Осторожно! Много текста.
Популярность криптовалют и блокчейна экспоненциально растет, как и количество пользователей и транзакций. Даже у такой революционной технологии, как блокчейн, всегда была проблема с масштабируемостью — способностью системы расти и удовлетворять растущий спрос. Публичные сети блокчейна, отличающиеся высокой степенью децентрализации и безопасности, часто испытывают трудности с достижением высокой пропускной способности.
Это часто называют трилеммой блокчейна, согласно которой в децентрализованной системе практически невозможно одновременно достичь равно высоких уровней децентрализации, безопасности и масштабируемости. В реальности сети блокчейна могут обеспечить только два из трех факторов.
К счастью, тысячи энтузиастов и экспертов работают над созданием решений масштабирования. Некоторые из этих решений направлены на изменение архитектуры основного блокчейна (первый уровень), тогда как другие нацелены на протоколы второго уровня, работающие поверх основной сети.
Введение
Учитывая большое количество блокчейнов и криптовалют, можно даже не знать, работаете ли вы в чейне первого или второго уровня. В сокрытии сложности блокчейна есть свои преимущества, однако всегда необходимо разбираться в системе, в которой вы работаете и в которую инвестируете. В этой статье мы расскажем о различиях между блокчейнами первого и второго уровней, а также о различных решениях для масштабирования.
Что такое блокчейны первого и второго уровней
Термин «Первый уровень» относится к базовому уровню архитектуры блокчейна. Это основная структура сети блокчейна, примерами которой являются Биткоин, Ethereum и BNB Chain. Второй уровень относится к сетям, построенным поверх других блокчейнов. То есть, если Биткоин — это первый уровень, то Lightning Network, работающий поверх него — второй.
Улучшения масштабируемости в сети блокчейна также можно разделить на решения первого и второго уровня. Решения первого уровня изменяют правила и механизмы оригинального блокчейна, тогда как решения второго уровня используют внешнюю параллельную сеть для облегчения транзакций вне основной сети.
Почему масштабируемость блокчейна важна
Представьте, что между крупным городом и его быстрорастущим пригородом строится новое шоссе. По мере увеличения загруженности шоссе и возникновения заторов (особенно в часы пик) среднее время на путь из пункта А в пункт Б может значительно увеличиться. Это обусловлено ограниченностью дорожной инфраструктуры и ростом плотности движения.
Что же могут сделать власти, чтобы увеличить скорость прохождения этого маршрута и уменьшить число заторов? Например, можно расширить само шоссе и добавить дополнительные полосы на каждую сторону дороги. Однако это не всегда целесообразно из-за высоких затрат и вероятных проблем для тех, кто уже пользуется шоссе. В качестве альтернативы можно рассмотреть различные подходы, не связанные с внесением изменений в основную инфраструктуру: например, строительство дополнительных дорог или даже запуск линии легкорельсового транспорта вдоль шоссе.
В контексте технологии блокчейна эта магистраль представляет собой первый уровень (главная сеть), а дополнительные дороги — это решения второго уровня (вторичная сеть для повышения общей пропускной способности).
Биткоин, Ethereum и Polkadot считаются блокчейнами первого уровня, то есть базового. Они обрабатывают и записывают транзакции для соответствующих экосистем и имеют собственную криптовалюту, которая обычно используется для оплаты сервисов и выполнения других задач. Polygon — один из примеров решения для масштабирования Ethereum второго уровня. Сеть Polygon регулярно отправляет контрольные точки в майннет Ethereum для обновления его состояния.
Важнейшим элементом блокчейна является пропускная способность — показатель скорости и эффективности обработки операций за определенный промежуток времени. По мере увеличения числа пользователей и количества одновременных транзакций работа в блокчейне первого уровня может сильно замедлиться и подорожать. Это особенно относится к блокчейнам первого уровня, использующим механизм Proof of Work вместо Proof of Stake.
Текущие проблемы первого уровня
Биткоин и Ethereum — примеры сетей первого уровня с проблемами масштабирования. Они обеспечивают безопасность с помощью модели распределенного консенсуса, то есть все транзакции проверяются несколькими нодами до подтверждения. Так называемые майнинг-ноды соревнуются в решении сложной вычислительной головоломки, а успешные майнеры получают награды в нативной криптовалюте сети.
Другими словами, для подтверждения транзакций требуется независимая проверка от нескольких нод. Это эффективный способ регистрации и записи проверенных данных в блокчейн при одновременном снижении риска атаки со стороны злоумышленников. Однако как только сеть разрастается до масштабов Ethereum или Биткоина, потребность в увеличения пропускной способности становится все более актуальной. Во периоды перегруженности сети время подтверждения и размер комиссий за транзакции возрастает.
Как работают решения масштабирования первого уровня
Существует несколько вариантов увеличения пропускной способности для блокчейнов первого уровня. В случае блокчейнов с механизмом Proof of Work переход на Proof of Stake может помочь увеличить количество обработанных транзакций в секунду (TPS), а также снизить комиссии за обработку. Тем не менее в криптосообществе нет единого мнения относительно преимуществ и долгосрочных результатов использования Proof of Stake.
Решения по масштабированию в сетях первого уровня обычно реализуются командой разработчиков проекта. В зависимости от решения сообществу потребуется хардфорк или софтфорк сети. Некоторые незначительные изменения имеют обратную совместимость, как обновление SegWit Биткоина.
Для более значимых изменений, например увеличения размера блока Биткоина до 8 МБ, требуется хардфорк. В результате создаются две версии блокчейна: одна с обновлением, а другая без него. Еще один вариант увеличения пропускной способности сети — это шардинг. Он позволяет разделить операции блокчейна на несколько небольших секций для одновременной, а не последовательной обработки данных.
Как работают решения масштабирования второго уровня
Как мы говорили ранее, решения второго уровня опираются на вторичные сети, которые работают параллельно или независимо от основного чейна.
Роллапы
Роллапы с нулевым разглашением (наиболее распространенный тип) объединяют офчейн-транзакции второго уровня и отправляют их как одну транзакцию в основной сети. Эти системы используют доказательства достоверности для проверки транзакций. Материалы хранятся в исходном чейне с согласованием смарт-контракта, а смарт-контракт подтверждает, что развертывание происходит правильно. Это обеспечивает безопасность исходной сети с преимуществами менее ресурсоемкого роллапа.
Сайдчейны
Сайдчейны — это независимые блокчейн-сети со своими собственными наборами валидаторов. То есть связующий смарт-контракт в основном чейне не проверяет достоверность сети сайдчейна. Поэтому пользователям приходится надеяться на надежность сайдчейна, который может контролировать активы в оригинальном чейне.
Каналы состояния
Канал состояния — это среда двусторонней связи между участниками сделки. Стороны изолируют часть основного блокчейна и подключают ее к офчейн-каналу транзакций. Обычно это делается с помощью предварительно согласованного смарт-контракта или мультиподписи. Затем стороны выполняют транзакцию или пакет офчейн-транзакций без немедленной передачи данных о транзакциях в базовую распределенную книгу ордеров (т. е. в основной чейн). После завершения всех транзакций в наборе окончательное «состояние» канала транслируется в блокчейн для подтверждения. Этот механизм позволяет повысить скорость транзакций и увеличивает общую пропускную способность сети. Такие решения, как Bitcoin Lightning Network и Raiden от Ethereum, работают на основе каналов состояния.
Вложенные блокчейны
Это решение основывается на наборе вторичных чейнов, которые располагаются поверх основного блокчейна. Вложенные блокчейны работают в соответствии с правилами и параметрами «родительского» чейна. Основной чейн не участвует в выполнении транзакций, и его роль ограничивается разрешением споров в случае необходимости. Повседневная работа делегируется «дочерним» чейнам, которые обрабатывают транзакции вне чейна и возвращают в главный чейн. Одним из примеров вложенного блокчейн-решения второго уровня является проект Plasma от компании OmiseGO.
Ограничения решений масштабирования первого и второго уровней
Решения и первого, и второго уровней имеют свои преимущества и недостатки. Работа с первым уровнем может обеспечить наиболее эффективные решения для масштабных улучшений протокола, однако потребуется одобрение валидаторов на изменения через хардфорк.
В некоторых случаях валидаторы могут не захотеть принимать эти изменения, например в случае перехода от Proof of Work к Proof of Stake. Майнеры потеряют доход от этого перехода на более эффективную систему, что лишит их стимула к улучшению масштабируемости.
Второй уровень обеспечивает более быстрый способ повышения масштабируемости. Однако некоторые методы могут привести к ослаблению безопасности оригинального блокчейна. Пользователи доверяют таким сетям, как Ethereum и Биткоин, за их устойчивость и проверенную временем надежность. Избавляясь от некоторых аспектов первого уровня, нам приходится полагаться на команду и сеть второго уровня для обеспечения эффективности и безопасности.
Что будет после первого и второго уровней
Один из главных вопросов — зачем вообще нужны решения второго уровня, если решения первого уровня становятся более масштабируемыми? Существующие блокчейны улучшаются, а новые сети создаются уже с высокой масштабируемостью. Однако для улучшения масштабируемости крупных систем потребуется много времени, а успех не гарантирован. Вероятно, сети первого уровня сосредоточатся на безопасности и позволят сетям второго уровня адаптировать свои сервисы для конкретных задач.
Как бы то ни было, крупные чейны вроде Ethereum по-прежнему будут доминировать из-за большой базы пользователей и сообщества разработчиков. Однако их большой и децентрализованный набор валидаторов и надежная репутация создают прочную основу для целевых решений второго уровня.
Резюме
С момента появления криптовалют поиск улучшенной масштабируемости привел к появлению двустороннего подхода с улучшениями первого уровня и решениями второго. Если у вас есть разноплановый портфель криптовалют, то велика вероятность того, что вы уже работаете с сетями как первого, так и второго уровня. Теперь вы знаете различия между ними, а также различные подходы к масштабированию.