Почему блокчейн нуждается в многоуровневых решениях: глубокое сравнение Layer 1 и Layer 2

Основные проблемы блокчейна

Когда технология блокчейн постепенно внедряется в практику, перед разработчиками встает неизбежный вопрос: как обеспечить безопасность и децентрализацию при обработке огромного количества транзакций? Это известная “триада блокчейна” — разработчики вынуждены балансировать между децентрализацией, безопасностью и масштабируемостью, и добиться идеального сочетания очень сложно.

Чем отличаются Layer 1 и Layer 2

Перед обсуждением решений по масштабированию необходимо понять принципиальные различия между этими двумя концепциями.

Layer 1 (первый уровень) — это базовая инфраструктура блокчейна, например, Биткоин и Эфириум, которые отвечают за окончательное урегулирование всех транзакций. Эти цепочки обладают полноценным механизмом консенсуса, доступностью данных и средой выполнения, являясь “главной цепочкой” всей экосистемы.

Layer 2 (второй уровень) — это решения, построенные поверх основной цепочки, которые частично обрабатывают транзакции вне основной цепи или на боковых цепочках, а затем передают результаты обратно в основную цепь. Основное отличие в том, что Layer 1 модифицирует сам протокол, а Layer 2 использует дополнительные каналы для ускорения транзакций.

Как работают решения масштабирования Layer 1

Технология шардинга (Sharding)

Шардинг делит состояние всей блокчейн-сети на несколько меньших частей, называемых “шардами”. В отличие от последовательной обработки транзакций, каждый шард может одновременно обрабатывать транзакции, что значительно увеличивает пропускную способность сети.

Например, Zilliqa использует схему “шардинга транзакций”, группируя транзакции и проверяя их параллельно разными шардами. Каждый шард может взаимодействовать с другими через протокол межшардового обмена адресами, балансами и состояниями.

Оптимизация механизма консенсуса

Переход с Proof of Work (PoW) на Proof of Stake (PoS) — еще один важный шаг. PoS не требует от майнеров больших вычислительных затрат, а позволяет держателям токенов выступать в роли валидаторов, блокируя свои средства для подтверждения транзакций. Это снижает энергопотребление и повышает TPS (транзакций в секунду).

Эволюция Эфириума — яркий пример: после перехода на PoS его пропускная способность должна достигнуть 100 000 TPS, тогда как текущий основной сет ограничен примерно 30 TPS.

SegWit (Segregated Witness)

Решение Bitcoin SegWit разделяет подписи транзакций и основной блок данных. Так как подписи занимают около 65% объема транзакции, их отделение позволяет уменьшить размер одной транзакции в четыре раза, что позволяет вместить больше транзакций в один блок при одинаковом размере.

Плюс SegWit — обратная совместимость: обновленные узлы и узлы без обновления могут взаимодействовать без проблем, обеспечивая плавный переход.

Преимущества решений Layer 1

• Без дополнительных цепочек: не зависит от боковых цепочек или других структур, напрямую модифицирует базовый протокол для увеличения пропускной способности
• Кардинальные решения: за счет улучшения алгоритмов консенсуса, увеличения размера блока или ускорения генерации блоков — улучшает масштабируемость изначально
• Долгосрочная эффективность: в отличие от временных решений, улучшения Layer 1 имеют стойкий эффект
• Децентрализация: благодаря открытому процессу обновлений сеть остается под контролем сообщества, а не узкого круга участников
• Снижение комиссий: после уменьшения нагрузки на сеть пользователи платят меньше за транзакции

Ограничения решений Layer 1

• Снижение доходов майнеров/валидаторов: переход с PoW на PoS может снизить доходы некоторых участников, что влияет на активность
• Ограничения по хранению и пропускной способности узлов: аппаратные ограничения отдельных узлов могут стать узким местом всей сети
• Проблемы перегрузки транзакциями: увеличение TPS ведет к росту объема передаваемых данных, что может создать новые узкие места
• Сложности межшардовых транзакций: координация транзакций между шардами еще в разработке, задержки при межшардовой коммуникации увеличиваются

Как работают решения масштабирования Layer 2

Оптимистичные роллапы (Optimistic Rollups)

Оптимистичные роллапы выполняют транзакции и смарт-контракты вне цепи, а затем записывают их данные в основную цепь. Эти решения предполагают “оптимистичный” режим — все транзакции считаются действительными, пока не будет доказано обратное.

Arbitrum — представитель этого подхода. Он обеспечивает более высокую пропускную способность и меньшие комиссии на Ethereum, сохраняя безопасность сети. В рамках Arbitrum введен собственный управляемый токен ARB, а также реализована децентрализованная автономная организация (DAO).

Optimism также использует технологию оптимистичных роллапов для расширения Ethereum. На сегодняшний день в экосистеме Optimism работают 97 протоколов, включая Synthetix, Uniswap и Velodrome, с общим заблокированным объемом более 5 миллиардов долларов. Пользователи могут подключить сеть Optimism через MetaMask и мостить ETH и другие активы для использования.

State Channels (Каналы состояния)

Каналы состояния позволяют участникам проводить множество транзакций вне цепи без необходимости каждый раз транслировать их в сеть. Это значительно повышает пропускную способность и снижает издержки.

Lightning Network — наиболее успешная реализация каналов состояния в экосистеме Биткоина. Она позволяет быстро совершать микроплатежи и переводы вне цепи с минимальными затратами и высокой скоростью подтверждения. Энергопотребление Lightning Network значительно ниже, чем у основной цепи Биткоина, что соответствует современным требованиям экологической устойчивости.

В реальных приложениях Nostr (децентрализованная социальная сеть) использует Lightning Network для отправки и получения небольших донатов; приложение Strike поддерживает быстрые и дешевые международные переводы; платежные сервисы вроде OpenNode позволяют розничным продавцам принимать биткоин и мгновенно получать оплату.

Боковые цепочки (Sidechains)

Боковые цепочки — это независимые блокчейны, связанные с основной цепью через двунаправленные мосты. Они имеют собственные механизмы консенсуса и могут быть оптимизированы под конкретные типы транзакций, что повышает эффективность и снижает издержки.

Боковые цепочки не наследуют все гарантии безопасности основной цепи, пользователи должны доверять их узлам и механизму консенсуса. Но такой дизайн дает разработчикам больше свободы — можно экспериментировать с новыми функциями, не рискуя стабильностью основной сети.

Известные решения — Polygon PoS, Skale и RSK. Например, Polygon ставит целью создание “интернета блокчейнов”, позволяющего быстро разворачивать совместимые с Ethereum независимые цепочки. Название Polygon произошло от переименования Matic Network, чтобы подчеркнуть свою роль как инфраструктуры для мультицепочечных решений. По данным, общая заблокированная стоимость в DeFi-экосистеме Polygon составляет около 1,3 миллиарда долларов, поддерживая такие протоколы, как Compound и Aave.

Преимущества решений Layer 2

• Быстрая обработка транзакций: вне цепи подтверждение занимает значительно меньше времени
• Низкие издержки: уменьшение операций в основной цепи снижает расходы пользователей
• Обеспечение безопасности: через регулярные расчеты с Layer 1 гарантируется окончательность транзакций
• Гибкость применения: разные решения Layer 2 оптимизированы под различные сценарии
• Быстрая интеграция: проще, чем модификация протокола Layer 1, позволяет быстрее обновляться

Проблемы решений Layer 2

• Ограничения транзакций: некоторые протоколы Layer 2 могут быть несовместимы с другими Layer 2 или основной цепью, что ведет к фрагментации экосистемы
• Распыление ликвидности: наличие нескольких Layer 2 решений уменьшает уже ограниченную ликвидность
• Сложности пользовательского опыта: необходимость использования нескольких мостов и управлением аккаунтами усложняет работу пользователя
• Трудности подключения: многоуровневая структура требует дополнительных шагов для входа и взаимодействия

Уже идет практическое внедрение

В финансовой сфере

В экосистеме Ethereum MakerDAO использует смарт-контракты для предоставления стабильной монеты DAI, обеспеченной залогом в Ether, с фиксированной ценой в 1 доллар. Lightning Network позволяет Bitcoin стать по-настоящему P2P-электронной наличностью — пользователи могут совершать микроплатежи, быстрые переводы и внутриигровые транзакции, при этом энергопотребление значительно ниже, чем у основной цепи.

Рынок NFT

Ethereum — основная платформа для торговли NFT, позволяющая передавать ценность через невзаимозаменяемые токены в области искусства, музыки и цифрового контента. Polygon снижает входные барьеры — транзакционные издержки минимальны, что делает NFT более доступными для обычных пользователей.

Игровая экосистема

В июле 2021 года создан Polygon Studios, который занимается переносом игр из Web 2.0 в Web 3.0. Студия оказывает маркетинговую поддержку, помогает в построении сообществ и привлекает инвестиции. Благодаря масштабируемости Polygon, задержки, пропускная способность и скорость транзакций в игровых приложениях значительно улучшаются, а эффективность торговли NFT возрастает.

Чем изменит Ethereum 2.0

Обновление Ethereum (включая уже завершенное The Merge и запланированные шардинговые решения) — это последний этап оптимизации Layer 1. После обновления Ethereum планирует достигнуть порядка 100 000 TPS, что значительно превышает текущие 30 TPS.

Но это не означает, что Layer 2 исчезнет. Напротив, роль Layer 2 в экосистеме Ethereum может стать еще важнее:

• Обновление Layer 1 решает лишь часть проблем масштабируемости
• Layer 2 предлагает более эффективные решения для сложных DeFi-операций и межпротокольной совместимости
• Совмещение двух уровней позволяет максимально повысить эффективность всей экосистемы

Например, проекты вроде Polygon создают межцепочечные протоколы, постепенно устраняя барьеры между различными Layer 2.

Прямое сравнение Layer 1 и Layer 2

Будущие гибридные подходы

Передовые проекты уже понимают, что одна стратегия не может идеально решить все задачи. В будущем предполагается:

• Комбинирование фундаментальных улучшений Layer 1 и гибких решений Layer 2
• Использование межцепочечных технологий для снижения трений между разными решениями
• Предоставление пользователю возможности свободно переключаться между уровнями в зависимости от потребностей

Такая гибридная стратегия обеспечит и безопасность, и децентрализацию, и высокую пропускную способность, и лучший пользовательский опыт.

Перспективы

Развитие технологий масштабирования блокчейна напрямую влияет на массовое внедрение криптовалют. По мере зрелости решений Layer 1 и Layer 2 формируется экосистема с более быстрыми транзакциями и меньшими затратами. В результате ожидается бурное развитие DeFi, игр, платежных сервисов и других приложений.

Это не только технологический прогресс, но и важный шаг к тому, чтобы цифровые активы и смарт-контракты стали частью повседневной жизни. Для тех, кто хочет участвовать в этой революции, сейчас самое подходящее время.