Что такое слои блокчейна L0, L1, L2 и L3 и зачем они нужны
В последнее время в новостях все чаще и чаще упоминаются L-слои блокчейна (например, инвестиционный фонд A16z вкладывается в L2 решение на Ethereum Optimism или L3 компания Orbs расширяет свое решение на блокчейн TON).
Концепция слоев — это категоризация блокчейнов, необходимая для быстрого понимания как тот или иной проект вписывается в экосистему в целом. В этой статье мы разберем что такое слои L0, L1, L2 и L3, зачем они нужны и рассмотрим примеры.
Зачем нужны слои, почему нельзя ограничиться одним блокчейном
Все компьютерные сети полагаются на пропускную способность передачи данных, включая сети блокчейн. Однако последние более подвержены проблеме масштабирования пропускной способности, чем централизованные сети.
Блокчейн-сети состоят из узлов (компьютеров в сети, на которых хранят весь реестр транзакций). Это означает, что каждый узел должен задействовать значительные вычислительные ресурсы, чтобы обеспечить доступ к реестру и поддерживать консенсус (согласие добавления нового блока транзакций в реестр). Чем более децентрализован блокчейн, тем больше в нем узлов. Хотя эта избыточность хороша для безопасности сети, она плохо влияет на ее скорость. Связано это с тем, что много узлов участвуют в проверке транзакций. В свою очередь, малое количество узлов повысит уязвимость сети. Контролируя 51% узлов, хакеры смогут управлять сетью как хотят.
Таким образом сделать одновременно идеально децентрализованный, масштабируемый и безопасный блокчейн на данный момент нельзя, данная проблема известна как трилемма блокчейна.
Трилемма блокчейна: предположение, что децентрализованные сети могут обеспечить только два из трех преимуществ в любой момент времени в отношении децентрализации, безопасности и масштабируемости.
L1
К блокчейнам первого слоя относят блокчейны, которые могут проводить транзакции без участия другой сети. Блокчейны первого слоя страдают от трилеммы блокчейна, и обычно хорошо реализуют лишь два свойства триллемы из трех (децентрализация, безопасность и масштабируемость). Для решения подобной проблемы существуют L2 решения. Также важно отметить, из-за растущего числа блокчейнов первого уровня, возникает проблема передачи активов из одного блокчейна в другой, для этой проблемы есть слой L0.
Примеры
- Bitcoin
- Ethereum
- TON
Давайте спустимся на уровень ниже.
L0
Разработки слоя L0 помогают блокчейнам взаимодействовать друг с другом, а именно:
- позволяют передавать активы между разными блокчейнами
- позволяют разработчикам разрабатывать одно приложение сразу на нескольких блокчейнах(либо как минимум упрощают разработку на нескольких блокчейнах из-за стандартизации)
- быстрые и дешевые транзакции на кроссчейн-биржах, за счет «коммуникационных» протоколов, используемых в L0(например, IBC)
Примеры
Описание ниже упрощенные и грубые, для того, чтобы не перегружать статью.
Polkadot — это протокол, который позволяет передавать любые типы данных или активов между блокчейнами, путем «подключения» к сети «основной сети» Polkadot (Relay Chain).
Cosmos — сеть блокчейнов, способных децентрализовано взаимодействовать друг с другом. Достигается это благодаря тому, что блокчейны сети создаются с использованием Cosmos инструментов с открытым исходным кодом Tendermint, Cosmos SDK и IBC, могут взаимодействовать друг с другом.
L2
Слоем L2 обычно называют сторонние интеграции с L1, которые решают одну из проблем триллемы блокчейна для L1. Чаще всего это проблем масштабирования.
Для подобных сторонних интеграций используются следующие технические решения:
- Каналы состояний (State Channels) — обмен вне блокчейна транзакциями, после которого в сам блокчейн записывается результат (обычно реализуется мульти подписным смарт-контрактом)
- Вложенный блокчейны (Nested blockchains) — работа L2 блокчейна (более масштабируемого, например, за счет менее безопасного механизма консенсуса) поверх L1
- Свертки (Rollups) — объединение нескольких транзакции и обработка их в сети L1
- Сайдчейны (Sidechains) — гибрид вложенного блокчейна и канала состояния, используемые для обработки большого количества транзакций разом.
Примеры
Polygon — это решение для масштабирования на основе сайдчейна для L1 сети Ethereum.
Optimism — это решение для масштабирования на основе Rollup технологии для L1 сети Ethereum.
L3
Слой L3 часто называют прикладным слоем. Это уровень, на котором размещаются децентрализованных приложений и протоколы, обеспечивающие работу приложений.
Примеры
Uniswap — это децентрализованная биржа
Orbs — это единый бэкенд для кроссчейн приложений
Итого
Конечно, подобная категоризация не всегда удобна, некоторые приложения могут попадать в несколько слоев сразу. Например, платформу OmniLayer, созданную для торговли пользовательскими цифровыми активами и валютами, построенная поверх Биткойна, можно отнести и к L2 и L3 слою. Но тем не менее, категоризация по слоям, позволяет прикинуть место проекта, о котором вы слышите впервые, в блокчейн экосистеме.
P.S Подобные статьи публикую здесь, там же пишу про блокчейн TON.
Layer 1 — Блокчейн первого уровня
Блокчейн первого уровня — это набор решений, которые улучшают сам базовый протокол, чтобы сделать общую систему намного более масштабируемой. Есть два наиболее распространенных решения первого уровня – это изменения протокола консенсуса и шардинг.
Поговорим об изменении протокола консенсуса. Даже такой крупный проект, как Ethereum, перешл от старого, неуклюжего протокола proof-of-work (PoW), к гораздо более быстрому и менее энергозатратному proof-of-stake (PoS).
Шардинг тоже является одним из самых популярных методов масштабирования первого уровня. Вместо того чтобы заставлять сеть последовательно обрабатывать каждую транзакцию, шардинг разбивает эти наборы транзакций на небольшие наборы данных, называемые «шарды» (англ. shards, буквально «осколки»), которые затем сеть обрабатывает параллельно.
Один из плюсов решений первого уровня заключается в том, что в них не нужно ничего добавлять поверх существующей инфраструктуры.
Что такое уровни (или слои) блокчейнов и какие они бывают
Вы наверняка слышали фразы “это проект Layer 1”, или “Layer 0” применительно к различным блокчейнам. В этой статье я объясню, что это значит, в чём разница между блокчейнами разных уровней, и зачем эти разные уровни вообще нужны.
Почему вообще возникает вопрос разных уровней блокчейна?
Классический блокчейн децентрализован, это значит, что данные хранятся параллельно на всех компьютерах сети. Такая архитектура организована не случайно. Взломать один компьютер, и заменить данные в нём может быть сложно, но вполне реально. Для того, чтобы взломать децентрализованный блокчейн необходимо взломать более половины компьютеров сети, при этом одновременно. Хоть это теоретически и возможно, но вероятность такого события в реальности стремится к нулю. Таким образом обеспечивается безопасность данных в блокчейне.
Однако децентрализация блокчейна имеет и обратную сторону. Транзакции в обычной базе данных могли бы быть обработаны на одном компьютере централизовано. В блокчейне транзакции обрабатываются множеством компьютеров, но не последовательно, а параллельно. Это значит, что каждый компьютер обрабатывает все транзакции (или блоки транзакций) подряд, при этом для защиты от взлома используются криптография, поэтому каждый компьютер блокчейна не просто фиксирует транзакции, а выполняет при этом криптографические функции, задействующие колоссальные вычислительные мощности. Всё это существенно замедляет работу блокчейна в целом, снижает его пропускную способность. Приходится выбирать, что важнее, децентрализация, безопасность или масштабировуемость, в этом заключается так называемая трилемма блокчейна.
Трилемма блокчейна на данном этапе развития технологий неразрешима, но разработчики каждого блокчейна стремятся как можно ближе приблизиться к её решению, поэтому как раз и создаются новые алгоритмы консенсуса, и модифицируются старые алгоритмы.
Одним из способов масштабирования блокчейна является разделение на так называемые слои (или уровни).
Первый уровень блокчейнов (Layer 1 или L1)
Это уровень так называемых классических блокчейнов, таких как, например, Bitcoin или Etherium. Они фундаментальны и как правило решают задачи “крупного” порядка, такие как обеспечение алгоритма консенсуса, поддержание инфляционной модели, функционирование прикладных языков программирования, разруливание споров, ограничений и пр. Блокчейны L1 самодостаточны и могут проводить транзакции без участия других сетей, но при этом существенно страдают от трилеммы блокчейна.
У этих блокчейнов есть монеты, токены, которые используются для мотивации майнеров или валидаторов и для выплаты транзакционных комиссий.
Нулевой уровень блокчейнов (Layer 0 или L0)
Блокчейны первого уровня никак не связаны между собой, это отдельные самостоятельные сети. Однако развитие криптовалютной отрасли требует наличие возможности взаимосвязи между разными блокчейнами, например, когда необходимо передать криптовалюту из одного блокчейна в другой и для возможности масштабирования. Эти задачу решают блокчейны “нулевого” уровня.
Они представляют собой “надстройки” или отдельные блокчейны, которые обеспечивают взаимодействие между блокчейнами первого уровня. Они позволяют:
- пердать криптовалюту между разными блокчейнами
- разрабатывать dApps (децентрализованные приложения), которые работают одновременно с разными блокчейнами
- снижать стоимость транзакций
Наиболее популярные на сегодня блокчейны “нулевого” уровня — это Polkadot, Cosmos, Avalanche и др.
Второй уровень блокчейнов (Layer 2 или L2)
Блокчейны второго уровня созданы с целью повышения масштабируемости соответствующих блокчейнов первого уровня (L1). Они обрабатывают транзакции быстрее блокчейнов первого уровня и вместо них, а потом возвращают результаты обработки данных в блокчейны первого уровня. Есть различные виды блокчейнов L2 в зависимости от технических принципов, на которых они строятся:
1. Каналы состояний (Payment channels). Транзакции фиксируются в специальном канале вне блокчейна на протяжении какого-то периода. Средства в основном блокчейне блокируются посредством создания смарт-контракта с согласованием (посредством криптографических подписей). После того, как необходимое количество транзакций совершено, конечные результаты передаются в блокчейн L1. Таким образом вместо многих транзакций в блокчейн записываются только 2 (связанные с открытием и закрытием канала), экономя таким образом драгоценные вычислительные ресурсы сети.
Lightning Network — пример канала состояний для блокчейна Bitcoin.
2. Вложенные блокчейны (Nested blockchains). При реализации этой схемы блокчейн L2 второго уровня функционирует “поверх” блокчейна L1 первого уровня. Транзакции как правило обрабатываются в блокчейне L2, а блокчейн L1 разрешает споры и определяет архитектуру взаимодействия. Таких блокчейнов L2 у блокчейна первого уровня может быть несколько. В результате работы L1 с вложенными блокчейнами транзакции обрабатываются быстрее и становятся дешевле для пользователей.
Пример: Plasma (OmiseGO)
3. Сайдчейны (Sidechains). Это гибриды каналов состояний и вложенных блокчейнов. Эти сети имеют собственные алгоритмы консенсуса, обрабатывают транзакции самостоятельно и подключаются к основному блокчейну L1 через кроссчейн-мосты. Как и в ситуации работы каналов состояний активы, обрабатываемые в сайдчейнах, блокируются в блокчейнах L1, а после окончания работы разблокируются. В отличие от каналов состояний в сайдчейнах все транзакции пишутся в реестр, и при нарушении безопасности, вся цепочка транзакций не учитывается, возвращая изначальное состояние блокчейна L1.
Примеры известных сайдчейнов: WAX (EOS), Ronin (Etherium).
4. Роллапы (Rollups). Это обособленные сети, которые обрабатывают транзакции вне блокчейна L1, объединяющие их впоследствии в пулы, и передающие их в основной блокчейн L1. Роллапы отличаются от сайдчейнов тем, что могут предоставлять доказательства, которые позволяют блокчейну L1 верифицировать валиднось роллапа, то есть правильность всех данных в пуле, который был передан в блокчейн L1. На сегодня есть два основных типа роллапов:
- ZK-роллапы (принцип нулевого разглашения, Zero knowledge). Такие роллапы объединяют большое количество транзакций в одну, они группируют транзакции и выносят вычисления за пределы блокчейна L1. В результате в основной блокчейн возвращается всего одна транзакция, что существенно экономит дефицитные ресурсы сети. Аббревиатура ZK означает «zero knowledge» или «нулевое знание», то есть основной блокчейн может проверить корректность данных и доказательства, ничего не зная об их содержании
Данный тип роллапов используется в Immutable X, кроме того, Polygon, Matter Labs StarkWare работают над своимиZK-решениями
- Оптимистические роллапы (Optimistic rollups). Работают параллельно с основным блокчейном, используют смарт-контракты, уже созданные на блокчейне L1. Транзакции обрабатываются на втором уровне, что существенно увеличивает общую пропускную способность. При использовании этой технологии, блокчейн не проверяет каждую транзакцию на L2, то есть, не производит криптографических вычислений (отсюда и увеличение пропускной способности сети), а просто транслирует транзакции и предполагает, что они легитимны по-умолчанию (отсюда название, “оптимистический” подход). Однако, каждый узел может оспорить транзакцию в течение определенного периода. В этом случае роллап проводит перепроверку
Примеры роллапов этого типа: Optimism, Arbitrum, MetisDAO, Boba.
Третий уровень (Layer 3 или L3)
Третий уровень уже не относится непосредственно к блокчейнам. Уровень или слой L3 является прикладным. К этому уровню профессионалы относят децентрализованные приложения и протоколы, обеспечивающие работу приложений.
Примеры: Uniswap, Orbs.
Заключение
На практике для обычного пользователя все решения, описанные выше повышают скорость проведения транзакций и снижают транзакционные комиссии. Сложно сказать, какие из описанных выше технологий сегодня развиваются быстрее и имеют больший потенциал. Многие эксперты склонны считать, что технологии второго уровня перспективнее. При этом у блокчейнов второго уровня есть свои недостатки:
- Новые цепочки блоков, созданные “поверх” базовых блокчейнов L1 создают дополнительные препятствия для «коммуникаций» между блокчейнами
- L2 имеет более низкий уровень безопасности по сравнению с блокчейнами L1, а это — дополнительные риски для пользователей
- Надстройки второго уровня не решают принципиальных проблем блокчейнов L1, а только нивелируют недостатки того или иного блокчейна первого уровня
Тем не менее проекты активно развиваются и становятся эффективнее. Многие эксперты, в том числе Виталик Бутерин считают, что среди прочих решений второго уровня оптимистические роллапы сохранят первенство в ближайшие несколько лет, но в долгосрочной перспективе ключевую роль станут играть ZK-роллапы.
Что такое Layer 1 ?
Сетями первого уровня называют основные блокчейны, к которым относятся BNB Smart Chain (BNB), Ethereum (ETH), Биткоин (BTC) и Solana. Их относят к первому уровню, потому что они служат главными сетями в своей экосистеме. Кроме них существуют и офчейн-решения — блокчейны второго уровня, построенные поверх основных.
Другими словами, протокол первого уровня обрабатывает и завершает транзакции в собственном блокчейне. У него также есть нативный токен, используемый для оплаты комиссий за транзакции.
Масштабирование первого уровня
Распространенная проблема сетей первого уровня — неспособность к масштабированию. Биткоин и другие крупные блокчейны с трудом справляются с обработкой транзакций в периоды повышенного спроса. Это связано с тем, что Биткоин использует механизм консенсуса Proof of Work (PoW), который требует значительных вычислительных ресурсов.
Хотя Proof of Work обеспечивает децентрализацию и безопасность, он часто замедляет работу сети, когда объем транзакций становится слишком большим. В результате это приводит к увеличению времени подтверждения транзакций и стоимости комиссий.
Разработчики блокчейна работают над способами увеличения масштабируемости уже много лет, но до сих пор не пришли к единому решению. Возможные решения для масштабирования первого уровня включают:
- Увеличение размера блока для обработки большего числа транзакций в каждом блоке.
- Изменение механизма консенсуса, как в грядущем обновлении Ethereum 2.0.
3. Использование шардинга — формы разделения баз данных.
Реализовать улучшения для первого уровня достаточно сложно, поскольку не все пользователи сети на них согласятся. Это может привести к расколу сообщества или хардфорку, как это произошло с Биткоином и Bitcoin Cash в 2017 году.
Что такое шардинг первого уровня
Шардинг — это популярное решение для масштабирования первого уровня, используемое для увеличения пропускной способности транзакций. Он представляет собой форму разделения базы данных, которая может быть применена к распределенным реестрам блокчейна. Для распределения рабочей нагрузки и повышения скорости транзакций сеть и ее ноды разделяются на разные шарды. Каждый шард управляет подмножеством активности сети, то есть имеет собственные транзакции, ноды и отдельные блоки.
Шардинг избавляет ноды от необходимости хранить полную копию всего блокчейна. Вместо этого каждая нода сообщает основной цепи о выполненной работе, делясь состоянием локальных данных, включая баланс адресов и другие ключевые показатели.
Первый уровень и второй уровень
Первый уровень обладает определенными технологическими ограничениями, которые практически невозможно обойти в основном блокчейне. К примеру, Ethereum планирует обновление до Proof of Stake (PoS), но на разработку этого процесса ушли годы.
Некоторые способы использования просто не совместимы с первым уровнем из-за проблем с масштабируемостью. Например, Биткоин не подходит для игры на блокчейне из-за длительного времени транзакций. Тем не менее для игры по-прежнему можно использовать безопасность и децентрализацию первого уровня. Для этого просто нужно построить решение второго уровня поверх основной сети.