Масштабованість блокчейну: порівняльний аналіз базових мереж та додаткових рішень

Чому важлива швидкість транзакцій

Технологія блокчейн революціонізувала спосіб реєстрації, перевірки та відстеження інформації в корпоративних мережах. Її переваги очевидні: підвищена безпека, незаперечна прозорість і зниження операційних витрат. Однак існує критична перешкода, яка стримує її масове впровадження: здатність обробляти транзакції. У той час як традиційні системи виконують тисячі операцій за секунду, мережі блокчейн стикаються з суттєвими вузькими місцями. Саме тут виникають два основних підходи для вирішення цієї дилеми: оптимізація базового шару (Layer 1) або побудова паралельних рішень (Layer 2).

Основна трилема блокчейн

Віталік Бутерін, творець Ethereum, популяризував важливу концепцію: неможливо одночасно досягти трьох ключових характеристик—повної децентралізації, міцної безпеки та високої пропускної здатності. Будь-яка мережа мусить робити компроміси. Bitcoin віддає перевагу безпеці та децентралізації, жертвуючи швидкістю. Деякі Layer 1 прагнуть знайти баланс, тоді як інші Layer 2 зосереджені на продуктивності, делегуючи безпеку базовій мережі.

Розуміння цієї реальності є ключовим для усвідомлення, чому існує кілька рішень, а не одне універсальне.

Розуміння Layer 1: основа

Що визначає мережу Layer 1

Блокчейн Layer 1 — це цілком самодостатня мережа, яка керує своєю безпекою, валідуючими транзакціями та зберіганням даних. Bitcoin і Ethereum — яскраві приклади. Всі критичні компоненти—розподілений консенсус, виконання контрактів, доступність даних—знаходяться тут. Коли ви здійснюєте транзакцію безпосередньо в Bitcoin або Ethereum, ви взаємодієте з Layer 1.

Внутрішня проблема полягає в тому, що чим більш децентралізована і безпечна мережа, тим повільніше вона обробля транзакції. Bitcoin може підтвердити ~7 транзакцій за секунду, Ethereum до Ethereum 2.0 — близько 30 транзакцій за секунду. Це обмеження сприяло розробці складних технік оптимізації.

Техніки оптимізації в Layer 1

Шардинг: розділяти і володарювати

Натхненний архітектурами розподілених баз даних, шардинг розбиває мережу на менші секції, звані “шарди”. Кожен шард обробля транзакції одночасно, паралельно, що множить загальну пропускну здатність. Якщо 64 шарди працюють синхронно, мережа здатна обробляти у 64 рази більше транзакцій. Мережа Zilliqa реалізує “шардинг за транзакцією”, групуючи транзакції у пакети, оброблювані різними шардами. Важливо забезпечити ефективну комунікацію між шардами без створення зайвої затримки.

Зміна механізму консенсусу

Proof of Work (PoW), що використовується Bitcoin, вимагає значної обчислювальної потужності для валідції блоків. Proof of Stake (PoS) замінює майнінг валідаторами, які ставлять гарантії в мережі. Результат: споживання енергії зменшується на 99%, а пропускна здатність зростає. Ethereum 2.0 після “The Merge” перейшов на повністю PoS. Cardano реалізує Ouroboros PoS, Algorand використовує чистий PoS, Fantom — aBFT (Толерантність до асинхронних збоїв bizantine). Всі вони досягають більшої пропускної здатності при меншому споживанні.

SegWit: оптимізація структури даних

SegWit (Segregated Witness) у Bitcoin не збільшує безпосередньо пропускну здатність, але значно її покращує. Відокремлюючи цифрові підписи від даних транзакції, зменшує розмір кожної транзакції приблизно на 65%. Блок у 1 МБ може містити більше транзакцій, що прискорює обробку і знижує комісії. Це сумісно з попередніми версіями—старі вузли продовжують працювати.

Переваги рішень Layer 1

Без окремої інфраструктури

На відміну від Layer 2, що вимагає додаткових ланцюгів або паралельних систем, Layer 1 змінює базовий протокол. Це означає відсутність мостів, передачі між ланцюгами. Все відбувається нативно.

Повна безпека

Усі транзакції користуються повним консенсусом мережі. Немає залежності від третіх сторін або спеціалізованих валідаторів. Децентралізація зберігається.

Постійний вплив

Покращення Layer 1 є структурними. Впроваджені один раз, вони назавжди приносять користь мережі. Зменшують затори і тарифи стабільно.

Реальні обмеження

Фізичні обмеження вузлів

Кожен вузол зберігає повну історію транзакцій. З ростом блокчейну вимоги до зберігання і пропускної здатності зростають. Не всі можуть запускати повний вузол, що зменшує децентралізацію.

Затор між шардами

Шардинг створює нову проблему: транзакції, що залучають кілька шардів, вимагають комунікації між ними, що викликає затримки. Підтвердження міжшардових транзакцій займає більше часу і споживає більше пропускної здатності.

Дилема майнера

Перехід з PoW на PoS усуває потребу в майнінгу. Валідатори отримують нагороди, але екосистема майнінгу звужується, що потенційно зменшує безпеку через розподіл.

Стратегічна роль Layer 2

Центральна концепція

Будь-яка технологія, що працює поверх блокчейну Layer 1 для додавання функціональності, вважається Layer 2. Вона не замінює базу, а доповнює її. Layer 2 обробля транзакції поза основним ланцюгом і періодично “ліквідує” результати на Layer 1, успадковуючи її безпеку.

Це відрізняється від sidechains, які мають незалежну безпеку (часто слабшу).

Основні архітектури

Rollups: стиснення даних

Rollups виконують сотні транзакцій поза ланцюгом, а потім надсилають один “згорнутий” пакет на Layer 1. Це зменшує обсяг підтверджених даних у 10-100 разів. Є два типи:

• Optimistic Rollups: припускають, що транзакції валідні за замовчуванням. Якщо хтось оскаржує, мережа перевіряє. Arbitrum і Optimism використовують це.
• ZK Rollups: генерують математичні докази того, що транзакції валідні, перед поданням, що усуває період оскаржень.

Канали стану

Два користувачі “відкривають канал” поза мережею. Вони здійснюють необмежену кількість транзакцій між собою, реєструючи лише початковий і кінцевий баланс у Layer 1. Lightning Network Bitcoin — ідеальний приклад: миттєві мікроплатежі з мінімальними комісіями. Strike дозволяє надсилати долари будь-кому по всьому світу за секунди.

Sidechains

Незалежні блокчейни, з’єднані через двонапрямний “міст”. Можуть бути оптимізовані під конкретні випадки—швидкість для ігор, приватність для фінансів, нульові витрати для DeFi. Polygon PoS, Skale і Rootstock — приклади. Користувачі повинні довіряти безпеці sidechain, а не лише Layer 1.

Конкретні приклади

Arbitrum

На базі Ethereum, використовує Optimistic Rollups для обробки транзакцій у 10 разів швидше з тарифами на 90% нижчими. Його рідний токен ARB керує платформою як DAO. Тут розміщено сотні децентралізованих додатків.

Optimism

Також Layer 2 Ethereum з optimistic rollups. Його екосистема включає 97 протоколів—Uniswap, Synthetix, Velodrome—з більш ніж $500 мільйонами у загальній заблокованій цінності. Додати мережу у MetaMask — просто.

Lightning Network

Перетворює Bitcoin із повільної валюти у цифровий гроші peer-to-peer. Vostok, децентралізована соціальна мережа, інтегрує Lightning для мікроплатежів. OpenNode дозволяє продавцям приймати Bitcoin з майже миттєвою ліквідацією.

Polygon

Позиціонує себе як “інтернет блокчейнів”—кілька ланцюгів, сумісних з Ethereum, що вільно обмінюються цінностями. Загальна вартість у DeFi сягнула ~$1,3 мільярда у червні 2023. Compound і Aave працюють на ньому. Торгівля NFT з мінімальними комісіями. Polygon Studios (засновано у липні 2021) трансформує ігри Web 2 у Web 3.

Переваги Layer 2

Вибухова продуктивність

Транзакції Layer 2 підтверджуються за мілісекунди, а не за хвилини. Це відкриває можливості для раніше неможливих застосунків—частий трейдинг, ігри в реальному часі, безперервні мікроплатежі.

Зменшені витрати

Без обробки всієї транзакції у Layer 1, комісії падають. Операції, що коштували $10-50 у Ethereum, тепер — кілька центів у Arbitrum або Optimism.

Наслідувана безпека

Layer 2 не створює нову безпеку; вона використовує Layer 1. Всі транзакції можна перевірити у базі, зберігаючи гарантії.

Без втрати функціональності

dApps працюють однаково у Layer 1 і Layer 2. Складні смарт-контракти, передові DeFi — все функціонує. Лише швидше і дешевше.

Критичні недоліки

Фрагментація ліквідності

Коли користувачі розподіляють капітал між кількома Layer 2, ринки стають розрідженими. Ethereum потребує концентрованої ліквідності для міцного DeFi. Розподіл між Arbitrum, Optimism, Polygon зменшує її.

Обмежена взаємодія

Додаток у Arbitrum не може напряму викликати додаток у Optimism. Потрібен міст, що додає затримки і ризики. Це шкодить композиційності, основі DeFi.

Операційна складність

Користувачам потрібно переміщати токени між Layer 1 і Layer 2. Це вимагає кількох транзакцій, різних гаманців, розуміння роботи мостів. Терміни складні.

Залежність від Layer 1

Якщо Layer 1 буде перевантажена, Layer 2 також постраждає—не зможе швидко ліквідувати транзакції. Layer 2 настільки швидкий, наскільки дозволяє його база.

Пряме порівняння: Layer 1 vs Layer 2

Гірка правда? Обидва підходи необхідні. Layer 1 дає надійну основу. Layer 2 множить корисність. Це не або/або, а і/і.

Трансформативний вплив Ethereum 2.0

Ethereum 2.0 — це критичний поворотний момент. Його повний перехід на PoS і впровадження шардингу обіцяє 100 000 транзакцій за секунду—не 30. Це вирішить багато проблем Layer 1.

Але це не робить Layer 2 застарілою. Чому? Обмежена компонованість. Навіть з Ethereum 2.0 різні ланцюги не взаємодіють ідеально. Layer 2 все ще пропонують простір для експериментів і специфічних оптимізацій.

Ethereum 2.0 зменшує терміновість, але не усуває потребу.

Практичні застосунки, що змінюють галузі

Децентралізовані фінанси (DeFi)

MakerDAO створює DAI—стейблкоїн, прив’язаний до Ether—через смарт-контракти Ethereum. Система працює, але комісії з’їдають маржу у дрібних трейдах. Polygon дозволяє ту ж функціональність з у 100 разів меншими витратами. Compound і Aave відтворюють у Layer 2, розширюючи доступ.

Платежі і перекази

Lightning Network перетворює Bitcoin у платіжну валюту. Роздрібні продавці приймають BTC без очікування 10 хвилин—Lightning підтверджує за секунди. Strike дозволяє надсилати долари будь-кому по всьому світу за секунди, з тарифами нижчими за банки.

Ігри і NFT

Polygon Studios стимулює перехід ігор. Зменшена затримка і мінімальні витрати дозволяють створювати життєздатні внутрішньоігрові економіки. Купити скин за 0,5 MATIC (~$0,25) замість $5. Торгівля NFT у Polygon коштує кілька центів, що робить неможливим раніше ринок у Layer 1.

Постійні інновації

Наступні покоління досліджують гібридні підходи—оптимальне поєднання Layer 1 і Layer 2. LayerZero, наприклад, дозволяє додаткам використовувати кілька ланцюгів одночасно, обираючи, де виконувати кожну функцію.

Майбутнє

Неминуча конвергенція. Мережі Layer 1 продовжать оптимізувати—шардинг, покращений консенсус, зменшення “блювоття”. Layer 2 розростатиметься—кожна оптимізована під конкретний випадок використання.

Типовий користувач? Не буде знати, на якому шарі він працює. Інтерфейс об’єднає і приховає складність. Він обиратиме залежно від бажаної швидкості/вартості, а не технічної архітектури.

Масове впровадження вимагає цього: невидима технологія, інтуїтивна продуктивність, мінімальні витрати. Блокчейн рухається у цьому напрямку. Layer 1 забезпечує непорушний фундамент. Layer 2 множить його корисність. Разом вони формують екосистему, близьку до вирішення трилеми—децентралізація, безпека і масштабованість співіснують.

Ми ще на початку цього шляху. Можливості здаються безмежними.