Що таке рівні (шари) блокчейну і як вони працюють?

Якщо ви вивчали криптовалюти або блокчейн, ви, ймовірно, стикалися з такими термінами, як протоколи першого і другого рівня. Вам цікаво, що це за рівні (шари) і чому вони існують? Давайте обговоримо архітектуру рівня блокчейну у цій статті.

Технологія блокчейн є унікальним поєднанням кількох сучасних технологій — криптографії, теорії ігор і т. д. — з широким спектром можливих додатків, таких як криптовалюти. Кодування та декодування даних — це математична та обчислювальна дисципліна, відома як криптографія. Вивчення математичних моделей стратегічної взаємодії між раціональними особами, які приймають рішення, відоме як теорія ігор. Блокчейн усуває посередників, знижує витрати та підвищує ефективність, забезпечуючи прозорість та безпеку.

Без нагляду з боку центрального органу технологія розподіленого реєстру (DLT) зберігає інформацію, перевірену криптографією серед групи користувачів, які домовилися щодо заздалегідь визначеного мережевого протоколу. Поєднання цих технологій зміцнює довіру між людьми або сторонами, які не мають мотивів для цього. Вони дозволяють мережам блокчейну безпечно обмінюватися цінностями та даними між користувачами.

Через відсутність централізованого управління блокчейни повинні бути дуже безпечними. Вони також повинні бути надзвичайно масштабованими, щоб обробляти зростаючу кількість користувачів, транзакцій та інших даних. Рівні виникли через вимоги до масштабування одночасно зі збереженням першокласної безпеки.

Що таке масштабування блокчейна?

Фраза «масштабування» у технології блокчейн відноситься до збільшення пропускної спроможності системи, яка вимірюється кількістю транзакцій за секунду. З широким впровадженням криптовалют у повсякденне життя рівні блокчейну тепер необхідні для підвищення мережевої безпеки, ведення записів та інших функцій.

Кількість транзакцій, що обробляються системою в секунду, називається «пропускною здатністю». У той час як мережа електронних платежів VisaNet компанії Visa може обробляти більше 20 000 транзакцій за секунду, основний ланцюжок Bitcoin (BTC) не може обробляти більше семи транзакцій за секунду.

Блокчейн — це перший рівень децентралізованої екосистемі. Другий рівень — це стороння інтеграція, що використовується разом з першим рівнем збільшення кількості вузлів і, як наслідок, пропускної спроможності системи. В даний час впроваджуються багато технологій блокчейна другого рівня. Смарт-контракти використовуються у цих рішеннях для автоматизації транзакцій.

Розробники блокчейну намагаються розширити сферу управління блокчейном, оскільки Bitcoin стає все більш значущою силою у комерційному світі. Вони сподіваються скоротити час обробки та збільшити TPS за рахунок розробки рівнів блокчейну та оптимізації масштабованості другого рівня.

Трилема блокчейна

Трилема блокчейна відноситься до загальноприйнятого уявлення про те, що з точки зору децентралізації, безпеки та масштабованості децентралізовані мережі можуть забезпечити лише дві з трьох переваг у будь-який момент часу.

Учені-комп'ютерники розробили теорему несуперечності, доступності та стійкості до розбиття (CAP) у 1980-х роках, щоб висловити, можливо, найбільш значні з цих труднощів. Теорема CAP стверджує, що децентралізоване сховище даних, таке як блокчейн, може одночасно задовольняти лише двом із трьох згаданих вище гарантій.

Ця теорема перетворилася на трилему блокчейна у контексті сучасних розподілених мереж. Широко поширена думка, що загальнодоступна інфраструктура блокчейна повинна жертвувати безпекою, децентралізацією чи масштабованістю.

У результаті святий Грааль технології блокчейну полягає в тому, щоб створити мережу з непроникною безпекою в широко децентралізованій мережі, а також обробляти транзакційну пропускну спроможність у масштабі Інтернету.

Перш ніж заглиблюватися в динаміку трилеми, давайте визначимо масштабованість, безпеку та децентралізацію загалом:

1. Масштабованість блокчейна відноситься до його здатності обробляти більший обсяг транзакцій.
2. Безпека відноситься до здатності захищати дані в блокчейні від різних типів атак і захист блокчейну від подвійного витрачання коштів.
3. Децентралізація — це тип надмірності мережі, який гарантує, що мережа не контролюється меншою кількістю об'єктів.

Взаємодія між масштабованістю, безпекою та децентралізацією

Щоб врегулювати транзакцію, мережа має спочатку узгодити її дійсність. Угода може зайняти деякий час, якщо в системі є велика кількість учасників. В результаті ми можемо показати, що масштабованість назад пропорційна децентралізації за ідентичних параметрів безпеки.

Тепер припустимо, що два блокчейни Proof-of-Work мають однаковий ступінь децентралізації і вважають, що безпека — це швидкість хешування блокчейна. Час підтвердження зменшується зі зростанням швидкості хешування, а масштабованість збільшується в міру підвищення безпеки. У результаті масштабованість та безпека пропорційні постійній децентралізації.

У результаті блокчейн не може одночасно оптимізувати всі три бажані функції, що змушує його йти на компроміси. Ethereum — найсвіжіший приклад трилеми у дії. Цього літа платформа Ethereum пережила бум використання через зростання додатків децентралізованих фінансів (DeFi). Ethereum може зростати лише до певної точки.

Через підвищений попит транзакційні збори зросли настільки, що деякі люди не можуть взаємодіяти з блокчейном. Збільшення комісій Ethereum є прикладом трилеми, оскільки ми бачимо, що Ethereum не масштабувався без шкоди для безпеки чи децентралізації.

Основна увага Ethereum приділялася децентралізації та безпеці з обмеженням кількості транзакцій на секунду (масштабованість). Щоб спонукати майнерів розставляти пріоритети у своїх транзакціях, користувачі платили вищі комісії. Так само децентралізація та безпека мають пріоритет над масштабованістю у Bitcoin.

Ні для кого не секрет, що масштабованість таких блокчейнів, як Bitcoin та Ethereum, нині обмежена. Тому глобальна спільнота стартапів, корпорацій та технологів гарячково працює над рішеннями першого та другого рівнів для вирішення трилеми блокчейну.

Мережі блокчейнів першого рівня призначені для швидкості, безпеки та розширення. Другий рівень відноситься до удосконалень технологій та продуктів, які можна використовувати для розширення масштабованості існуючих мереж блокчейнів. Отримання ідеального балансу між двома рівнями може змінити правила гри для впровадження блокчейну та розширення децентралізованих мереж.

Розробники підходять до проблеми з різних точок зору. Збільшення розміру блоку Bitcoin Cash (BCH) було спробою поліпшити масштабованість Bitcoin. Однак немає жодних доказів того, що він стає все більш популярним.

Bitcoin намагається вирішити цю проблему, додаючи шар до існуючого шару блокчейну. Рішення другого рівня будуть об'єднувати безліч транзакцій разом і запитувати блокчейн базового рівня лише час від часу, відповідно до ідеї, що лежить в основі рішень масштабування. Ethereum використовує гібридний підхід з масштабуванням блокчейна базового рівня, а спільнота чекає на кілька рішень другого рівня, щоб ще більше підвищити пропускну спроможність.

Багаторівнева структура архітектури блокчейна

У випадку з розподіленою мережею з архітектурою блокчейна кожен учасник мережі підтримує, авторизує та оновлює нові записи. Набір блоків з транзакціями в певному порядку є структурою технології блокчейн. Ці списки можна зберегти як плоский файл (у форматі txt) або простий бази даних. Архітектура блокчейна може бути публічною, приватною чи консорціумною.

Багаторівнева архітектура блокчейна поділяється на шість рівнів.

Рівень апаратної інфраструктури

Вміст блокчейна зберігається на сервері в центрі обробки даних десь на цій прекрасній земній кулі. Клієнти запитують контент або дані з серверів додатків під час перегляду веб-сторінок або використання будь-яких застосунків, що відомо як архітектура клієнт-сервер.

Тепер клієнти можуть підключатися до однорангових клієнтів та обмінюватися даними. Однорангова мережа (P2P) — це велика група комп'ютерів, які обмінюються даними. Блокчейн — це однорангова мережа комп'ютерів, яка впорядковано обчислює, перевіряє та записує транзакції до загального реєстру. У результаті створюється розподілена база даних, у якій зберігаються всі дані, транзакції та інші відповідні дані. Вузол — це комп'ютер у мережі P2P.

Рівень даних

Структура даних блокчейна виражається у вигляді пов'язаного списку блоків, у яких упорядковано транзакції. Структура даних блокчейна і двох основних елементів: покажчиків і пов'язаного списку. Пов'язаний список — це список пов'язаних блоків з даними та вказівниками на попередній блок.

Покажчики — це змінні, які посилаються на позицію іншої змінної, а пов'язаний список — це список пов'язаних блоків з даними та покажчиками на попередній блок. Дерево Меркла (англ. Merkle tree) — це бінарне дерево хешів. Кожен блок містить кореневий хеш дерева Меркла та таку інформацію, як хеш попереднього блоку, часова мітка, одноразовий номер, номер версії блоку та поточна мета складності.

Для систем блокчейну дерево Меркла забезпечує безпеку, цілісність та незаперечність. Система блокчейн побудована на деревах Меркла, криптографії та алгоритмах консенсусу. Оскільки це перший блок у ланцюжку, генезисний блок, тобто перший блок, не містить покажчика.

Для захисту безпеки та цілісності даних, що містяться в блокчейні, транзакції підписуються цифровим підписом. Закритий ключ використовується для підпису транзакцій, і будь-хто, хто має відкритий ключ, може перевірити того, хто підписав. Цифровий підпис виявляє маніпулювання інформацією. Оскільки також підписані зашифровані дані, цифрові підписи забезпечують єдність. В результаті будь-які маніпуляції зроблять підпис недійсним.

Дані не можуть бути виявлені, оскільки вони зашифровані. Його не можна підробити знову, навіть якщо його спіймано. Особа відправника або власника також захищена цифровим підписом. В результаті підпис юридично пов'язаний зі своїм власником і не може бути проігнорований.

Мережевий рівень

Мережевий рівень, який зазвичай називають рівнем P2P, відповідає за взаємодію між вузлами. Виявлення, транзакції та розповсюдження блоків обробляються на мережному рівні. Шар поширення — інша назва цього рівня.

Цей рівень P2P гарантує, що вузли можуть знаходити один одного та взаємодіяти, розповсюджувати та синхронізуватися, щоб підтримувати мережу блокчейна у легітимному стані. Мережа P2P — це комп'ютерна мережа, в якій вузли розподілені та поділяють робоче навантаження мережі для досягнення загальної мети. Транзакції блокчейна виконуються вузлами.

Рівень консенсусу

Рівень консенсусу необхідний для існування блокчейн-платформ. Рівень консенсусу — найнеобхідніший і критичний рівень у будь-якому блокчейні, будь то Ethereum, Hyperledger чи інший. Рівень консенсусу відповідає за перевірку блоків, їх упорядкування та гарантію того, що всі згодні.

Основні елементи рівня консенсусу:

1. Рівень консенсусу встановлює чіткий набір угод між вузлами в розподіленій мережі P2P;
2. Рівень консенсусу гарантує, що влада залишається децентралізованою та розсіяною. В результаті жодна сторона не має повного контролю над мережею блокчейну;
3. Рівень консенсусу гарантує, що дотримується лише один ланцюжок і що він містить правду;
4. Рівень консенсусу складається з правил, яких дотримуються вузли, щоб транзакції перевірялися, а блоки встановлювалися відповідно до цих правил;
5. Рівень консенсусу забезпечує одноголосне прийняття істини серед вузлів, що беруть участь;
6. У мережі P2P протокол консенсусу допомагає досягти надійності.

Рівень додатків

Смарт-контракти, чейнкод та децентралізовані додатки (DApps) складають рівень додатків. Протоколи рівня додатків поділяються на рівень додатків та виконавчий рівень. Рівень додатків включає програми, які кінцеві користувачі використовують для зв'язку з мережею блокчейна. Сценарії, інтерфейси прикладного програмування (API), інтерфейси користувача та фреймворки є його частиною.

Мережа блокчейна служить серверною технологією для цих додатків, і вони взаємодіють із нею через API. Смарт-контракти, базові правила та код ланцюга — все це частина рівня виконання.

Хоч транзакція переміщається з рівня програми на рівень виконання, вона перевіряється та виконується на семантичному рівні. Програми дають інструкції виконавчому шару, який виконує транзакції та забезпечує детермінований характер блокчейну.

Опис рівнів блокчейну

Рівень 0 (Layer 0)

Нульовий рівень блокчейну складається з компонентів, які допомагають зробити блокчейн реальністю. Це технологія, яка дозволяє функціонувати Bitcoin, Ethereum та іншим мережам блокчейну. Компоненти рівня 0 включають Інтернет, обладнання та з'єднання, які забезпечують безперебійну роботу рівня 1.

Рівень 1 (Layer 1)

Це базовий рівень, і його безпека ґрунтується на незмінності. Мережа Ethereum, або перший рівень — це те, на що люди посилаються, коли говорять про Ethereum. Цей рівень відповідає за процеси консенсусу, мови програмування, час блокування, вирішення спорів, а також правила та параметри, що підтримують базову функціональність мережі блокчейн. Він також відомий як рівень реалізації. Bitcoin є прикладом блокчейна першого рівня.

Проблеми з першим рівнем

Ці рішення масштабування підвищують пропускну здатність мережі під час спільного використання. Однак з зростаючим числом користувачів блокчейна перший рівень, схоже, не справляється. Архаїчний та незграбний процес консенсусу Proof-of-Work все ще використовується в блокчейні першого рівня.

Хоча цей підхід безпечніший, ніж інші, він обмежений своєю швидкістю. Майнери мають вирішувати криптографічні алгоритми, використовуючи обчислювальну потужність. В результаті в довгостроковій перспективі потрібно більше обчислювальної потужності та часу. Крім того, робоче навантаження на блокчейн першого рівня збільшилося зі зростанням кількості користувачів. В результаті швидкість обробки та ємність знизилися.

Можливі рішення

Proof-of-Stake — це альтернативний механізм консенсусу, який перейшов Ethereum 2.0. Цей консенсусний підхід сертифікує нові блоки даних транзакцій на основі стейкінгу учасників мережі, що робить процедуру більш ефективною.

Шардинг — це рішення для масштабування навантаження на проблему блокчейна першого рівня. Простіше кажучи, сегментування ділить завдання перевірки та аутентифікації транзакцій на дрібніші та простіші в управлінні фрагменти. В результаті робоче навантаження може бути розподілене по мережі, щоб використовувати обчислювальні можливості більшої кількості вузлів. Оскільки мережа обробляє ці сегменти паралельно, кілька транзакцій можуть оброблятися як послідовно, і одночасно.

Рівень 2 (Layer 2)

Перекриваються мережі, розташовані поверх базового рівня, відомі як рішення L2. Протоколи використовують другий рівень підвищення масштабованості з допомогою видалення деяких взаємодій з базового рівня. У результаті смарт-контракти на основному протоколі блокчейну мають справу лише з депозитами та висновками коштів та гарантують, що транзакції поза мережею відповідають правилам. Bitcoin Lightning Network є прикладом блокчейна другого рівня.

Отже, в чому різниця між блокчейном першого та другого рівня? Блокчейн — це перший рівень децентралізованої екосистемі. Другий рівень — це стороння інтеграція, що використовується разом з першим рівнем збільшення кількості вузлів і, як наслідок, пропускної спроможності системи. В даний час впроваджуються багато технологій блокчейна другого рівня.

Рішення для масштабування другого рівня

В останні роки популярність протоколів другого рівня різко зросла, і вони виявилися найефективнішим підходом до вирішення проблем масштабування, зокрема у мережах PoW. Різні рішення масштабування другого рівня пояснюються в розділах нижче.

Вкладений блокчейн

Вкладений блокчейн другого рівня працює поверх іншого. По суті перший рівень встановлює налаштування, а другий рівень виконує процедури. В одному основному ланцюжку може бути кілька рівнів блокчейна. Вважайте це типовою бізнес-структурою.

Замість того, щоб одна людина (наприклад, менеджер) виконувала всю роботу, менеджер делегував завдання підлеглим, які потім звітували перед керівництвом, коли вони були виконані. В результаті робоче навантаження менеджера знижується, а масштабованість підвищується. Наприклад, проект OMG Plasma працює як блокчейн другого рівня для протоколу першого рівня Ethereum, що дозволяє проводити більш дешеві та швидкі транзакції.

Канал стану

Канал стану покращує загальну пропускну здатність та швидкість транзакцій, полегшуючи двосторонній зв'язок між блокчейном та транзакційними каналами поза ланцюжком за допомогою різних підходів. Щоб перевірити транзакцію каналом стану, майнер не обов'язково має бути задіяний відразу.

Натомість це мережевий ресурс, захищений за допомогою механізму мультипідпису або смарт-контракту. Кінцевий «стан» «каналу» і всі властиві йому переходи публікуються в базовому ланцюжку блоків, коли транзакція або пакет транзакцій завершується каналом стану.

Приклади каналу стану включають Bitcoin Lightning і Raiden Network Ethereum. У компромісі трилеми канали стану відмовляються від деякої децентралізації в обмін на підвищену масштабованість.

Сайдчейни

Сайдчейн — це транзакційний ланцюжок, який працює разом з блокчейном і використовується для масових транзакцій. Сайдчейни мають свій метод консенсусу, який можна налаштувати на швидкість і масштабованість, а службовий токен часто використовується як частина механізму передачі даних між сайдчейнами і основними ланцюгами. Основною функцією основної мережі є забезпечення спільної безпеки та вирішення спорів.

Сайдчейни відрізняються від каналів стану кількома важливими способами. Почнемо з того, що транзакції сайдчейну не є приватними між учасниками; натомість вони публікуються відкрито у реєстрі. Крім того, порушення безпеки в сайдчейнах не впливають на основні або інші сайдчейни. Побудова сайдчейну з нуля потребує значної кількості часу та роботи.

Роллапи

Роллапи — це рішення для масштабування блокчейна другого рівня, які виконують транзакції за межами мережі першого рівня, а потім завантажують дані з транзакцій блокчейн другого рівня. Перший рівень може забезпечувати безпеку зведення, оскільки дані знаходяться на базовому рівні.

Дві альтернативні моделі безпеки для накопичувальних пакетів

Вони засновані на припущенні, що транзакції є легітимними за замовчуванням. У результаті вони обчислюють виявлення шахрайства лише тоді, коли виникають труднощі.

Користувачі отримують вигоду від об'єднання, оскільки вони допомагають підвищити пропускну спроможність транзакцій, відкриту участь та знизити витрати на газ.

Рівень 3 (Layer 3)

Прикладний рівень часто називають третім рівнем або L3. Проекти L3 діють як інтерфейс користувача, маскуючи технічні аспекти каналу зв'язку. Програми L3 — це те, що робить блокчейни застосовними у реальному світі, як пояснюється у багаторівневій структурі архітектури блокчейну.

Чи можна вирішити трилему блокчейну?

Проблеми, з якими зіткнулося розподілене сховище даних, з яких виникли блокчейни, перейшли до блокчейнів. Щоб краще зрозуміти ці труднощі та пов'язані з ними проблеми, було придумано термін «трилема блокчейна», щоб згрупувати їх.

Незважаючи на те, що слово «трилема» залишилося, трилема блокчейна — це лише припущення. Ця гіпотеза вважається точною з урахуванням ранніх даних, але вона була доведена, ні спростована. Необхідно провести додаткові дослідження, хоча рішення для першого та другого рівнів вже досягли певного успіху.

Підсумок

Однією з причин, через які масове впровадження криптографії в блокчейн-бізнесі нині неможливе, є масштабованість. У міру зростання попиту на криптовалюти зростатиме і необхідність розширення протоколів блокчейну. Оскільки обидва рівні блокчейну мають власний набір обмежень, остаточним рішенням буде розробка системи, здатної вирішити трилему масштабованості.

Перший рівень має вирішальне значення, оскільки він є основою для децентралізованих систем. Проблеми масштабованості базового ланцюжка блоків вирішуються за допомогою протоколів другого рівня. На жаль, більшість протоколів третього рівня (DApps) зараз працюють лише на першому рівні, минаючи другий. Не дивно, що ці системи працюють не так, як хотілося б.

Додатки третього рівня необхідні, тому що вони допомагають розробляти реальні варіанти використання блокчейнів. Однак вони не принесуть такої ж цінності, як їхній базовий блокчейн, на відміну від застарілих мереж.