По мере появления новых и развития старых технологий во всём всегда появляются новые решения, которые призваны так или иначе улучшить и упростить нашу жизнь. И сфера криптовалют не является исключением. За относительно короткий срок данное направление прошло путь от обычной передачи средств с помощью Биткоина до появления целых экосистем внутри одного блокчейна и создания Web3 версий привычных нам продуктов: почта, игры, социальные сети.
С приходом всё большего числа людей в сферу криптовалют встал вопрос о модернизации уже устоявшихся проектов, а также о создании новых, более технологичных, быстрых и удобных решений. И хотя блокчейн сам по себе является быстрым способом передачи средств, разработчики и энтузиасты всегда пытались и пытаются сделать его еще быстрее, добавляя, при этом, свои наработки.
Таким образом начали появлятся так называемые блокчейны второго уровня или просто Layer 2. Основные сети, такие, как Ethereum, Bitcoin, Solana стали называть блокчейнами первого уровня или Layer1. И у каждого из уже имеющихся или только создающихся проектов есть свои принципы работы, пути решения той или иной проблемы и различия, которые непонятны обычному пользователю.
В этой статье мы попытаемся донести простым языком смысл Layer 1, Layer 2 и Layer 3 блокчейнов для более широкого понимания вами сферы криптовалют. Приятного прочтения!
Прежде, чем мы поговорим о блокчейнах “различных уровней”, нужно прояснить одну важную деталь: отсчёт этих самых уровней ведется не с первого, а с нулевого.
Что же такое “нулевой уровень” или Layer 0?
Грубо говоря, Layer 0 — это абстракция, подразумевающая под собой всю необходимую инфраструктуру, на которой будут базироваться остальные сети. Эта инфраструктура поддерживает все необходимые инструменты для создания и подключения блокчейнов первого уровня (Layer 1).
Следовательно, основное утилити Layer 0 — передача данных между Layer 1 сетями и поддержание их работы. Таким образом, мы получаем сеть нескольких Layer 1 блокчейнов, объединённых и координируемых с помощью Layer 0. Всё это обобщается как единая сеть.
Помимо этого, Layer 0 включает в себя:
Подключение к интернету
Аппаратное обеспечение
Веб-хостинг
Доменные имена
Компиляторы языков программирования
Прямые трансляции данных
Облачное хранилище
Вообще, Layer 0 блокчейны могут использоваться для решения узконаправленных задач, но здесь можно выделить три глобальные проблемы. Перечислим их по порядку.
Проблема совместимости
Совместимость или интероперабельность в данном случае означает возможность различных блокчейнов взаимодействовать друг с другом. Здесь нужно упомянуть, что, как правило, привычные блокчейны взаимодействуют друг с другом посредством мостов. К таким можно отнести Ethereum, BNB Chain, Polygon и т.п.
Layer 0 сети, в свою очередь, позволяют отправлять транзакции между собственными блокчейнами напрямую. К примеру, такая реализация есть в экосистеме Cosmos, которая называется Inter Blockchain Communication. Таким образом, в кошельке Keplr можно выбрать IBC перевод, который осуществляется гораздо быстрее обычного.
Проблема масштабируемости
Зачастую случается так, что та или иная сеть, Ethereum, Solana или Bitcoin оказывается перегруженной из-за большого наплыва пользователей. В таком случае мы получаем более медленную обработку транзакций и, как следствие, увеличение стоимости комиссий. Это связано с тем, что “монолитные” блокчейны первого уровня обеспечивают всю работу в одиночку.
В то же время различные Layer 0 сети являются оптимизированными и распределяют все задачи между всеми блокчейнами в сети.
Гибкость при разработке
Layer 0 блокчейны предоставляют больше возможностей для разработчиков в сравнении с обычными блокчейнами. Например, пользователь может создать собственный блокчейн под свои нужды и всячески его кастомизировать: определять тип создаваемых децентрализованных приложений или создавать собственные экономические модели токенов.
Стоит ли говорить, что в Ethereum или Solana провернуть такое невозможно?
Как и остальные типы блокчейнов, Layer 0 сети могут функционировать по-разному в зависимости от предназначения и дизайна разработки. Однако сам принцип работы достаточно простой: данная инфраструктура поддерживает работу построенных на ней блокчейнов.
Давайте рассмотрим несколько таких проектов.
Данный протокол был разработан с целью предоставить возможность разработчикам создавать свои собственные блокчейны. Такие блокчейны называются парачейнами (Parallel Chain — Parachain) и взаимодействуют они друг с другом с помощью “ретранслятора”, коим выступает Polkadot. Отсюда и название Polkadot Relay Chain.
Примеры парачейнов: Acala, Clover Finance, Statemint. Чтобы иметь право на создание своего блокчейна, разработчики участвуют в специальных аукционах.
Связующим звеном между парачейнами и Polkadot Relay Chain является токен $DOT.
Если же центральная сеть Polkadot Relay Chain выйдет из строя, то парачейны продолжат работу в штатном режиме, но не смогут коммуницировать между собой. Для предотвращения таких ситуаций Polkadot работает на консенсусе Proof-of-Stake и имеет 300 валидаторов с возможностью увеличения до 1000.
Данная сеть разрабатывалась специально для DeFi протоколов. Avalanche имеет в своём распоряжении три сети: Avax C-Chain (Contract Chain), Avax X-Chain (Exchange Chain) и Avax P-Chain (Platform). Помимо этого Avalanche поддерживает небольшие сети (подсети).
P-Chain выступает в роли координатора для валидаторов и подсетей, которых насчитывается свыше 50; X-Chain требуется для создания и управления токенами; C-Chain необходима для взаимодействия с децентрализованными приложениями.
Подсети необходимы для большей децентрализации и увеличения пропускной способности. Они способны проверять и отключать друг друга при необходимости.
К слову, в отличие от Polkadot, Avalanche совместим с Ethereum, что позволяет передавать сообщения и токены, используя специальные мосты.
Данный Layer 0 состоит из главной сети Cosmos Hub и множества пользовательских блокчейнов, которые также называются зонами. В данном случае Cosmos Hub помогает блокчейнам передавать токены и сообщения друг другу, а также обеспечивает безопасность всей сети.
Что интересно, для передачи активов между зонами не требуется их прохождение через основную сеть. Для этого был разработан протокол межцепочной коммуникации (Inter Blockchain Communication), о котором мы уже упоминали выше.
Cosmos Hub имеет собственный набор разработчика (Software Developer Kit), который помогает пользователям создавать и настраивать свои блокчейны. Вы наверняка видели такое словосочетание Cosmos SDK. Теперь вы знаете что это такое.
Помимо Layer 0 блокчейнов, также существуют Layer 0 протоколы. Они более распространены, но работают по-другому. Такие протоколы могут быть встроены в другие блокчейны, например, в Ethereum, а также могут подключаться к другим сетям.
Есть несколько типов таких протоколов:
Оракулы (Chainlink, Tellor) — эти протоколы помогают передавать данные между блокчейнами. Без их участия различные децентрализованные приложения не смогли бы получать данные из других блокчейнов.
Хранилища (Storj, Filecoin, IPFS) — такие протоколы помогают сохранить данные в блокчейне. К примеру, для использования того или иного децентрализованного приложения нужен домен. Если его уничтожить, то пользователи потеряют доступ к этому приложению. Хранилища помогают этого избежать.
Веб-сервисы — сервисы, предоставляющие вычислительные мощности в аренду, к примеру Gensyn; сервисы доменных имен, к примеру Ethereum Name Service; устойчивые к цензуре RPC провайдеры, к примеру, Ankr.
Мосты — такие протоколы позволяют отправлять данные и токены между блокчейнами. Мосты также могут делиться на подкатегории: локальные — для валидаторов собственного блокчейна или приложения; внешние — оракулы или мультиподписи (Multisig); нативные — например, Ethereum-Polygon.
Подводя итоги по теме блокчейнов нулевого уровня, можно смело сказать, что мастодонты рынка в лице Ethereum и Bitcoin все же удерживают абсолютное лидерство. Эти блокчейны представляют собой децентрализацию, нерушимость и надежность. Эти качества всегда будут в почете у пользователей. Однако, Layer 0 блокчейны имеют потенциал и могут улучшить уже имеющееся положение дел, но так или иначе, до этого пока ещё далеко.
Переходим к более привычным вещам — к блокчейнам первого уровня. Как правило такими блокчейнами принято считать Ethereum, Bitcoin, BNB Chain, Solana, Aptos и другие, а также их базовую инфраструктуру.
Самым первым блокчейном первого уровня является Bitcoin, который был изобретен как безопасное и децентрализованное платежное средство. Следовательно, основная задача Layer 1 блокчейнов — отправка средств и обработка транзакций.
Отличительной особенностью Layer 1 блокчейнов является наличие механизма консенсуса — процесса, в течение которого все участники сети приходят к согласию по текущему состоянию сети.
Основные механизмы достижения консенсуса:
Proof-of-Work — первый механизм достижения консенсуса, разработанный Сатоши Накамото. Его суть заключается в решении определенных математических вычислений с помощью специального физического оборудования. Посредством вычислений майнерами генерируются новые блоки, подтверждаются и обрабатываются транзакции, после чего добавляются в эти самые блоки. Использование: Bitcoin, Litecoin, Monero, Dogecoin.
Proof-of-Stake — альтернатива консенсусу Proof-of-Work, которая предполагает стейкинг определенного количества монет, вместо сложных вычислений, требующих дорогостоящее оборудование и колоссального потребления энергии. Данный механизм во много раз снижает энергопотребление, а также повышает децентрализацию, безопасность и масштабируемость. Использование: Ethereum, Polkadot, Cardano.
Delegated Proof-of-Stake — механизм, во многом похожий на PoS, однако предполагающий делегирование монет другим участникам сети, которые будут поддерживать работоспособность сети. Как правило, наибольшее влияние на сеть имеет тот делегат, которому делегировали наибольшее количество монет. Вознаграждение, собранное делегатами, распределяется между всеми, кто их выбрал. Таким образом, DPoS предполагает систему голосования, которая позволяет быстро заменять неэффективных валидаторов. Этот механизм достижения консенсуса является более масштабируемым, чем PoW и PoS. Использование: Tron, Cosmos, EOS.
Эти алгоритмы являются основными, однако существует несколько других, на которых мы не будем заострять внимание по причине их малой популярности.
Delegated Proof-of-Work — обеспечение безопасности сети за счёт мощностей сети Bitcoin. Использование: Komodo.
Leased Proof-of-Stake — обеспечение работоспособности сети за счёт сдачи своих монет в аренду без права передачи или продажи. Использование: Waves.
Proof-of-Authority — обеспечение безопасности сети за счёт репутации валидатора, который должен подтвердить свои личность и намерения, чтобы обеспечить себе некий авторитет для доступа к сети.
Proof-of-Burn — метод обеспечения работоспособности сети, при котором валидаторы сжигают часть монет, демонстрируя “приверженность” сети.
Гибридный консенсус — метод обеспечения работоспособности сети, при котором выбираются лучшие качества PoW и PoS, которые компенсируют недостатки друг друга.
В связи с развитием индустрии криптовалют и, как следствие, с приходом всё большего числа людей всё чаще встаёт вопрос большей масштабируемости и удобства технологии блокчейн.
Ввиду своего фундаментального дизайна сеть Bitcoin могла обрабатывать всего лишь 7 транзакций в секунду, что недостаточно при массовом использовании. Данное ограничение вынуждало разработчиков постоянно экспериментировать и создавать новые решения. Однако по мере выхода новых проектов и блокчейнов индустрия столкнулась с ещё одной проблемой — трилеммой блокчейна.
Трилемма блокчейна — это ситуация, при которой блокчейн не может в равной степени добиться наивысшей безопасности, масштабируемости и децентрализации. Данный термин был популяризирован одним из создателей Ethereum Виталиком Бутериным.
Чтобы понять эту проблему, необходимо разобраться с её составляющими.
Первая составляющая — децентрализация
Децентрализация подразумевает отсутствие единого лица или организации, контролирующей работу сети. Стать валидатором сети может любой желающий и соответствующий критериям, что обеспечивает распределение контроля между всеми участниками сети. Если злоумышленник попытается каким-либо образом изменить данные сети в свою пользу, то остальные участники не примут ошибочные данные, отвергнув их.
Давайте рассмотрим сеть Bitcoin в качестве примера. Как мы уже знаем, в этой сети нет какого-либо третьего лица, которое смогло бы в одиночку контролировать работу всего блокчейна. Bitcoin был создан как антипод традиционной банковской системе, которая контролирует все стороны, осуществляющие транзакции, а также следит за записью данных, что означает централизацию. Bitcoin же наоборот делится данными со всеми участниками сети, что обеспечивает возможность их самостоятельной проверки и добавления. Таким образом обеспечивается децентрализация.
Именно благодаря децентрализации стал возможен концепт Web3 — нового поколения интернета, которое отличается от текущего Web2 тем, что пользователи смогут сами контролировать и владеть своими данными в сети.
Однако наличие множества участников, подтверждающих достоверность данных, может тормозить обработку транзакций, так как каждый валидатор должен проверить и обработать информацию. Для решения этой проблемы блокчейн должен быть масштабируемым, то есть должен обрабатывать больше транзакций. Для увеличения пропускной способности самым очевидным было бы сократить число участников, подтверждающих и добавляющих данные в сеть. Однако этот подход приведет к ослаблению децентрализации.
Помимо этого децентрализация является полезной только в том случае, если блокчейн обеспечивает надлежащую безопасность. В противном случае участники могут сговориться и установить контроль над сетью в личных целях. Таким образом мы сталкиваемся со второй частью трилеммы — безопасностью.
Вторая составляющая трилеммы — безопасность
Надежная и безопасная сеть подразумевает под собой достаточную устойчивость к атакам злоумышленников. Централизованные системы обеспечивают достаточную безопасность ввиду своего закрытого типа. Но как децентрализованные системы могут обеспечить безопасность?
Продолжим рассматривать Bitcoin. Как вы уже знаете, Bitcoin работает на механизме консенсуса Proof-of-Work, что обеспечивает наличие у каждого блока своей цифровой подписи (хеш). Так как все блоки в сети взаимосвязаны друг с другом записью данных о предыдущих, подделка данных фактически становится невозможной, поскольку это привело бы к изменению хеша. Таким образом, любая попытка изменить данные может быть быстро обнаружена остальными участниками сети, которые не подтвердят эти данные и не включат их в блокчейн.
Также интересно то, что если попытаться изменить транзакцию, потребуется изменить хеш блока, что, в свою очередь, потребует изменения всех предыдущих блоков. Таким образом, мы придем к тому, что в конечном итоге потребуется форк блокчейна, так как попытка изменить одну транзакцию приведет к изменению всей сети.
Механизм консенсуса PoW отлично защищает блокчейн от злоумышленников, в том числе от атаки 51%, которая подразумевает захват контроля над более, чем 50% всей сети, что позволяло бы влиять на неё полностью. Однако такой подход, как уже упоминалось выше, значительно замедляет работу всей сети, что может вызывать перегрузки.
Следовательно, перед нами встает третья проблема — масштабируемость.
Третья составляющая — масштабируемость
Данное определение, как мы уже поняли, означает возможность блокчейна справляться с повышенной нагрузкой за счёт собственных ресурсов без потери качества работы. Это качество попросту необходимо ввиду использования блокчейна множеством пользователей. И как раз с реализацией этого качества у разработчиков возникают проблемы.
Это связано с тем, что децентрализация и безопасность являются ключевыми моментами, на которые обращают внимание в первую очередь. Децентрализация является фундаментом блокчейна, а безопасность необходима для качественной работы.
При повышении качества этих двух аспектов значительно страдает масштабируемость. К примеру, Bitcoin, как уже упоминалось, обрабатывает 7 транзакций в секунду, а Ethereum — 15, что является очень низким показателем. Для сравнения, централизованная платежная система Visa способна обрабатывать 24 тыс. транзакций в секунду.
Учитывая все вышеперечисленное, мы получаем трудно решаемую проблему. Трудность заключается в том, что все три важнейших свойства блокчейна взаимосвязаны. Усиление одного свойства ослабляет другое.
На данный момент, к сожалению, не существует единого и наиболее эффективного решения данной проблемы. Однако прогресс не стоит на месте и все же существуют предложения, которые могут помочь в той или иной степени.
Шардинг. Это метод, при котором блокчейн разделяется на более мелкие блокчейны, которые управляют лишь ограниченным набором данных. Таким образом, основной сети не приходится обрабатывать все транзакции в одиночку.
Смена механизма консенсуса. Одной из причин существования трилеммы блокчейна является механизм консенсуса PoW, который обеспечивает безопасность и децентрализацию за счёт большого количества майнеров и огромных вычислительных мощностей. Следовательно, одним из решений является смена данного механизма, что и произошло с блокчейном Ethereum, который теперь функционирует на механизме PoS.
Эти два предложения являются решениями первого уровня. Их суть заключается в изменении фундаментальной конструкции основной сети. Однако различные разработчики создают и предлагают решения второго уровня, которые строятся поверх основной сети для её разгрузки.
Таким образом мы плавно переходим к теме Layer 2 блокчейнов.