Что такое блокчейн-решения первого и второго уровня, в чем отличия

Блокчейны 1-го и 2-го уровня (Layer 1 и 2, L1 и L2) созданы для решения триллемы blockchain, подразумевающей трудности с масштабируемостью, децентрализацией и безопасностью. Разберемся, в чем особенности каждого из видов цепей, чем они отличаются, и для каких целей предназначены.

Трилемма блокчейна: что это, структура, примеры

Термин «трилемма» происходит от греческого и предусматривает тройную проблему в какой-либо сфере. Для блокчейна недостатки касаются трех элементов:

1. Децентрализация. Взаимодействие пользователей без прохождения идентификации. Иными словами, перед подключением к одной или нескольким нодам не должно быть доверия при использовании ПК.
2. Масштабируемость. Способность блокчейн-сети пропускать больше операций в определенный временной промежуток.
3. Безопасность. В задачу блокчейна входит защита от возможных атак группы нод. Желательно, чтобы гарантировалась защита половины узлов, но даже четверть считается безопасным уровнем.

Триллема blockchain сконцентрирована на вопросах масштабирования — способности сети пропускать определенное число транзакций в секунду. С такой проблемой ранее столкнулся Биткоин, а в дальнейшем и другие криптовалюты.

Проблема началась в 90-е года прошлого века в период создания теории САР. В то время Э. Брюэр разработал теорию, по которой у децентрализованной БД имеется только два из трех качеств: согласование, стойкость и доступность. В работе ученый пришел к выводу, что разработчики базы данных должны жертвовать одним из 3-х качеств.

Со временем теорию подвели под технологию блокчейн. Продвижением трилеммы занялся разработчик Эфириум В. Бутерин. Он стал первопроходцем в создании платформы для Dapps-приложений. Из-за постоянного увеличения участников возрастали требования и к пропускной способности Эфириум без снижения других характеристик.

Блокчейн-трилемма предусматривает три подхода:

1. Стандартный. Ориентирован на Bitcoin. Для обеспечения работоспособности системы применяется множество узлов с полной цепочкой блокчейн на компьютере. Такие элементы сети берут на себя функции подтверждения операций, что обеспечивает защиту и отсутствие единого центра управления. Недостатком работы через полные ноды является меньшая скорость сети.
2. Ускоренный. Особенность такого blockchain в уменьшенном числе нод. Каждый элемент цепи соответствует строгим условиями. Такой подход гарантирует безопасность и улучшенную пропускную способность. Недостаток в том, что уменьшение числа узлов негативно сказывается на децентрализации.
3. Мультичейн. Принцип построен на взаимосвязи программы с разными видами блокчейнов. Применение кроссчейна улучшает децентрализацию и позволяет решить проблемы с масштабируемостью. Параллельно снижается уровень защиты. 

Для устранения трилеммы предусмотрены решения 1-го и 2-го уровня, которые называются Layer 1 и Layer 2 соответственно. Первый вариант представляет собой блокчейн, а второй — внедрение сторонних элементов, обеспечивающих увеличение узлов и улучшение пропускной способности.

Решения первого уровня, что это, особенности, проблемы, плюсы и минусы

Цель Layer 1 состоит в изменении структуры главного блокчейн-проекта. Из-за сложной «конструкции» такой уровень труднее реализовать, поэтому решения первого уровня нуждаются в большем времени на подготовку. К L1 относятся правки в протоколе консенсуса и ряд других нововведений.

Пример — переход Эфириума с PoW на PoS, который произойдет в середине сентября 2022-го. В теории такой шаг способствует улучшению масштабируемости, а по результатам работ возможно уменьшению цены ETH. Ранее криптовалюта столкнулась с трудностями из-за повышения спроса на DeFi, многие из которых работают на Ethereum.

Дискуссии возникли на фоне роста транзакций в мае 2022-го из-за платформы Otherside. Появившийся ажиотаж привел к росту стоимости транзакций Эфириум. Проблема заставила задуматься о переходе ETH на новые принципы.

К первому уровню относится шардинг. Его суть состоит в разделении блокчейна на части, каждая из которых связана с нодой. Узлам сети проще контролировать элементы блокчейна или цепочку в целом. Подобное разделение контроля повышает безопасность и позитивно влияет на масштабируемость без риска для децентрализации.

На практике внедрение Layer 1 может быть рассчитано на повышение скорости или размера блока, а главная проблема — применение консенсуса PoW. Несмотря на его безопасность, появляются дополнительные возможности для майнеров, растут требования к вычислительным мощностям и времени транзакций.

Решение проблемы подбирается с учетом ситуации. В случае с PoW достаточно перейти на PoS. Выше отмечалось, что такой путь выбран для Эфириум. Для снижения нагрузки применяется шардинг, обеспечивающий ее распределение.

Плюсы решений 1-го уровня:

• закладывание базы для продвижения проекта;
• интеграция в систему новых инструментов;
• решение проблемы с повышенной рабочей нагрузкой и масштабируемостью.

Минусы:

• большие затраты времени для реализации замыслов;
• сложность решений;
• необходимость применения отдельных инструментов.

Решения второго уровня, что это, примеры, плюсы и минусы

В отличие от решений 1-го уровня Layer 2 представляют собой надстройку над главным блокчейном. Предусматривает перенос части функций с ключевой цепи блокчейн на дополнительную. Такая разгрузка ускоряет работу главного blockchain и помогает уменьшить цену операций.

Пример для Биткоина

В случае с Bitcoin использовалась сеть Lightning Network (LN), уменьшающая расходы на операции в криптовалютной сети и ускорить работу. Пользователи получили возможность открывать каналы сверху блокчейна Bitcoin и проводить в них транзакции. В главной цепи LN фиксируются только результаты операций. Задача новой сети состоит в проведении непосредственного обмена без фиксации данных в реестр. Для этого применяется отдельный канал с перемещением в него BTC.

С момента создания можно проводить транзакций вне базовой сети. Ее преимущества — большая скорость и низкие комиссии. В сравнении со стандартными транзакциями сделки в каналах LN доступны только пользователям. В главном блокчейне фиксируются первые и заключительные состояния операций.

Применение Lightning Network снижает нагрузку на сеть и увеличивает число сделок в Bitcoin-сети до 1000 в секунду с гарантией высокого уровня безопасности. LN верифицируется участниками и совместными smart-контрактами. В ряде каналов применяется таймер, который автоматически обновляется или блокирует ончейн-состояние транзакции.

Пример для Эфириума

Блокчейн-решения второго уровня применяются и для Эфириума. Несмотря на скорость транзакций, сеть слишком нагружена из-за применения децентрализованных программ. Сегодня на их базе работают сотни платформ в секторе DeFi и NFT. С ростом спроса и количества пользователей ситуация усугубляется. 

На 2022 год популярность набирают несколько решений:

• Полигон;
• Арбитрум;
• Оптимизм.

Они работают на базе Rollups, которая имеет следующие разновидности:

1. Optimistic. Применение позволяет перенести транзакцию в L2, а впоследствии объединить несколько операций в один блок. В дальнейшем они включаются в главную цепь Эфириум.
2. ZP-Rollups. Сделки в Layer2 собираются в группы и направляются в Эфириум-сеть. Для подтверждения транзакций применяются верификаторы, обеспечивающие криптографическое доказательство валидности сделок. Такое решение лежит в основе Полигон.

Вне зависимости от типа решения 2-го уровня Эфириум берет на себя опцию проверки операций и создания блоков и реестра. В них фиксируются конечные состояния и принцип консенсуса. 

Дополнительные инструменты

В пределах L2 могут использоваться и другие инструменты, в том числе:

1. Вложенные blockchain — цепочки, работающие вне главного блокчейна. При их использовании цепь L1 устанавливает необходимые характеристики, а L2 их реализует. На цепочке может быть несколько уровней. Примером является OMG Plasma, работающая как блокчейн 2-го уровня для протокола Layer 1.
2. Госканалы: предназначены для обеспечения 2-сторонней связи между пользователями цепочки. Участники могут уменьшать время ожидания, благодаря привлечению майнера. В пределах smart-контракта пользователи договариваются заблокировать часть основного слоя. В дальнейшем они могут взаимодействовать между собой без применения майнеров. Как только все транзакции проведены, окончательный вариант канала включается в цепь. Примеры — Raiden Network для Эфириум или LN для Биткоин.
3. Сайдчейны: цепочка для транзакций, позволяющая проводить много сделок. Работает на механизме консенсуса, не зависящего от базового слоя. При необходимости механизм можно усовершенствовать для ускорения транзакций и решения проблем с масштабируемостью. Особенность сайдчейнов в том, что они записывают операцию в бухгалтерскую книгу. Если при проведении сделок наблюдается отклонение от требований безопасности, это не сказывается на других сайдчейнах.
4. Роллапы: решения для Layer2, выполняющие транзакцию вне Layer1 и добавляющие данные в нем. С учетом того, что информация находится на главном уровне, это позволяет L1 поддерживают высокий уровень защиты. Роллапы бывают оптимистичными и с 0-ым значением. Первые проводят вычисления для выявления мошенничества, а вторые осуществляют сделки вне цепочки, а после передают доказательства достоверности на главный уровень.

Плюсы и минусы

К преимуществам блокчейна 2-го уровня стоит отнести:

• отсутствие непосредственного влияния на блокчейн;
• помощь в решении трилеммы blockchain без внесения изменений;
• простота внедрения в сравнении с Layer 1 и меньшие временные затраты;
• перевод активов между адресами 1-го уровня с применением L2 отдельной цепи или оффчейн-протокола.

Недостатки:

• ухудшение ситуации в вопросах несовместимости блокчейна;
• создание новых цепей сверху главных блокчейн, что создает сложности взаимодействия;
• уменьшение степени защиты и повышение уровня рисков;
• невозможность глобального решения проблемы.

Особенности перевода средств из L1 в L2

Для перемещения криптовалюты между 1-м и 2-м уровнем применяются кроссчейн-мосты — децентрализованные программы, обеспечивающие взаимодействие разных цепей. С их помощью можно переводить монеты, имеющие разные стандарты, между блокчейнами, в том числе работающими на технологии LTC, BTC, ETH и другими. 

Для проведения переводов создаются обернутые токены и пулы ликвидности в 2-х и более экосистемах. Для транзакции могут применяться ретрансляционные узлы, обладающие ликвидностью в разных блокчейн-технологиях. Для применения моста кроссчейн достаточно к нему подключиться с помощью Web3-хранилища, к примеру, МетаМаск.

После отсылки денег через Dapps-приложение они направляются к отправителю, но уже с помощью другой цепи. При этом транзакции перевода кроссчейн отличаются от свопа внутри цепочки с применением некастодиальных биржевых платформ.

К востребованным кроссчейн-мостам стоит отнести:

1. xPollinate — применяет smart-контракты для транзакции стейблкоинов между BSC и решениями 2-го уровня, к примеру, Полигон или Арбитрум.
2. cBridge — платформа на Layer2 с применением smart-контрактов для проведения переводов между цепями. Позволяет переводить стейблкоины, а также ограниченное количество монет на базе Эфириум, НЕСО и других систем.
3. THORChain — блокчейн-посредник, обеспечивающий обмен Биткоина, Лайткоина и других активов. Конвертация проводится между действующими blockchain, в том числе Эфириум и Бинанс Чейн. Для конвертации доступны токены со стандартами ВЕР-20 или ERC-20.
4. Hop Exchange — решение Layer 2, предусматривающее применение smart-контрактов для транзакции активов между разными блокчейнами. Сделки осуществляются с помощью стейблкоинов.

Для работы с разными кроссчейнами нужен Web3-кошелек, к примеру, MetaMask или Wallet Connect. В его настройках необходимо добавить интересующую сеть, а после проводить транзакцию. К примеру, у Оптимизма имеется официальный мост, где можно выбрать актив для покупки, указать сумму и подтвердить операцию. На следующем шаге выдаются аналогичные токены, но уже в L2.

Итоги

Из сказанного видно, что внедрение решений 1-го и 2-го уровня позволяет решить многие проблемы, влияющие на масштабируемость, безопасность и скорость работы сети. Они делятся по способу реализации, но при правильном подходе отличаются эффективностью. В 2022 году применяется много таких инструментов, доказавших свою состоятельность.