В чем разница между Layer 1 и Layer 2?

Что такое трилемма блокчейна?

Технология блокчейн находит применение не только в финансовой сфере, но и в самых разных отраслях. Это делает вопрос масштабируемости особенно актуальным для блокчейн-экосистем. Рост пропускной способности позволяет блокчейнам поддерживать новые приложения и увеличивать объёмы транзакций. Вопросы масштабируемости обычно обсуждаются через призму решений первого и второго уровня (Layer 1 и Layer 2).

Блокчейн-уровни создавались для повышения безопасности сети и целостности данных. В этой статье рассматривается, как взаимодействие этих уровней способствует совместимости различных блокчейнов.

Трилемма масштабируемости блокчейна — это вызов, при котором невозможно одновременно достичь трёх ключевых характеристик: безопасности, децентрализации и масштабируемости. Эта проблема стала главным сдерживающим фактором в развитии блокчейн-технологий.

Суть трилеммы в том, что блокчейн может полностью оптимизировать только два из трёх свойств одновременно, а добиться всех сразу технически затруднительно. На практике проекты вынуждены жертвовать одним из параметров ради общей работоспособности системы.

Например, биткоин нацелен на децентрализацию и безопасность, но уступает в масштабируемости. Эфириум сталкивается с теми же трудностями, стремясь увеличить пропускную способность при сохранении высокого уровня безопасности и децентрализации.

До сих пор ни одна криптовалюта не достигла идеального баланса всех трёх параметров. Каждый проект делает ставку на два — иногда на три — свойства, жертвуя оставшимся по необходимости.

Многие разработчики внедряют технические решения для преодоления ограничений масштабируемости и трилеммы. В зависимости от реализации эти подходы бывают как Layer 1, так и Layer 2.

Некоторые проекты способны обрабатывать тысячи транзакций в секунду, но обычно это достигается ценой снижения децентрализации или безопасности. В то же время биткоин и эфириум остаются примерами максимально защищённых и децентрализованных цифровых валют. Среди проектов первого уровня, уделяющих особое внимание масштабируемости, выделяются Cardano, Avalanche и Solana.

Масштабирование первого уровня (Layer 1)

Чтобы понять разницу между масштабированием первого и второго уровня, нужно определить, что такое Layer 1. Блокчейн первого уровня — это базовый протокольный слой, который служит основным реестром всех транзакций.

Решения Layer 1 улучшают базовый слой блокчейна для повышения масштабируемости. Они предоставляют разные способы увеличения пропускной способности: изменение протокольных правил для повышения скорости и объёма транзакций, расширение сети для большего числа данных и пользователей.

Среди решений Layer 1 выделяются два основных направления: изменение консенсусных протоколов и шардинг. Оба способа играют ключевую роль в масштабировании на первом уровне.

Например, такие механизмы как Proof of Stake (PoS) считаются эффективнее Proof of Work (PoW) на уровне блокчейна. PoS обеспечивает безопасность сети с меньшими затратами вычислительных ресурсов. Шардинг делит нагрузку между несколькими наборами данных («шардами»), что позволяет обрабатывать их параллельно.

Преимущества

• Масштабируемость: Главное преимущество решений Layer 1 — рост масштабируемости. Изменяя базовый протокол, они повышают общую производительность сети.

• Сохранение безопасности и децентрализации: Layer 1 обеспечивает высокую масштабируемость и экономичность при сохранении децентрализации и безопасности, что гарантирует устойчивость сети.

• Развитие экосистемы: Масштабирование первого уровня позволяет внедрять новые инструменты и технологии прямо в протокол, что способствует росту всей экосистемы.

Недостатки

Ограниченная масштабируемость — типичная проблема сетей первого уровня. Биткоин и другие крупные блокчейны испытывают трудности с обработкой транзакций при высокой нагрузке. В частности, PoW у биткоина требует больших вычислительных ресурсов и потребляет много энергии.

Изменения Layer 1 затрагивают сам протокол, поэтому требуют тщательной проверки и широкой поддержки сообщества. После внедрения откатить такие изменения крайне сложно.

Как преодолевают ограничения Layer 1

Масштабирование сетей первого уровня требует глубокой модернизации блокчейна. Ниже — основные подходы к усовершенствованию базовой архитектуры.

Улучшение протоколов консенсуса

Алгоритмы консенсуса — это механизм согласования в блокчейн-сетях. Существуют разные типы, включая PoW и PoS, каждый со своими особенностями.

PoW остаётся самым распространённым, но у него низкая пропускная способность и высокое энергопотребление. Майнеры решают сложные задачи, используя значительные вычислительные мощности. В то же время PoS обеспечивает больший throughput по сравнению с PoW.

В PoS-системах участники валидируют блоки на основе своих криптоактивов, обходясь без энергозатратных вычислений. Это позволяет быстро обрабатывать транзакции при низком энергопотреблении. Эфириум завершил переход на PoS ради увеличения возможностей сети и децентрализации без ущерба безопасности.

Шардинг

Шардинг, заимствованный из распределённых БД, — одно из самых востребованных решений масштабирования первого уровня. Он делит состояние сети на отдельные наборы данных («шарды»).

Вместо того чтобы каждый узел обслуживал всю сеть, задачи разделяются на более мелкие. Сеть обрабатывает шарды параллельно, что ускоряет транзакции. Каждый узел отвечает за определённый шард, не храня всю цепь, — это снижает нагрузку и повышает эффективность.

Каждый шард отправляет подтверждения в основную цепь и обменивается данными с другими шарами через кросс-шардовую связь — для передачи адресов, состояния и балансов. Это поддерживает согласованность всей сети. Ethereum 2.0, Zilliqa, Qtum и Tezos активно исследуют и внедряют шардинг.

Масштабирование второго уровня (Layer 2)

Layer 2 нацелен на использование сетей и технологий, построенных поверх базового протокола. Офчейн-протоколы и вспомогательные сети увеличивают масштабируемость и эффективность блокчейна.

Layer 2 переносит обработку транзакций с базового протокола во внешние архитектуры. Офчейн-системы передают в основной блокчейн только финальные результаты, снижая нагрузку на ядро и делая масштабирование возможным.

Lightning Network для биткоина — один из самых известных примеров Layer 2. Lightning обрабатывает транзакции вне основной цепи, записывая в блокчейн только итог, что обеспечивает скорость и низкие комиссии. Множество других решений второго уровня также обсуждается в индустрии.

Преимущества

• Сохранение безопасности и децентрализации Layer 1: Layer 2 обрабатывает транзакции вне блокчейна, позволяя сети сохранять защиту и децентрализацию первого уровня. Основная цепь служит финальным уровнем расчётов и обеспечивает надёжность.

• Ускорение микротранзакций: Благодаря офчейн-обработке микроплатежи выполняются гораздо быстрее. Это открывает возможности для небольших и мгновенных транзакций, которые ранее были затруднительны для обычных блокчейнов.

• Снижение издержек: Перенос обработки за пределы основной цепи существенно снижает комиссии.

Недостатки

• Возможные проблемы совместимости: Пользователей Layer 2 ограничивают протоколы выбранного решения, что может затруднить интеграцию между блокчейнами. Проблема совместимости между разными Layer 2 сохраняется.

• Риски безопасности и приватности: Обработка транзакций вне Layer 1 создаёт новые риски безопасности и приватности. Необходимы надёжные защитные механизмы для офчейн-операций.

• Фрагментация ликвидности: Множественность решений Layer 2 может привести к фрагментации ликвидности, что сказывается на пользовательском опыте.

Как преодолевают проблемы Layer 2

Для решения задач второго уровня разработаны разные технические подходы. Ниже описаны основные виды решений Layer 2.

Вложенные блокчейны: распределение нагрузки через иерархию

Вложенные блокчейны — это иерархические структуры, где основной блокчейн содержит дочерние цепи. Главная цепь задаёт правила сети, а дочерние — берут на себя отдельные задачи обработки.

Распределяя нагрузку через структуру «родитель-дочерний», уменьшается нагрузка на основную цепь, что повышает масштабируемость. Дочерние цепи могут использовать собственные механизмы консенсуса и оптимизироваться под конкретные задачи. Яркий пример — OMG Plasma на Ethereum.

State channels: быстрые офчейн-транзакции

State channels связывают блокчейны с внешними каналами, позволяя обмениваться транзакциями двусторонне. Им не требуется валидация основными узлами, что значительно ускоряет обработку.

Участники фиксируют начальное состояние канала в основной цепи, затем совершают офчейн-транзакции. После завершения только итоговое состояние записывается в блокчейн, а не каждая операция. Это повышает общую эффективность.

Примеры — Liquid Network, Raiden Network на Ethereum, Celer, Bitcoin Lightning. Однако state channels иногда жертвуют децентрализацией ради масштабируемости.

Сайдчейны: независимые параллельные цепочки

Сайдчейны — независимые цепи, работающие параллельно блокчейну. Они могут использовать собственные консенсусные механизмы для повышения скорости и масштабируемости. Основная цепь отвечает за общую безопасность, валидацию агрегированных данных и разрешение споров.

В отличие от state channels, сайдчейны публикуют транзакции и организованы так, чтобы сбой на сайдчейне не затронул основную цепь, что снижает риски для главной сети.

Однако запуск сайдчейна требует создания инфраструктуры с нуля и дополнительных ресурсов. Для сайдчейнов необходимы свои валидаторы, поэтому модель безопасности отличается от основной цепи.

Главные отличия Layer 1 и Layer 2

Между решениями масштабирования первого и второго уровня есть ряд принципиальных различий. Ниже они подробно рассмотрены.

1: Определение

Layer 1 — это методы масштабирования, предполагающие обновление базового слоя блокчейна для увеличения скорости обработки и пропускной способности: увеличение размера блока, изменение алгоритмов консенсуса. Layer 1 улучшает сеть через модификацию основной архитектуры.

Layer 2 — офчейн-решения, разгружающие основную цепь за счёт внешней обработки данных. Специфические задачи передаются протоколам или приложениям Layer 2, которые затем возвращают результаты в блокчейн. Такой подход ускоряет транзакции и снижает нагрузку на сеть.

2: Принципы работы

Layer 1 занимается изменением базового протокола блокчейна. Для внедрения таких решений требуется прямое обновление протокола, что невозможно быстро отменить при падении объёмов транзакций. Для изменений Layer 1 нужен консенсус и обновление всей сети.

Layer 2 работает автономно вне основной цепи. Офчейн-протоколы передают в блокчейн только итоговые данные, позволяя гибко масштабировать сеть без изменений главного протокола.

3: Виды решений

Для Layer 1 характерны улучшения консенсусных протоколов и шардинг. Масштабирование также может включать изменение размера блока или скорости создания блоков — всё это улучшает сеть через модификацию основной структуры.

Для Layer 2 почти нет ограничений по реализации: любой протокол или приложение может выступать в роли офчейн-решения, обеспечивая гибкое масштабирование для разных задач.

4: Качество

Layer 1 — основной источник данных и финальный расчёт по транзакциям. Здесь используются собственные токены, реализуются инновационные консенсусные механизмы. Изменения Layer 1 затрагивают всю сеть и требуют тщательной подготовки.

Layer 2 обеспечивает функции, сравнимые с Layer 1, но с большей пропускной способностью, возможностью программирования и низкими издержками. Каждое решение Layer 2 по-своему сопоставляет транзакции с Layer 1. В основе Layer 2 лежит безопасность главной цепи, что позволяет добиться скорости и экономичности.

Будущее масштабируемости блокчейна

Масштабируемость — одно из главных препятствий массового внедрения блокчейна. С ростом спроса на криптовалюты потребуется ещё большая масштабируемость платформ. Layer 1 и Layer 2 имеют свои плюсы и минусы.

Layer 1 обеспечивает фундаментальные улучшения для долгосрочной устойчивости. Layer 2 даёт мгновенный прирост масштабируемости и улучшает пользовательский опыт. В будущем масштабируемость будет строиться на интеграции решений обоих уровней.

В последние годы проекты всё чаще используют комплексные стратегии, сочетая Layer 1 и Layer 2. Например, эфириум внедряет шардинг для Layer 1 и rollups для Layer 2.

Появился и Layer 0. Блокчейны Layer 0 создают инфраструктуру для новых цепей и взаимодействия между ними. Построенные на Layer 0 цепи могут взаимодействовать друг с другом и с внешними блокчейнами. Layer 0 — основа для Layer 1. Примеры: Cosmos, Polkadot, Avalanche. Cosmos, в частности, является фундаментом для крупных блокчейн-платформ.

В перспективе экосистема блокчейна, скорее всего, станет многоуровневой — с интеграцией Layer 0, Layer 1 и Layer 2. Это поможет преодолеть трилемму безопасности, децентрализации и масштабируемости и обеспечит инфраструктуру для массового внедрения блокчейна.

FAQ

В чём основные различия между Layer 1 и Layer 2?

Layer 1 — базовый блокчейн-слой, а Layer 2 — офчейн-технологии, построенные поверх него. Layer 2 выполняет транзакции вне основной цепи, что существенно повышает масштабируемость и снижает комиссии.

Каковы плюсы и минусы решений Layer 2, таких как Lightning Network или Polygon?

Главные плюсы — низкие комиссии, высокая скорость и лучший пользовательский опыт. Минусы — компромиссы безопасности и децентрализации, фрагментация между сетями Layer 2 и усложнение работы для пользователей.

Когда использовать Layer 1, а когда Layer 2?

Layer 1 подходит для крупных транзакций, где важна максимальная безопасность. Layer 2 — для частых и небольших платежей, где приоритетны скорость и низкие комиссии. Выбор подходящего уровня позволяет повысить эффективность транзакций.

Насколько безопасен Layer 2? Есть ли дополнительные риски по сравнению с Layer 1?

Layer 2 в целом безопасен, но сопряжён с немного большими рисками, чем Layer 1. Основные опасения — качество аудита смарт-контрактов и централизация секвенсеров. Ведущие протоколы постоянно совершенствуются, и уровень безопасности со временем будет сравним с Layer 1.

Чем отличаются решения Layer 2 для биткоина и эфириума?

Layer 2 для эфириума поддерживают смарт-контракты и сложные транзакции, для биткоина — ориентированы на простые платежи. Эфириум выделяется наследованием безопасности, биткоин — эффективностью транзакций.