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.