Что такое решения масштабирования второго уровня?

Что такое решения второго уровня? Решения второго уровня/слоя (L2-решения) — это проекты, приложения и технологии инфраструктурного программного обеспечения, развернутые поверх базовых блокчейнов. Для чего нужны решения второго уровня? Блокчейну присуща проблема, известная как «трилемма масштабируемости». Она заключается в сложности создания одновременно быстрой, децентрализованной и безопасной сети. Поэтому зачастую разработчикам приходится выбирать и оптимизировать максимум два компонента из трех. Ограничения в масштабировании блокчейна в основном ассоциируются с невысокой скоростью транзакций. Процесс ончейн-верификации последних медленный и требует большой вычислительной мощности. Большинство блокчейнов уступает традиционным централизованным решениям по числу транзакций в секунду (TPS). Например, пропускная способность блокчейна биткоина составляет 5-7 TPS, а первой версии Ethereum — около 15 TPS. По разным данным, сеть Visa способна обрабатывать от 4000 от 65 000 TPS (данные самой Visa). У PayPal средний показатель в 2020 году составил 488 TPS, а пиковый — 1000 TPS. Теоретически самый простой способ решения проблемы масштабирования блокчейна  — увеличение размера блока, чтобы можно было включить в него больше транзакций и уменьшить размер комиссии. По этому пути пошел Bitcoin Cash. Однако чем больше блок, тем больше ресурсов необходимо для его верификации. Если размер блока увеличить значительно, то лишь наиболее мощные компьютеры смогут выступать в качестве нод. Высокая стоимость такого оборудования ведет к централизации, повышая риск атаки 51%. Также увеличение размера блока требует хардфорка, который грозит расколом сообщества и разделением сети на две цепи. Большие блоки не могут рассматриваться как долгосрочное решение проблемы масштабирования. Другой способ — шардинг, предполагающий горизонтальное разделение данных сети. Секция А взаимодействует с одной серией транзакций, секция Б — с другой и т. д. Разделение системы на более управляемые сегменты (шарды) позволяет увеличить производительность сети. Основные проблемы шардинга — коммуникации и безопасность. Если разделить блокчейн на изолированные сегменты, каждый шард станет отдельной сетью. Пользователи и приложения различных поддоменов не смогут взаимодействовать между собой без применения особого механизма коммуникации. В сегментированном блокчейне также возникает проблема безопасности, поскольку хакерам легче захватить один шард — по причине меньшего хешрейта, требуемого для контроля индивидуальных сегментов (так называемая атака 1%). После захвата сегмента атакующие могут направить недействительные транзакции в основную сеть. Также данные в этом конкретном сегменте могут стать недействительными и оказаться безвозвратно утрачены. Другой подход к проблеме — L2-решения. Они представляют собой фреймворки, построенные поверх уже существующих блокчейн-систем. L2-системы могут обрабатывать значительные объемы транзакций, уменьшая нагрузку на базовую сеть и высвобождая ресурсы для других функций. Существуют две основные разновидности решений второго уровня — каналы и сайдчейны. Что такое каналы состояния? Канал состояния — это решение второго уровня, позволяющее участникам совершать бесконечное множество приватных транзакций вне основного блокчейна.  В отличие от ончейн-транзакций, операции в каналах состояния видимы лишь их пользователям. Только первоначальное и финальное состояние транзакций записываются в основном блокчейне.  Такой подход значительно снижает нагрузку на основную сеть — каналы потенциально способны обрабатывать тысячи операций в секунду, обеспечивая высокий уровень безопасности системы. Как функционируют каналы состояния? Участники каналов состояния заключают соглашения, которые верифицируют индивидуальными подписями. Также создается смарт-контракт, обрабатывающий состояние транзакции перед ее перемещением офчейн.  Пользователи могут многократно отправлять друг другу транзакции вне основной сети.  По завершении процесса участники подписывают заключительную транзакцию, которая попадает в новый блок основной сети. Чтобы продолжить использование канала, нужно повторно его открыть с помощью уникальной криптографической подписи. Как обеспечивается защита каналов состояния? Канал состояния верифицируют его участники и их обоюдные смарт-контракты. По завершении офчейн-обмена транзакциями, окончательное состояние записывается в новом блоке основной сети. Смарт-контракты защищают транзакции в рамках каналов состояния, а также выступают в роли «судей» во взаимоотношениях участников.  Некоторые каналы используют таймер, автоматически обновляющий или блокирующий ончейн-состояние транзакций. По истечении установленного срока система автоматически запускает завершающую транзакцию, а затем обновляет основной блокчейн и закрывает канал состояния исходя из последней верифицированной транзакции. Любая новая попытка разблокировать канал состояния приводит к созданию нового шифрования и повторно запускает таймер. Какие бывают каналы состояния? Lightning Network (LN) — концепция увеличения пропускной способности сети и платежная p2p-сеть для проведения микротранзакций. Она развернута в сетях биткоина, Litecoin и других криптовалют.  LN состоит из нод и платежных каналов. Каждая нода может принимать и отправлять транзакции, а также выступать в роли проводника платежей для получения комиссионного дохода. Отправить транзакцию от одного участника сети другому можно только при наличии пути из платежных каналов, соединяющих получателя и отправителя. Инфраструктура Lightning Network развивается высокими темпами. Если в 2018 году в LN работало лишь несколько десятков нод, то по состоянию на апрель 2021 года их число превышает 19 000, а количество платежных каналов — более 40 000.  Разрабатываемый с 2015 года проект Raiden Network является аналогом Lightning Network для Ethereum. Raiden поддерживает обмен токенами, у него есть API для облегчения взаимодействия с децентрализованными приложениями. В настоящее время сеть существует в бета-версии. Разработчики утверждают, что с Raiden сеть Ethereum потенциально может проводить более миллиона транзакций в секунду. Проект Liquidity Network — еще один аналог LN. Демо-версию решения представил швейцарский исследователь Ethereum Артур Гэрвайс в ноябре 2017 года. Сеть Liquidity позволяет Ethereum-кошелькам внедрять и использовать офчейн-протокол в виде платежных каналов.  Хотя такие решения, как Lightning Network и Raiden, обладают более высокой скоростью транзакций, они страдают от определенных внутренних ограничений. В частности, проекты сталкиваются с проблемой ребалансировки платежных каналов.  Разделение средств между балансами внутри и вне сети усложняет взаимодействие с пользователем, поскольку последнему может быть сложно управлять двумя балансами для одной валюты. Кроме того, баланс вне сети распределяется по нескольким каналам оплаты, что ограничивает сумму, которую пользователь может потратить на одну транзакцию. Ребалансировка подразумевает перераспределение средств из каналов с избыточной пропускной способностью в те, которые требует пополнения. В идеале, ребалансировка происходит в фоновом режиме, чтобы скрыть от пользователя швы между каналами. Автоматическая же ребалансировка требует создания дорогих и сложных структур маршрутизации.  От конкурентов Liquidity Network отличают простые подходы к маршрутизации и ребалансировке платежных каналов. Plasma — решение второго уровня для масштабирования сети Ethereum, изначально предложенное Джозефом Пуном и Виталиком Бутериным.  Технология предусматривает использование смарт-контрактов и деревьев Меркла для создания неограниченного числа дочерних цепей — копий родительской сети Ethereum. Они разгружают основной блокчейн, открывая возможность осуществления быстрых и недорогих транзакций.  По принципу работы Plasma похожа на Lightning Network: набор умных контрактов, позволяющий множеству сторонних цепочек фиксировать свое состояние в сжатом виде в несущей (корневой) цепочке. Plasma применяет экономические стимулы, включая наказание отвергнутого сетью создателя блока для предотвращения мошенничества. В июне 2020 года работающая над масштабированием Ethereum компания OMG Network запустила бета-тестирование OMG Network V1, базирующейся на спецификациях последней версии Plasma — More Viable Plasma (MoreVP). MoreVP масштабирует Ethereum, группируя транзакции и отправляя их через набор смарт-контрактов. Сгруппированные данные проходят верификацию и валидацию в децентрализованной сети хранителей. Группирование позволяет увеличить пропускную способность сети до тысяч транзакций в секунду и значительно сократить их стоимость без ущерба для безопасности. Celer Network создает решения второго уровня, призванные помочь решить проблему масштабирования. Основатели проекта — бывшие сотрудники Google, Amazon, Cisco и HP — утверждают, что производительность их платформы может достигать миллиардов транзакций в секунду.  Архитектура Celer, именуемая cStack, имеет четыре основных компонента. cApps — уровень приложений, способствующий масштабированию и обеспечивающий приватность пользователей.  cRoute — мост-маршрутизатор, используемый для децентрализованных платежей. Протокол имеет высокую степень отказоустойчивости, а его пропускная способность превосходит показатели Lightning Network и Raiden.  cOS —  хранение и отслеживание данных, разрешение спорных вопросов и прочие операции.  cChannel — сайдчейн, увеличивающий ликвидность и поддерживающий быстрый переход состояний. Этот уровень архитектуры подходит для обеспечения работы децентрализованных бирж, игровых приложений, рынков предсказаний, онлайн-аукционов и страховых решений. Архитектура Celer Network. Источник: whitepaper проекта. Что такое сайдчейн? Сайдчейны — технология, позволяющие токенам и другим цифровым активам одного блокчейна безопасным образом использоваться в другом блокчейне и затем (в случае необходимости) быть возвращенными в оригинальный блокчейн. Изначально концепция сайдчейнов была описана в 2014 году в white paper, который написали разработчики компании Blockstream. Как работают сайдчейны? Сайдчейн представляет собой отдельный блокчейн с двусторонней привязкой к родительскому блокчейну. Это обеспечивает взаимозаменяемость активов с заданной интенсивностью. Родительский блокчейн обычно называется «основной (главной) цепью», дополнительные цепи — сайдчейнами. Пользователь родительского блокчейна должен сначала отправить монеты на выходящий адрес, где они «запираются» участниками так называемой «федерации», что призвано исключить возможность их траты в другом месте. По завершении транзакции ее участники получают подтверждение, однако для дополнительной безопасности это происходит после некоторого периода ожидания.  После этого эквивалентное количество монет переводится в сайдчейн, и у пользователя появляется возможность их потратить. При отправке монет из сайдчейна в основной блокчейн происходит обратный процесс. Как обеспечивается защита сайдчейна? Сайдчейны сами отвечают за свою безопасность. При отсутствии достаточной майнинговой мощности для обеспечения безопасности сайдчейн могут взломать. Поскольку каждый сайдчейн независим, в случае, если он взломан или скомпрометирован, ущерб остается в рамках этой цепи и не затрагивает основной блокчейн.  Соответственно, если будет скомпрометирован основной блокчейн, сайдчейн продолжит работать, но его привязка к родительской цепи обесценится. Сайдчейны нуждаются в собственных майнерах, которых можно стимулировать посредством «совмещенного майнинга» — одновременной добычи двух отдельных криптоактивов. Какие сайдчейны существуют? Liquid Network — это сайдчейн биткоина, функционирующий в качестве расчетно-платежной сети для криптовалютных бирж, маркетмейкеров, брокеров и других участников рынка.  Решение построено на базе исходного кода Elements и использует технологию Strong Federation. Liquid Network представляет собой отдельный приватный блокчейн с двусторонней привязкой к родительской сети. Для денежных переводов используются так называемые фиктивные токены (L-BTC). Они привязаны к биткоину в соотношении 1:1.  Пользователь родительского блокчейна должен сначала отправить монеты на выходящий адрес, где они «запираются» участниками так называемой федерации, что призвано исключить возможность их траты в другом месте.  Федерация — это группа операторов, выступающая в роли промежуточной точки между основной цепью и одним из ее сайдчейнов. Она гарантирует интероперабельность системы, а также способность в любое время переключаться с основного блокчейна на сайдчейн.  Федерация Liquid Network состоит из группы бирж, торговых площадок и других финансовых институтов. Благодаря Liquid пользователи и участники федерации имеют возможность пересылать биткоины между участвующими в сети биржами и кошельками с поддержкой этого сайдчейна (например, Green). Платформа RSK (Rootstock) — это сайдчейн биткоина c Тьюринг-полной виртуальной машиной, совместимой с интерфейсом децентрализованных приложений на Ethereum. Запуск основной сети платформы под названием Bamboo состоялся в январе 2018. Генерация блоков в RSK ведется в режиме совмещенного майнинга с биткоином.  Ardor — блокчейн-платформа для децентрализованных сервисов второго поколения от разработчиков Nxt. Бета-релиз Ardor состоялся в феврале 2017.  Ключевым отличием платформы является использование протокола консенсуса Proof-of-Stake (PoS). Инновационность Ardor заключается в использовании множественных пользовательских блокчейнов, опирающихся на основную сеть.  Пользовательские блокчейны в системе именуют «дочерними» [childchains]. Поступающие из вторичных цепочек транзакции задерживаются в основной сети только на 24 часа. После этого они могут сохраняться только в архивных нодах, освобождая основной блокчейн. Такой подход позволяет добиться высокой степени масштабируемости сети. Matic Network (ныне Polygon) — решение второго уровня с поддержкой фреймворка Plasma и децентрализованной сети PoS-валидаторов. Проект использует сайдчейны для офчейн-вычислений, что позволяет разработчикам создавать и обеспечивать работу различных dapps. В июле 2020 года разработчики Matic Network заявили о достижении тестнетом Counter Stake CS-2008 пропускной способности в 7200 транзакций в секунду. В начале 2021 года состоялся ребрендинг проекта. Сменилось название на Polygon, изменилась стратегия в сторону создания мультичейн-системы, похожей на Polkadot.  Команда проекта работает над созданием решений второго уровня на базе Ethereum.  В дополнение к собственным разработкам Matic PoS Chain и Matic Plasma Chains в Polygon реализуют поддержку Optimistic Rollups, ZK-Rollups и Validium. Rollups снижают нагрузку на сеть, группируя транзакции и вынося часть вычислений за пределы Ethereum — в сайдчейны. Rollups также генерируют криптографические доказательства (SNARKs), используемые для включения транзакций в блокчейн и согласования состояний базовой сети и цепи второго уровня. Есть два основных типа Rollups: ZK-Rollups и Optimistic rollups. Optimistic rollups работают на базе EVM-совместимой виртуальной машины OVM (Optimistic Virtual Machine). Она способна взаимодействовать с уже существующими в Ethereum смарт-контрактами. Следовательно, повсеместное внедрение Optimistic rollups может стимулировать дальнейший рост DeFi-сектора уже в кратко- и среднесрочной перспективах. Над Optimistic rollups активно работает проект Optimism, запуск основной сети которого ожидается в июле 2021 года.  Loopring и Deversifi — примеры децентрализованных бирж, использующих ZK-Rollups. Разработчики zkSync планируют в мае 2021 года запустить в тестнете EVM-совместимую версию этого решения второго уровня. Rollups могут сосуществовать со второй версией Ethereum, увеличивая ее производительность и пропускную способность. Validium. Подобно ZK-Rollups, в этом решении используются доказательства валидности, однако данные не хранятся в основной сети Ethereum. Цепи Validium могут работать параллельно друг другу. Благодаря такому подходу пропускная способность системы может достигать 20 000 TPS. Вывод средств осуществляется без задержек. Недостатки решения: ограниченная поддержка смарт-контрактов; высокие требования к вычислительным ресурсам; генерирование ZK-доказательств занимает от 10 до 30 минут. Validium используют проекты Matter Labs и Starkware. Вышеперечисленные решения можно комбинировать, поэтому многие проекты придерживаются гибридного подхода к масштабированию второго уровня. В октябре 2020 года сооснователь Ethereum Виталик Бутерин заявил, что не ждет скорого решения проблемы масштабируемости основной сети Ethereum. Он призвал разработчиков сосредоточиться на решениях второго уровня, которые снижают нагрузку на сеть и увеличивают скорость транзакций.