений Layer 2 обычно проще, чем развертывание изменений на Layer 1, что делает их более быстрым вариантом для масштабирования и повышения эффективности блокчейна.

Недостатки

Тем не менее, Layer 2 решения могут усложнить совместимость блокчейнов. Добавление новых цепочек поверх существующих может вызвать проблемы с взаимодействием между сетями, ограничивая интероперабельность. Также существует риск безопасности: некоторые разработчики считают, что Layer 2 решения не обеспечивают того же уровня безопасности, что и основной блокчейн. Кроме того, Layer 2 решения не полностью решают основные проблемы блокчейна — они лишь смягчают некоторые ограничения, не затрагивая корневые вопросы.

Применение в реальных условиях

Layer 1 блокчейны, такие как Bitcoin и Ethereum, составляют основу мира блокчейнов, самостоятельно управляя транзакциями и развертывая смарт-контракты. Тем не менее, они сталкиваются с «блокчейн-трилеммой» — трудностями в поддержании баланса между децентрализацией, безопасностью и масштабируемостью. Layer 1 решения берут на себя такие ключевые функции, как обработка транзакций и обеспечение безопасности, но их масштабируемость ограничена, что влияет на скорость обработки транзакций и их стоимость. Например, загруженность сети Bitcoin может приводить к замедленной обработке, а высокий спрос на Ethereum часто вызывает увеличение комиссий за транзакции.

Ethereum как известная платформа Layer 1 позволяет разработчикам создавать децентрализованные приложения (dApps) и смарт-контракты. Однако с ростом числа пользователей и приложений возникают проблемы масштабируемости, такие как высокие комиссии и медленная скорость работы. Именно здесь на помощь приходят решения Layer 2.

Layer 2 решения, построенные поверх Layer 1 блокчейнов, направлены на повышение масштабируемости и снижение затрат на транзакции. Например, Lightning Network ускоряет транзакции в сети Bitcoin, создавая внецепочечные платёжные каналы, что позволяет осуществлять быстрые и экономичные переводы. Аналогично, сеть Raiden на Ethereum использует похожие платёжные каналы для более быстрых и дешевых транзакций для пользователей Ethereum.

Популярные Layer 2 решения и их роль в масштабировании Ethereum

Layer 2 решения, такие как Arbitrum, Optimism и Immutable X, значительно расширяют возможности Ethereum, позволяя проводить больше транзакций с меньшими затратами. Эти решения становятся незаменимыми для масштабирования Ethereum, особенно с ростом децентрализованных финансов (DeFi) и NFT, которые увеличивают нагрузку на ресурсы сети и повышают комиссии за газ.

Перспективы масштабирования Layer 1 и Layer 2

Ethereum стремится к долгосрочному улучшению масштабируемости через переход на Ethereum 2.0, включающего шардинг и смену механизма консенсуса на Proof of Stake (PoS). Однако Layer 2 решения играют важнейшую роль в удовлетворении текущих потребностей Ethereum, и Виталик Бутерин предположил, что использование rollup-решений может увеличить пропускную способность Ethereum в сотни раз ещё до полной реализации Ethereum 2.0.

Основные стратегии масштабирования:

1. On-Chain Scaling (Layer 1). Внесение изменений в основную сеть (например, переход на Ethereum 2.0).
2. Layer 2 Solutions. Независимые от основной цепи решения, использующие её безопасность и обрабатывающие транзакции вне основной цепочки для увеличения скорости, пропускной способности и снижения комиссий.

Совместное развитие Layer 1 и Layer 2 позволяет Ethereum удерживать позиции лидера среди платформ для децентрализованных приложений, отвечая на растущие запросы экосистемы DeFi.

Будущее масштабирования блокчейнов и основные тенденции Layer 1

Layer 1 блокчейны, как основа Web3, сосредоточены на достижении децентрализации, безопасности и масштабируемости. Однако из-за «тривиальной задачи блокчейна» обычно приходится делать акцент лишь на двух из трёх аспектов. Например, Bitcoin ориентирован на децентрализацию и безопасность, но уступает по масштабируемости.

Три ключевых тенденции будущего Layer 1 блокчейнов:

1. Экономическая эффективность. Проекты начнут оптимизировать потребление ресурсов, чтобы стать более экологичными и конкурентоспособными.
2. Интероперабельность. В будущем протоколы будут интегрировать взаимодействие между блокчейнами для лёгких межсетевых переводов.
3. Улучшенный пользовательский опыт. Для массового принятия блокчейн должен стать более удобным и доступным, что требует улучшенных интерфейсов и упрощённых процессов.

Блокчейны Layer 1, как основа будущих приложений, должны быть быстрее, безопаснее и доступнее, чтобы поддерживать инновации в таких сферах, как здравоохранение, гейминг и даже космическое исследование.

Роль и преимущества Layer 2 решений

Layer 2 решения позволяют значительно сократить расходы и повысить удобство для пользователей. Улучшенные платформы Layer 2 помогают пользователям отслеживать статистику и управлять активами через различные протоколы, делая сеть более доступной. Они также упрощают обмен активами, обеспечивая баланс между доступностью и безопасностью.

Однако Layer 2 решения во многом зависят от Ethereum. Если в сети Ethereum возникнут технические проблемы, это может повлиять и на вторичные проекты. Для пользователей, которые ищут преимущества Layer 2 без зависимости от Ethereum, есть альтернативы, такие как Fantom и Celo. Celo, например, становится всё более популярной платформой для DeFi и NFT, а ликвидные пулы на Uniswap привлекают значительное внимание.

Согласно прогнозам инвестиционных компаний, таких как VanEck, к 2030 году рыночная капитализация Layer 2 экосистемы Ethereum может достичь $1 трлн. На данный момент уже насчитывается 46 Layer 2 сетей, ориентированных на Ethereum, и это число будет только расти.

Блокчейн-индустрия приходит к пониманию, что сотрудничество важнее конкуренции. Вместо поиска «лучшего» блокчейна будущее будет заключаться в комбинации различных технологий. Интеграция Layer 1 с гибкими Layer 2 решениями предлагает реалистичный путь к достижению децентрализации, безопасности и масштабируемости.

Хотя Layer 2 решения сейчас находятся в центре внимания, будущие улучшения Layer 1 (например, шардинг) могут изменить соотношение сил. В ближайшие годы, вероятно, появятся гибридные решения, которые объединят Layer 1 и Layer 2 для обработки больших объёмов данных, сохраняя при этом безопасность и децентрализацию. В процессе эволюции блокчейнов исследования и внедрение новых технологий могут открыть новые возможности в различных отраслях.