Blockchain warstwa 1 kontra warstwa 2: Podstawowe informacje

Popularność kryptowalut i blockchain rośnie wykładniczo, znacznie zwiększając liczbę użytkowników i transakcji. Spowodowało to wąskie gardła w infrastrukturze w operacjach sieci blockchain. Aby osiągnąć przyjęcie głównego nurtu, branża musi szukać rozwiązań, które rozwiążą jej problemy ze skalowalnością, aby zaspokoić rosnącą liczbę użytkowników, transakcji i danych.

Dwa z głównych rozwiązań stosowanych w branży to warstwa 1 i warstwa 2:

• Warstwa 1: Podstawowa architektura blockchain

• Rozwiązania do skalowania warstwy 1: Podstawowe zmiany wprowadzone w warstwie 1

• Warstwa 2: Integracja z innymi firmami na sieciach warstwy 1

• Rozwiązania do skalowania warstwy 2: Poprawa szybkości platform warstwy 1 bez wprowadzania jakichkolwiek fundamentalnych zmian w ich kodzie lub architekturze

W tym artykule omówimy trilemat łańcucha blokowego , warstwę 1 i warstwę 2 oraz to, jak pomóc łańcuchom blokowym w osiągnięciu skalowalności.

Trilemat łańcucha blokowego

Pojęcie trilemat łańcucha blokowego odnosi się do zbieżności łańcucha blokowego, osiągając jednocześnie następujące trzy cechy:

1. Decentralizacja: Dystrybucja mocy obliczeniowej/konsensusu w sieci

2. Bezpieczeństwo: Ochrona przed złośliwymi agresorami i atakami sieciowymi

3. Skalowalność: Zdolność blockchain do obsługi wysokiej przepustowości transakcyjnej

Twierdzi się, że każdy system może osiągnąć tylko dwie z trzech cech, zmuszając go do rezygnacji z jednej.

Przykłady Trilemma Blockchain

Zazwyczaj łańcuchy blokowe zmagały się z trilematem łańcucha blokowego. Przyjrzyjmy się kilku wyraźnym przykładom.

Ethereum

Ethereum jest zdecentralizowane i wysoce bezpieczne, z około 561 000 walidacji. Atakowanie łańcucha blokowego Ethereum jest prawie niemożliwe, ponieważ wymagałoby od atakującego przejęcia 51% weryfikatorów w celu naruszenia bezpieczeństwa sieci. Jednak wiąże się to z kompromisem w zakresie skalowalności, dlatego opłaty sieciowe Ethereum rakietują w okresach wysokiej aktywności.

Łańcuch inteligentny binance (Łańcuch BNB)

W przeciwieństwie do Ethereum, łańcuch BNB pozwala na maksymalnie 21 walidacji . Jest zatem oczywiste, że łańcuch BNB nie jest zdecentralizowany. Pozwala to jednak na osiągnięcie wysokiego poziomu bezpieczeństwa i skalowalności.

Dlaczego skalowalność Blockchain jest ważna?

Definicja słowa „skalowalność” różni się w zależności od eksperta. Jednak w istocie skalowalność blockchain odnosi się do zdolności systemu do oferowania bogatego doświadczenia każdemu użytkownikowi, niezależnie od całkowitej liczby użytkowników w danym momencie.

Termin przepustowość odnosi się do liczby transakcji obsługiwanych przez system na sekundę. Podczas gdy firmy/kanały płatnicze, takie jak Visa, przetwarzają prawie 20 000 TPS za pomocą elektronicznej sieci płatniczej VisaNet, główny łańcuch Bitcoin może osiągnąć tylko 3 do 7 TPS.

Różnica w wydajności może być szokująca, ale za tym stoi proste wyjaśnienie. Bitcoin przyjmuje zdecentralizowany system, podczas gdy VisaNet działa w scentralizowanym systemie. Pierwsza z nich wykorzystuje większą moc obliczeniową i czas, aby chronić prywatność swoich użytkowników. Każda transakcja danych musi przejść wiele kroków, w tym akceptację, wydobycie, dystrybucję i walidację przez sieć węzłów.

Ponieważ kryptowaluty mają stać się siłą imperatywną w świecie biznesu, deweloperzy blockchain próbują zwiększyć zakres obsługi blockchain. Tworząc warstwy blockchain i optymalizując skalowanie warstwy 2, chcą przyspieszyć czas przetwarzania i zwiększyć liczbę TPS.

Problem ze skalowalnością Blockchain

Użyjmy Ethereum jako przykładu. W technologii blockchain mechanizm konsensusu to system odporny na błędy, który umożliwia zawieranie umów dotyczących pojedynczego stanu sieci w rozproszonych węzłach. Te protokoły zapewniają, że wszystkie węzły zgadzają się co do transakcji i są zsynchronizowane. To sprawia, że łańcuch Ethereum jest niezwykle trudny do zastąpienia lub ataku.

Ze względu na stabilność i bezpieczeństwo Ethereum rozpoczęło się szaleństwo ICO, prowadząc osoby do tworzenia kryptowalut i zdecentralizowanych aplikacji (DApps ) na blockchain. W związku z tym napływ użytkowników i wzrost liczby transakcji dokonywanych na Ethereum. Wraz z zatkaniem systemu opłata transakcyjna — lub gaz wypłacany stronom przetwarzającym transakcje w sieci Ethereum — wzrastała.

Gdy sieć blockchain jest zatkana, oczekujące transakcje trafiają do puli pamięci i zajmują więcej czasu na przetworzenie. Aby rozwiązać ten problem, górnicy zaczynają ustalać priorytety dla transakcji, które mają wyższe ceny gazu, aby je potwierdzić. To dodatkowo zwiększa minimalny koszt wymagany do dokonania transakcji.

Cykl wzrostu cen dociera do punktu, w którym opłaty za gaz gwałtownie rosną, pogarszając sytuację dla wszystkich. Skalowanie warstwy 2 ma na celu zapewnienie rozwiązania tego problemu i obniżenie kosztów transakcji.

Czym jest warstwa 1?

Warstwa 1 to podstawowa sieć blockchain, na której budowane są inne blockchain i DApps. Są w stanie wspierać transakcje i operacje przeprowadzane na blockchain. Aby poprawić skalowalność, warstwa 1 będzie musiała wprowadzać bezpośrednie zmiany w kodzie lub architekturze łańcucha blokowego. Przykłady obejmują zwiększenie prędkości potwierdzania bloku lub zwiększenie zdolności bloku zawierającej dane.

Ethereum, Binance Smart Chain i Solana są najbardziej widocznymi warstwami 1.

Przyjrzyjmy się niektórym rozwiązaniom skalowania warstwy 1.

Rozwiązania skalowania warstwy 1

Mechanizm konsensusu

Różne łańcuchy blokowe wykorzystują różne mechanizmy konsensusu .



Łańcuchy blokowe, takie jak Bitcoin, wykorzystują dowód pracy (PoW). Mimo że system PoW jest bardzo bezpieczny, może być powolny. Dzieje się tak, ponieważ do rozwiązywania algorytmów kryptograficznych wymagana jest znaczna moc obliczeniowa. Ethereum rozpoczął od mechanizmu konsensusu PoW, który doprowadził do poważnego korku sieci, gdy duża liczba użytkowników dołączyła do sieci Ethereum.



Od tego czasu Ethereum przełączył się na wykorzystanie mechanizmu konsensusu proof-of-stake (PoS) poprzez The Merge, a teraz przetwarza i zatwierdza nowe bloki poprzez konsensus z sieci. Przełącznik ten umożliwił firmie Ethereum zmianę prędkości z 10–20 transakcji na sekundę (TPS) na ponad 20 000 TPS . Osiąga się to przy zachowaniu decentralizacji i bezpieczeństwa.

Widelec łańcuchowy

Rozwiązania skalowania warstwy 1 są zwykle wprowadzane przez zespół programistów blockchain. Forkowanie łańcucha oznacza aktualizację lub regulację łańcucha blokowego. Istnieją 2 rodzaje widelców: widelec miękki i widelec twardy .



Miękkie widelce to zmiany architektoniczne, które są kompatybilne z istniejącym łańcuchem blokowym. Z drugiej strony, twarde widelce to zmiany w architekturze blockchain, które wyraźnie różnią się od istniejącej. 



Przykładem miękkiego widelca byłby widelec SegWit sieci Bitcoin, który pomógł zwiększyć wydajność sieci z około 1600 transakcji na blok do 3000.



Podczas gdy większe zmiany w blockchain, takie jak zwiększenie rozmiaru bloku Bitcoina do 8MB, wymagają twardego widelca. Spowoduje to utworzenie dwóch wersji Bitcoina, jednej zaktualizowanej i jednej starej sieci.

Odłamki

Odłamki to jedna z technik skalowania, która dzieli duże zbiory transakcji na mniejsze zbiory danych znane jako odłamki. Sieć przetwarza te odłamki sieci równolegle, umożliwiając sekwencyjne prace nad kilkoma transakcjami, zamiast sekwencyjnego przetwarzania każdej transakcji w sieci. Jest to szybszy i skuteczniejszy mechanizm.



Ponadto zamiast zachowywać kopię blockchain w całości, każdy węzeł sieciowy jest przypisany do określonego odłamka. Poszczególne odłamki wymieniają adresy, salda i stany ogólne za pomocą protokołów komunikacji międzyoddziałowej, jednocześnie dostarczając dowody do łańcucha głównego.



Przykładami blockchain, które mają zintegrowane udostępnianie, są Ziliqa i Tezos.



Należy jednak zauważyć, że Sharding ma charakter eksperymentalny i jeszcze nie wdrożono go w warstwie 1.

Czym jest warstwa 2?

Warstwa 2 zwiększa skalowalność i wydajność protokołu blockchain poprzez jego działanie. Umożliwi to realizację transakcji z dala od warstwy 1 za pomocą sieci zewnętrznej, równoległej.

Aby zakończyć wyniki transakcji, warstwa 2 pobiera pakiety transakcji z łańcucha głównego, przetwarza je w ich imieniu, a następnie pakietuje transakcje z powrotem do warstwy 1. Łańcuch blokowy warstwy 1 staje się mniej zatłoczony i ostatecznie bardziej skalowalny poprzez abstrakcję większości przetwarzania danych do architektury pomocniczej.

Dominującymi przykładami warstwy 2 są Polygon, Optimism, Arbitrum, zkSync i Lightning Network Bitcoina.

Rozwiązania skalowania warstwy 2

Oto kilka rozwiązań skalowania warstwy 2.

Zagnieżdżony łańcuch blokowy

Nesting jest jednym z rozwiązań skalowania warstwy 2, w którym protokół blockchain mieści inne łańcuchy blokowe wewnątrz lub na górze. Architektura zagnieżdżonego łańcucha blokowego zazwyczaj obejmuje główny łańcuch blokowy, który ustala reguły i parametry dla szerszej sieci, podczas gdy egzekucje są wykonywane na połączonej sieci łańcuchów wtórnych.

Łańcuch zagnieżdżony składa się zarówno z łańcucha macierzystego, jak i podrzędnego. Łańcuch macierzysty deleguje do łańcuchów podrzędnych w celu przeprowadzenia transakcji. Transakcje będą przeprowadzane przez łańcuchy podrzędne, które następnie poinformują łańcuch nadrzędny o wyniku. Łańcuch nadrzędny zapewni Warstwę 1 wyniku po zakończeniu transakcji. 

O ile nie będzie to wymagane do rozstrzygania sporów, bazowy łańcuch blokowy nie uczestniczy w operacjach sieciowych zagnieżdżonych łańcuchów. Ponieważ każdy pracuje razem, jest to jedna z najlepszych metod skalowania i jest szybsza. Podział pracy w tym paradygmencie zmniejsza obciążenie przetwarzania łańcucha głównego, znacznie poprawiając skalowalność.

Przykładem tego jest projekt OMG Plasma, który działa jako łańcuch blokowy warstwy 2 dla Ethereum, aby zapewnić tańsze i szybsze transakcje.

Kanały stanu

Dwukierunkowa komunikacja między kanałami transakcyjnymi blockchain i off-chain może być ułatwiona przez kanał stanowy. Kanał stanowy jest zasadniczo zasobem sąsiadującym z siecią, który wykonuje działania przy użyciu wielosigowego lub inteligentnego mechanizmu kontraktowego, bez konieczności weryfikacji przez węzły warstwy 1.

Transakcje można wykonywać bez konieczności przesyłania danych transakcji do warstwy 1. Po zakończeniu transakcji ostateczny stan kanału zostanie wysłany do warstwy 1 w celu weryfikacji. Mechanizm ten pozwala zwiększyć szybkość transakcji i ogólną przepustowość sieci. Kanały stanowe charakteryzują się niezrównaną szybkością i prywatnością. Bez konieczności przekierowywania za pośrednictwem stron trzecich, takich jak górnicy, kanały stanowe są jednym z najlepszych istniejących rozwiązań skalowania.

Zarówno Raiden Network on Ethereum, jak i Lightning Network on Bitcoin to przykłady kanałów stanowych. Oba te kanały wykorzystują kanały stanów, które są wykonywane za pomocą haszowanych umów z blokadą czasową (HTLC). Sieć Lightning pozwala użytkownikom wykonać wiele mikrotransakcji w krótkim czasie, ale Raiden pozwoli również użytkownikom uruchamiać inteligentne kontrakty za pośrednictwem swoich kanałów.

Kanały stanowe, takie jak Lightning Network, są również całkowicie bezpieczne, ponieważ tylko uczestnicy wiedzą o transakcjach. Z drugiej strony blockchain warstwy 1 Ethereum rejestruje wszystkie transakcje w publicznie kontrolowanej księdze.

Łańcuchy boczne

Transakcje dużych partii często wykorzystują łańcuchy boczne, które są odrębnymi sieciami blockchain z własnymi zestawami walidacji (i mechanizmami konsensusu), które współistnieją z warstwą 1 w celu poprawy jej szybkości i skalowalności.

Przy projektowaniu łańcucha bocznego głównym obowiązkiem warstwy 1 jest utrzymanie ogólnego bezpieczeństwa, weryfikowanie zapisów transakcji LOT-u i rozstrzyganie konfliktów. Gdy łańcuch boczny zakończy przetwarzanie transakcji z łańcucha głównego, aktywa zostaną zablokowane. Ponadto większość łańcuchów bocznych ma federację lub inną niezależną stronę trzecią, która sprawdza dwukrotnie, czy występują jakiekolwiek nieprawidłowości w działaniach między mainnetem a łańcuchem bocznym. Na federację może składać się zarówno inteligentne kontrakty, jak i zbiór ludzi.

Istnieją dwie główne różnice między łańcuchami bocznymi i kanałami stanu:

1. Transakcje dokonane w łańcuchu bocznym nie są prywatne między uczestnikami; zamiast tego są upubliczniane w księdze głównej. 

2. Łańcuch główny i inne łańcuchy boczne nie są narażone na wady bezpieczeństwa łańcucha bocznego.

Rollupy

Jednym ze sposobów skalowania, które rośnie popularność w środowisku blockchain, jest agregowanie. W agregacjach grupy transakcji z warstwy 1 są zestawiane, przetwarzane poza łańcuchem, a następnie ładowane z powrotem do łańcucha głównego.

W rezultacie warstwy 1 nie muszą zajmować się wszystkim niezależnie. Dzięki agregacjom sieci warstwy 1, takie jak Ethereum, stają się bardziej skalowalne. Rolki działają również inaczej. Inni przyjmują optymistyczne podejście, podczas gdy inni używają procedury zero wiedzy.

Dwa rodzaje zestawień to:

• Optymistyczne zestawienia: Zakładają one, że transakcje są domyślnie ważne. W związku z tym przeprowadzają obliczenia w celu wykrycia oszustwa tylko wtedy, gdy istnieje wyzwanie.

• Zbiory Zero Wiedzy: Te zestawienia uruchamiają obliczenia poza łańcuchem. Następnie przesyłają dowód ważności do warstwy podstawowej lub łańcucha głównego.

Zestawienia pomagają zwiększyć przepustowość transakcji, otworzyć udział i zmniejszyć opłaty za gaz dla użytkowników.

Ograniczenia warstwy 1 i warstwy 2

Warstwy Blockchain mają wiele zalet. Główną zaletą rozwiązań warstwy 1 jest to, że programiści nie muszą niczego dodawać do istniejącej architektury, ponieważ warstwa podstawowa jest zmieniana.

Tymczasem rozwiązania skalowania warstwy 2 nie manipulują przy protokole warstwy bazowej. Ponadto rozwiązania te umożliwiają wiele mikrotransakcji bez konieczności płacenia użytkownikom bardzo wysokich opłat transakcyjnych lub marnowania czasu na weryfikację górnika.

Obie te warstwy łańcucha blokowego mają jednak ograniczenia, które należy wziąć pod uwagę.

Dodanie do istniejących protokołów

Głównym problemem z warstwami blockchain jest dodawanie ich do istniejących protokołów. Zarówno Bitcoin, jak i Etherium mają limity rynkowe w miliardach. Użytkownicy codziennie handlują milionami dolarów. Dlatego nie ma sensu komplikować procesu poprzez niepotrzebne kodowanie i eksperymentowanie, ponieważ wymagałoby to dużej ilości pieniędzy.

Jaka jest przyszłość po warstwie 1 i 2? 

Skalowalność jest jednym z powodów, dla których przyjęcie mas kryptowalut nie jest w tej chwili możliwe w branży blockchain. Wraz ze wzrostem zapotrzebowania na kryptowaluty, będzie również montowany nacisk na skalowanie protokołów blockchain. Ponieważ obie warstwy blockchain mają pewne ograniczenia, rozwiązaniem w przyszłości będzie zbudowanie protokołu, który poradzi sobie z trilematem skalowalności. 

Konkluzja

W odniesieniu do wspomnianego powyżej wąskiego gardła dostępne są dwie opcje: 1) złagodzenie problemu skalowania lub 2) poszukiwanie realnych alternatyw. Deweloperzy Blockchain decydują się na pierwsze, przechodząc w kierunku skalowania warstwy 2 w akcji z Ethereum.

W momencie publikacji systemy blockchain są nadal opracowywane. Naciśnięte pytanie na przyszłość brzmi: czy warstwy blockchain i skalowanie Layer2 będą tymczasowe czy trwałe.