В чем разница между Layer 1 и Layer 2?

Что такое блокчейн-трилемма?

Блокчейн-трилемма масштабируемости обозначает основную задачу достижения безопасности, децентрализации и масштабируемости — трех ключевых характеристик — одновременно в блокчейн-системах. Эта концепция служит фундаментальной теоретической основой для развития блокчейн-технологий.

Согласно трилемме, блокчейн может оптимизировать только две из этих трех характеристик одновременно; добиться максимума по всем трем технически крайне сложно. Поэтому современные блокчейн-технологии вынуждены жертвовать одной из этих основных характеристик для сохранения практической работоспособности. Это ограничение считается фундаментальной дилеммой проектирования блокчейнов.

Биткоин — классический пример трилеммы. Его блокчейн нацелен на максимальную децентрализацию и безопасность, но жертвует масштабируемостью. Например, биткоин обрабатывает около семи транзакций в секунду — это значительно ниже, чем у традиционных платежных систем.

В силу технических ограничений ни одна криптовалюта не реализует все три характеристики на высшем уровне. Каждый проект выбирает приоритетные характеристики в зависимости от целей и сценариев использования, сознательно жертвуя одной из них ради оптимального дизайна.

Разработчики уже внедряют инновационные технологии и идеи для решения проблем масштабируемости и преодоления блокчейн-трилеммы. В зависимости от реализации такие решения делятся на Layer 1 и Layer 2, и каждое направление предлагает собственные стратегии преодоления трилеммы.

Некоторые криптовалюты обеспечивают высокую масштабируемость — обрабатывают тысячи транзакций в секунду, но часто идут на компромисс по децентрализации или безопасности. Биткоин и эфириум признаны наиболее безопасными и децентрализованными цифровыми валютами, их архитектура фокусируется на безопасности и децентрализации. Layer 1-проекты, такие как Cardano, Avalanche и Solana, получили рыночное признание благодаря техническим решениям проблемы масштабируемости биткоина и эфириума.

Масштабирование Layer 1

Чтобы разобраться в различиях масштабирования Layer 1 и Layer 2, важно понять определение Layer 1. Layer 1 — это базовые протоколы, лежащие в основе блокчейн-систем. К ним относятся основные цепи — биткоин, эфириум, Cardano, — выступающие базовым уровнем, на котором фиксируются все транзакции.

Решения масштабирования Layer 1 направлены на совершенствование базового протокола блокчейна для повышения масштабируемости. Среди методов — непосредственное изменение фундаментальных правил протокола для увеличения пропускной способности и скорости обработки транзакций. Поскольку эти изменения затрагивают ядро блокчейна, они требуют осторожного проектирования и внедрения.

Масштабирование Layer 1 может также увеличить возможности сети по обработке данных и пользователей — например, за счет увеличения размера блока или ускорения генерации блоков.

Среди решений масштабирования Layer 1 особо выделяются два: изменение протокола консенсуса и шардинг. Оба признаны базовыми и эффективными стратегиями масштабирования сети на уровне Layer 1.

Механизмы консенсуса, такие как Proof of Stake (PoS), считаются более эффективными на уровне протокола, чем Proof of Work (PoW). PoS обеспечивает высокую пропускную способность при заметно меньших энергозатратах. Шардинг, напротив, распределяет нагрузку между несколькими наборами данных — шардами, что позволяет параллельно обрабатывать данные и повышает эффективность.

Преимущества

• Базовое повышение масштабируемости: Главное достоинство решений Layer 1 — улучшение масштабируемости на уровне протокола. Благодаря фундаментальным изменениям Layer 1 обеспечивает устойчивый рост масштабируемости.

• Сбалансированные показатели: Layer 1 сочетает высокую масштабируемость и экономическую эффективность при сохранении децентрализации и безопасности, обеспечивая сбалансированный подход к блокчейн-трилемме.

• Долгосрочный рост экосистемы: Масштабирование Layer 1 позволяет интегрировать новые инструменты, технологические инновации и другие достижения в базовый протокол, поддерживая развитие экосистемы.

Недостатки

Layer 1 сталкивается с известными ограничениями масштабируемости. Биткоин и другие крупные блокчейны часто испытывают трудности с обработкой транзакций при высоком спросе. Перегрузка сети ведет к росту комиссий и значительным задержкам.

Механизм консенсуса Proof of Work (PoW), применяемый в биткоине, требует огромных вычислительных и энергетических ресурсов, что создает экологические и операционные издержки и подчеркивает необходимость повышения устойчивости.

Преодоление ограничений Layer 1

Для масштабирования Layer 1-сетей необходимы фундаментальные структурные обновления. Такие изменения значительно улучшают производительность, позволяя обслуживать больше пользователей и больший объем транзакций.

Совершенствование протокола консенсуса

Алгоритмы консенсуса — основа согласования в блокчейн-сетях. Они играют ключевую роль в проверке транзакций и поддержании целостности децентрализованных сетей. К популярным алгоритмам относятся PoW (Proof of Work) и PoS (Proof of Stake), каждый со своими особенностями и преимуществами.

PoW до сих пор самый распространенный алгоритм в крупнейших блокчейнах, таких как биткоин, но он ограничен низкой пропускной способностью и высокими энергозатратами. Майнеры расходуют значительные ресурсы для решения сложных задач, что создает узкие места масштабируемости.

PoS обеспечивает более высокую пропускную способность. В PoS держатели токенов размещают активы в стейкинге и становятся валидаторами. Такая система позволяет обрабатывать и подтверждать блоки без энергозатратных вычислений, что значительно повышает энергоэффективность и ускоряет транзакции.

Ethereum завершил переход от PoW к PoS ради расширения сетевой пропускной способности, повышения децентрализации и сохранения безопасности. Благодаря этому энергопотребление Ethereum снизилось примерно на 99,95%, что существенно улучшило его экологические показатели.

Шардинг

Шардинг — концепция, взятая из распределенных баз данных, — сегодня одна из самых инновационных и популярных технологий масштабирования Layer 1. Шардинг делит состояние блокчейна на отдельные наборы данных — шарды, обеспечивая параллельную обработку и резкое увеличение пропускной способности.

Вместо обработки всей сети каждым узлом шардинг разбивает задачи на части, которые обрабатываются одновременно, существенно увеличивая пропускную способность.

Кроме того, каждый узел отвечает за свой шард, а не хранит полную копию блокчейна, что снижает требования к хранению и позволяет большему числу участников работать в сети. Шарды отправляют доказательства на основную цепь и используют межшардовую коммуникацию для обмена адресами, состояниями и балансами.

Ethereum 2.0 (ныне консенсусный слой Ethereum), Zilliqa, Qtum и Tezos — ведущие протоколы, которые исследуют и внедряют шардинг для значительного роста масштабируемости.

Масштабирование Layer 2

Layer 2 направлен на снижение нагрузки на основную цепь за счет применения сетей или технологий, действующих поверх блокчейн-протокола. Офчейн-протоколы или сети способны радикально повысить масштабируемость и эффективность.

Layer 2 переносит нагрузку по обработке транзакций на вспомогательные архитектуры вне основной цепи, где проводится обработка, а на блокчейн отправляются только итоговые результаты. Это позволяет основной цепи сосредоточиться на расчетах и разрешении споров, разгружая ее от рутинных операций.

Layer 2 облегчает делегирование обработки данных вспомогательным архитектурам, обеспечивая эффективную и гибкую работу. В результате основная цепь не перегружается, достигается высокая масштабируемость — комиссии снижаются, транзакции ускоряются.

Lightning Network биткоина — одна из самых успешных и массовых Layer 2-систем. Она работает поверх блокчейна биткоина и обеспечивает мгновенные и дешевые платежи. Существуют и другие решения Layer 2, каждое из которых реализует свои подходы к масштабированию сверх Layer 1.

Преимущества

• Сохранение безопасности и децентрализации Layer 1: Layer 2 обрабатывает транзакции вне Layer 1, повышая масштабируемость, но сохраняя безопасность и децентрализацию Layer 1. Финальный расчет на основной цепи гарантирует сохранность безопасности.

• Быстрые микротранзакции: Офчейн-обработка Layer 2 значительно ускоряет микроплатежи — это оптимально для мелких транзакций и платежей в играх.

• Минимальные комиссии: Офчейн-обработка существенно снижает комиссии, что особенно выгодно для повседневных и малых платежей.

Недостатки

• Ограниченная связность: Пользователи Layer 2 могут зависеть от выбранных протоколов, что может мешать взаимодействию разных Layer 2-сетей и блокчейнов и затруднять интероперабельность.

• Безопасность и приватность: Layer 2 обрабатывает транзакции вне Layer 1, поэтому модели безопасности и приватности могут отличаться. Каждое решение должно обеспечивать собственные гарантии, и пользователям важно понимать связанные с этим риски.

• Фрагментация ликвидности: Несколько решений Layer 2 могут приводить к фрагментации ликвидности, что влияет на пользовательский опыт.

Преодоление ограничений Layer 2

Вызовы Layer 2 решаются разными подходами, каждое из которых обладает уникальными техническими характеристиками и преимуществами для определенных сценариев.

Вложенные блокчейны: иерархическая распределенная обработка

Вложенные блокчейны — это архитектура, где дочерние цепи встроены в основную, что повышает эффективность и гибкость. Главная цепь задает правила и гарантирует безопасность, а дочерние цепи обрабатывают специализированные задачи для конкретных приложений. Такое распределение нагрузки существенно снижает нагрузку на основную сеть и повышает масштабируемость.

OMG Plasma — заметный пример Layer 2-инфраструктуры вложенного блокчейна на базе Ethereum. Plasma обеспечивает высокую пропускную способность, обрабатывая большие объемы транзакций на дочерних цепях и периодически передавая состояние на основную цепь.

State channels: быстрая офчейн-обработка

State channels связывают блокчейн-системы с офчейн-каналами, обеспечивая двустороннюю связь и быструю обработку без участия основной цепи. Участники открывают канал, совершают множество офчейн-транзакций, а в блокчейн записывают только итоговое состояние, минимизируя комиссии и задержки.

Liquid Network, Raiden Network (Ethereum), Celer и Lightning (Bitcoin) — ведущие реализации state channels, обеспечивающие высокую эффективность для платежей и микротранзакций. Тем не менее state channels обычно жертвуют частью децентрализации ради масштабируемости.

Сайдчейны: независимые параллельные сети

Сайдчейны — это независимые цепи транзакций, работающие параллельно основной и часто имеющие собственные механизмы консенсуса и архитектуру для повышения скорости и масштабируемости.

Основная цепь обеспечивает общую безопасность, проверяет агрегированные транзакции и разрешает споры, а сайдчейны функционируют автономно и могут обмениваться активами или данными с основной сетью по мере необходимости.

В отличие от state channels, сайдчейны публично фиксируют транзакции и, даже при взломе, не затрагивают основную цепь — это увеличивает прозрачность и разделяет безопасность. Для запуска сайдчейна требуется отдельная инфраструктура, что может потребовать значительных ресурсов.

Ключевые различия Layer 1 и Layer 2

Определение

Layer 1 увеличивает пропускную способность и объем транзакций благодаря изменениям в базовом протоколе блокчейна — например, увеличению размера блока, замене алгоритма консенсуса или внедрению шардинга. Эти изменения затрагивают всю сеть.

Layer 2 — это офчейн-решения, которые обрабатывают данные над основным протоколом блокчейна, снижая его нагрузку. Транзакции и обработка данных делегируются сетям или приложениям Layer 2, а в основную цепь попадают только итоговые результаты. Это обеспечивает высокую пропускную способность и разгружает базовую сеть.

Принцип работы

Масштабирование Layer 1 связано с изменениями протокола, которые требуют консенсуса сети и иногда хардфорка. После внедрения эти изменения трудно отменить даже при снижении объема транзакций.

Layer 2 работает независимо как офчейн-система, обрабатывая транзакции вне основного протокола и передавая результаты в основную сеть. Такая гибкость позволяет быстро запускать и обновлять решения.

Типы решений

К решениям Layer 1 относятся усовершенствование протокола консенсуса и шардинг. Масштабирование может предусматривать изменение размера блока, скорости генерации блоков и механизмов консенсуса для достижения желаемой функциональности.

Layer 2 практически не ограничен в реализации: любой протокол, сеть или приложение может стать офчейн-решением Layer 2. Среди популярных — state channels, сайдчейны, rollups и Plasma, каждая технология имеет свои особенности и преимущества.

Ключевые свойства

Layer 1 — основной источник информации и расчетов, использует нативные токены и дает прямой доступ к сетевым ресурсам. Инновации в механизмах консенсуса — суть Layer 1, обеспечивающего высшую безопасность и децентрализацию как фундамент блокчейна.

Layer 2 предлагает сопоставимые функции при значительно большей пропускной способности, расширенной программируемости и низких комиссиях. Каждое Layer 2-решение интегрирует транзакции в Layer 1 по-своему, оптимизируя баланс между характеристиками. Layer 2 наследует безопасность Layer 1 и обеспечивает большую эффективность.

Будущее масштабирования блокчейна

Масштабируемость остается препятствием для массового внедрения блокчейна. С ростом спроса на криптовалюты и блокчейн-технологии требования к масштабированию платформ увеличиваются.

У Layer 1 и Layer 2 есть свои преимущества и издержки. Layer 1 обеспечивает фундаментальные улучшения, Layer 2 — гибкость и быстрый запуск. В будущем наиболее вероятен гибридный подход, сочетающий решения обоих уровней.

В частности, постоянные доработки Layer 1 будут повышать базовую производительность, а Layer 2-системы — создавать среды, оптимизированные под конкретные задачи. Такой многоуровневый подход постепенно становится стандартом. Гибридная стратегия позволит оптимально балансировать безопасность, децентрализацию и масштабируемость, давая практические ответы на блокчейн-трилемму.

FAQ

В чем ключевые отличия Layer 1 и Layer 2?

Layer 1 — это сам блокчейн, а Layer 2 использует офчейн-технологии для обработки транзакций вне основной цепи. Layer 2 повышает масштабируемость, увеличивает объем транзакций и снижает комиссии.

Каковы преимущества Layer 2? (Комиссии, скорость и др.)

Layer 2 значительно ускоряет транзакции и может снижать комиссии, включая gas, более чем на 90%. Масштабируемость повышается, пользователи получают быстрый и дешевый опыт транзакций.

Чем Layer 1 и Layer 2 отличаются по безопасности?

Layer 1 — это основной блокчейн с максимальным уровнем безопасности. Layer 2 обрабатывает транзакции вне основной цепи, обеспечивая скорость, но опирается на Layer 1 для защиты. Layer 1 гарантирует наивысшую степень безопасности.

Какие существуют типы Layer 2-решений (например, Lightning Network, Polygon)?

Среди решений Layer 2 — Lightning Network (Bitcoin), Polygon (Ethereum), Arbitrum, Optimism и другие. Эти платформы ускоряют транзакции и снижают комиссии.

Когда использовать Layer 1, а когда Layer 2?

Layer 1 лучше всего подходит для крупных транзакций и безопасного хранения активов. Layer 2 оптимален для повседневных платежей и микротранзакций, где важны скорость и низкая стоимость.