Уровни (слои) блокчейна

Если вы каким-либо образом изучали криптовалюты или блокчейн, вы, вероятно, сталкивались с такими терминами, как протоколы первого и второго уровня. Вам интересно, что это за уровни (слои) и почему они существуют? Давайте обсудим архитектуру уровня блокчейна в этой статье.

Технология блокчейн представляет собой уникальное сочетание нескольких современных технологий — криптографии, теории игр и т. д. — с широким спектром возможных приложений, таких как криптовалюты. Кодирование и декодирование данных — это математическая и вычислительная дисциплина, известная как криптография. Изучение математических моделей стратегического взаимодействия между рациональными лицами, принимающими решения, известно как теория игр. Блокчейн устраняет посредников, снижает затраты и повышает эффективность, обеспечивая прозрачность и безопасность.

Без надзора со стороны центрального органа технология распределенного реестра (DLT) хранит информацию, проверенную криптографией среди группы пользователей, которые договорились по заранее определенному сетевому протоколу. Сочетание этих технологий укрепляет доверие между людьми или сторонами, у которых в противном случае не было бы мотивов для этого. Они позволяют сетям блокчейна безопасно обмениваться ценностями и данными между пользователями.

Из-за отсутствия централизованного управления блокчейны должны быть очень безопасными. Они также должны быть чрезвычайно масштабируемыми, чтобы обрабатывать растущее количество пользователей, транзакций и других данных. Уровни возникли из-за требований масштабируемости одновременно с сохранением первоклассной безопасности.

Что такое масштабируемость блокчейна?

Фраза «масштабирование» в технологии блокчейн относится к увеличению пропускной способности системы, которая измеряется количеством транзакций в секунду. С широким внедрением криптовалют в повседневную жизнь уровни блокчейна теперь необходимы для повышения сетевой безопасности, ведения записей и других функций.

Количество транзакций, обрабатываемых системой в секунду, называется «пропускной способностью». В то время как сеть электронных платежей VisaNet компании Visa может обрабатывать более 20 000 транзакций в секунду, основная цепочка Bitcoin (BTC) не может обрабатывать более семи транзакций в секунду.

Блокчейн — это первый уровень в децентрализованной экосистеме. Второй уровень — это сторонняя интеграция, используемая вместе с первым уровнем для увеличения количества узлов и, как следствие, пропускной способности системы. В настоящее время внедряются многие технологии блокчейна второго уровня. Смарт-контракты используются в этих решениях для автоматизации транзакций.

Разработчики блокчейна пытаются расширить сферу управления блокчейном, поскольку Bitcoin становится все более значимой силой в коммерческом мире. Они надеются сократить время обработки и увеличить TPS за счет разработки уровней блокчейна и оптимизации масштабируемости второго уровня.

Трилемма блокчейна

Трилемма блокчейна относится к общепринятому представлению о том, что с точки зрения децентрализации, безопасности и масштабируемости децентрализованные сети могут обеспечить только два из трех преимуществ в любой момент времени.

Ученые-компьютерщики разработали теорему непротиворечивости, доступности и устойчивости к разбиению (CAP) в 1980-х годах, чтобы выразить, возможно, наиболее значительные из этих трудностей. Теорема CAP утверждает, что децентрализованное хранилище данных, такое как блокчейн, может одновременно удовлетворять только двум из трех упомянутых выше гарантий.

Эта теорема превратилась в трилемму блокчейна в контексте современных распределенных сетей. Широко распространено мнение, что общедоступная инфраструктура блокчейна должна жертвовать безопасностью, децентрализацией или масштабируемостью.

В результате святой Грааль технологии блокчейна состоит в том, чтобы создать сеть с непроницаемой безопасностью в широко децентрализованной сети, а также обрабатывать транзакционную пропускную способность в масштабе Интернета.

Прежде чем углубляться в динамику трилеммы, давайте определим масштабируемость, безопасность и децентрализацию в общих чертах:

1. Масштабируемость блокчейна относится к его способности обрабатывать больший объем транзакций.
2. Безопасность относится к способности защищать данные в блокчейне от различных типов атак и защите блокчейна от двойного расходования средств.
3. Децентрализация — это тип избыточности сети, который гарантирует, что сеть не контролируется меньшим количеством объектов.

Взаимодействие между масштабируемостью, безопасностью и децентрализацией

Чтобы урегулировать транзакцию, сеть должна сначала согласовать ее действительность. Соглашение может занять некоторое время, если в системе большое количество участников. В результате мы можем показать, что масштабируемость обратно пропорциональна децентрализации при идентичных параметрах безопасности.

Теперь предположим, что два блокчейна Proof-of-Work имеют одинаковую степень децентрализации и считают, что безопасность — это скорость хеширования блокчейна. Время подтверждения уменьшается по мере роста скорости хеширования, а масштабируемость увеличивается по мере повышения безопасности. В результате масштабируемость и безопасность пропорциональны постоянной децентрализации.

В результате блокчейн не может одновременно оптимизировать все три желаемые функции, что вынуждает его идти на компромиссы. Ethereum — самый свежий пример трилеммы в действии. Этим летом платформа Ethereum пережила бум использования из-за роста приложений децентрализованных финансов (DeFi). Ethereum может расти только до определенной точки.

Из-за повышенного спроса транзакционные сборы выросли до такой степени, что некоторые люди не могут взаимодействовать с блокчейном. Увеличение комиссий Ethereum является примером трилеммы, поскольку мы видим, что Ethereum не масштабировался без ущерба для безопасности или децентрализации.

Основное внимание Ethereum уделялось децентрализации и безопасности с ограничением количества транзакций в секунду (масштабируемость). Чтобы побудить майнеров расставлять приоритеты в своих транзакциях, пользователи платили более высокие комиссии. Точно так же децентрализация и безопасность имеют приоритет над масштабируемостью в Bitcoin.

Ни для кого не секрет, что масштабируемость таких блокчейнов, как Bitcoin и Ethereum, в настоящее время ограничена. Поэтому глобальное сообщество стартапов, корпораций и технологов лихорадочно работает над решениями первого и второго уровней для решения трилеммы блокчейна.

Сети блокчейнов первого уровня предназначены для скорости, безопасности и расширения. Второй уровень относится к усовершенствованиям технологий и продуктам, которые можно использовать для расширения масштабируемости существующих сетей блокчейнов. Получение идеального баланса между двумя уровнями может изменить правила игры для внедрения блокчейна и расширения децентрализованных сетей.

Разработчики подходят к проблеме с разных точек зрения. Увеличение размера блока в Bitcoin Cash (BCH) было попыткой улучшить масштабируемость Bitcoin. Однако нет никаких доказательств того, что он становится все более популярным.

Bitcoin пытается решить эту проблему, добавляя слой к существующему слою блокчейна. Решения второго уровня будут объединять множество транзакций вместе и запрашивать блокчейн базового уровня только время от времени, в соответствии с идеей, лежащей в основе решений масштабирования. Ethereum использует гибридный подход с масштабированием блокчейна базового уровня, а сообщество ожидает несколько решений второго уровня, чтобы еще больше повысить пропускную способность.

Многоуровневая структура архитектуры блокчейна

В случае распределенной сети с архитектурой блокчейна каждый участник сети поддерживает, авторизует и обновляет новые записи. Набор блоков с транзакциями в определенном порядке представляет собой структуру технологии блокчейн. Эти списки можно сохранить в виде плоского файла (в формате txt) или простой базы данных. Архитектура блокчейна может быть публичной, частной или консорциумной.

Многоуровневая архитектура блокчейна подразделяется на шесть уровней.

Уровень аппаратной инфраструктуры

Содержимое блокчейна хранится на сервере в центре обработки данных где-то на этом прекрасном земном шаре. Клиенты запрашивают контент или данные с серверов приложений во время просмотра веб-страниц или использования любых приложений, что известно как архитектура клиент-сервер.

Теперь клиенты могут подключаться к одноранговым клиентам и обмениваться данными. Одноранговая сеть (P2P) — это большая группа компьютеров, которые обмениваются данными. Блокчейн — это одноранговая сеть компьютеров, которая упорядоченно вычисляет, проверяет и записывает транзакции в общий реестр. В результате создается распределенная база данных, в которой хранятся все данные, транзакции и другие соответствующие данные. Узел — это компьютер в сети P2P.

Уровень данных

Структура данных блокчейна выражается в виде связанного списка блоков, в которых упорядочены транзакции. Структура данных блокчейна состоит из двух основных элементов: указателей и связанного списка. Связанный список — это список связанных блоков с данными и указателями на предыдущий блок.

Указатели — это переменные, которые ссылаются на позицию другой переменной, а связанный список — это список связанных блоков с данными и указателями на предыдущий блок. Дерево Меркла (англ. Merkle tree) — это бинарное дерево хэшей. Каждый блок содержит корневой хэш дерева Меркла и такую информацию, как хэш предыдущего блока, временная метка, одноразовый номер, номер версии блока и текущая цель сложности.

Для систем блокчейна дерево Меркла обеспечивает безопасность, целостность и неопровержимость. Система блокчейн построена на деревьях Меркла, криптографии и алгоритмах консенсуса. Поскольку это первый блок в цепочке, блок генезиса, т. е. первый блок, не содержит указателя.

Для защиты безопасности и целостности данных, содержащихся в блокчейне, транзакции подписываются цифровой подписью. Закрытый ключ используется для подписи транзакций, и любой, у кого есть открытый ключ, может проверить подписавшего. Цифровая подпись выявляет манипулирование информацией. Поскольку зашифрованные данные также подписаны, цифровые подписи обеспечивают единство. В результате любые манипуляции сделают подпись недействительной.

Данные не могут быть обнаружены, поскольку они зашифрованы. Его нельзя подделать снова, даже если он пойман. Личность отправителя или владельца также защищена цифровой подписью. В результате подпись юридически связана со своим владельцем и не может быть проигнорирована.

Сетевой уровень

Сетевой уровень, обычно называемый уровнем P2P, отвечает за взаимодействие между узлами. Обнаружение, транзакции и распространение блоков обрабатываются на сетевом уровне. Слой распространения — другое название этого уровня.

Этот уровень P2P гарантирует, что узлы могут находить друг друга и взаимодействовать, распространять и синхронизироваться, чтобы поддерживать сеть блокчейна в легитимном состоянии. Сеть P2P — это компьютерная сеть, в которой узлы распределены и разделяют рабочую нагрузку сети для достижения общей цели. Транзакции блокчейна выполняются узлами.

Уровень консенсуса

Уровень консенсуса необходим для существования блокчейн-платформ. Уровень консенсуса — самый необходимый и критический уровень в любом блокчейне, будь то Ethereum, Hyperledger или другой. Уровень консенсуса отвечает за проверку блоков, их упорядочивание и гарантию того, что все согласны.

Основные элементы уровня консенсуса:

1. Уровень консенсуса устанавливает четкий набор соглашений между узлами в распределенной сети P2P;
2. Уровень консенсуса гарантирует, что власть остается децентрализованной и рассеянной. В результате ни одна сторона не имеет полного контроля над сетью блокчейна;
3. Уровень консенсуса гарантирует, что соблюдается только одна цепочка и что она содержит правду;
4. Уровень консенсуса состоит из правил, которых придерживаются узлы, чтобы транзакции проверялись, а блоки устанавливались в соответствии с этими правилами;
5. Уровень консенсуса обеспечивает единогласное принятие истины среди участвующих узлов;
6. В сети P2P протокол консенсуса помогает достичь надежности.

Уровень приложений

Смарт-контракты, чейнкод и децентрализованные приложения (DApps) составляют уровень приложений. Протоколы уровня приложений подразделяются на уровень приложений и исполнительный уровень. Уровень приложений включает в себя программы, которые конечные пользователи используют для связи с сетью блокчейна. Сценарии, интерфейсы прикладного программирования (API), пользовательские интерфейсы и фреймворки являются его частью.

Сеть блокчейна служит серверной технологией для этих приложений, и они взаимодействуют с ней через API. Смарт-контракты, базовые правила и код цепи — все это часть уровня исполнения.

Хотя транзакция перемещается с уровня приложения на уровень выполнения, она проверяется и выполняется на семантическом уровне. Приложения дают инструкции исполнительному слою, который выполняет транзакции и обеспечивает детерминированный характер блокчейна.

Описание уровней блокчейна

Уровень 0 (Layer 0)

Нулевой уровень блокчейна состоит из компонентов, которые помогают сделать блокчейн реальностью. Это технология, которая позволяет функционировать Bitcoin, Ethereum и другим сетям блокчейна. Компоненты уровня 0 включают Интернет, оборудование и соединения, которые обеспечивают бесперебойную работу уровня 1.

Уровень 1 (Layer 1)

Это базовый уровень, и его безопасность основана на неизменности. Сеть Ethereum, или первый уровень, — это то, на что люди ссылаются, когда говорят об Ethereum. Этот уровень отвечает за процессы консенсуса, языки программирования, время блокировки, разрешение споров, а также правила и параметры, поддерживающие базовую функциональность сети блокчейн. Он также известен как уровень реализации. Bitcoin является примером блокчейна первого уровня.

Проблемы с первым уровнем

Эти решения масштабирования повышают пропускную способность сети при совместном использовании. Однако с растущим числом пользователей блокчейна первый уровень, похоже, не справляется. Архаичный и неуклюжий процесс консенсуса Proof-of-Work все еще используется в блокчейне первого уровня.

Хотя этот подход более безопасен, чем другие, он ограничен своей скоростью. Майнеры должны решать криптографические алгоритмы, используя вычислительную мощность. В результате в долгосрочной перспективе требуется больше вычислительной мощности и времени. Кроме того, рабочая нагрузка на блокчейн первого уровня увеличилась по мере роста числа пользователей. В результате скорость обработки и емкость снизились.

Возможные решения

Proof-of-Stake — это альтернативный механизм консенсуса, на который перешел Ethereum 2.0. Этот консенсусный подход сертифицирует новые блоки данных транзакций на основе стейкинга участников сети, что делает процедуру более эффективной.

Шардинг — это решение для масштабирования нагрузки на проблему блокчейна первого уровня. Проще говоря, сегментирование делит задачу проверки и аутентификации транзакций на более мелкие и простые в управлении фрагменты. В результате рабочая нагрузка может быть распределена по сети, чтобы использовать вычислительные возможности большего количества узлов. Поскольку сеть обрабатывает эти сегменты параллельно, несколько транзакций могут обрабатываться как последовательно, так и одновременно.

Уровень 2 (Layer 2)

Перекрывающиеся сети, расположенные поверх базового уровня, известны как решения L2. Протоколы используют второй уровень для повышения масштабируемости за счет удаления некоторых взаимодействий с базового уровня. В результате смарт-контракты на основном протоколе блокчейна имеют дело только с депозитами и выводами средств и гарантируют, что транзакции вне сети соответствуют правилам. Bitcoin Lightning Network является примером блокчейна второго уровня.

Итак, в чем разница между блокчейном первого и второго уровня? Блокчейн — это первый уровень в децентрализованной экосистеме. Второй уровень — это сторонняя интеграция, используемая вместе с первым уровнем для увеличения количества узлов и, как следствие, пропускной способности системы. В настоящее время внедряются многие технологии блокчейна второго уровня.

Решения для масштабирования второго уровня

В последние годы популярность протоколов второго уровня резко возросла, и они оказались наиболее эффективным подходом к решению проблем масштабирования, в частности, в сетях PoW. Различные решения масштабирования второго уровня объясняются в разделах ниже.

Вложенный блокчейн

Вложенный блокчейн второго уровня работает поверх другого. По сути, первый уровень устанавливает настройки, а второй уровень выполняет процедуры. В одной основной цепочке может быть несколько уровней блокчейна. Считайте это типичной бизнес-структурой.

Вместо того, чтобы один человек (например, менеджер) выполнял всю работу, менеджер делегировал задачи подчиненным, которые затем отчитывались перед руководством, когда они были выполнены. В результате рабочая нагрузка менеджера снижается, а масштабируемость повышается. Например, проект OMG Plasma работает как блокчейн второго уровня для протокола первого уровня Ethereum, что позволяет проводить более дешевые и быстрые транзакции.

Канал состояния

Канал состояния улучшает общую пропускную способность и скорость транзакций, облегчая двустороннюю связь между блокчейном и транзакционными каналами вне цепочки с помощью различных подходов. Чтобы проверить транзакцию по каналу состояния, майнер не обязательно должен быть задействован сразу.

Вместо этого это сетевой ресурс, защищенный с помощью механизма мультиподписи или смарт-контракта. Конечное «состояние» «канала» и все присущие ему переходы публикуются в базовой цепочке блоков, когда транзакция или пакет транзакций завершается в канале состояния.

Примеры каналоа состояния включают Bitcoin Lightning и Raiden Network Ethereum. В компромиссе трилеммы каналы состояния отказываются от некоторой децентрализации в обмен на повышенную масштабируемость.

Сайдчейны

Сайдчейн — это транзакционная цепочка, которая работает вместе с блокчейном и используется для массовых транзакций. У сайдчейнов есть свой метод консенсуса, который можно настроить на скорость и масштабируемость, а служебный токен часто используется как часть механизма передачи данных между сайдчейнами и основными цепями. Основной функцией основной сети является обеспечение общей безопасности и разрешение споров.

Сайдчейны отличаются от каналов состояния несколькими важными способами. Начнем с того, что транзакции сайдчейна не являются частными между участниками; вместо этого они публикуются открыто в реестре. Кроме того, нарушения безопасности в сайдчейнах не влияют на основной или другие сайдчейны. Построение сайдчейна с нуля требует значительного количества времени и работы.

Роллапы

Роллапы — это решения для масштабирования блокчейна второго уровня, которые выполняют транзакции за пределами сети первого уровня, а затем загружают данные из транзакций в блокчейн второго уровня. Первый уровень может обеспечивать безопасность сводок, поскольку данные находятся на базовом уровне.

Две альтернативные модели безопасности для накопительных пакетов

Пользователи получают выгоду от объединения, поскольку они помогают повысить пропускную способность транзакций, открытое участие и снизить затраты на газ.

Уровень 3 (Layer 3)

Прикладной уровень часто называют третьим уровнем или L3. Проекты L3 действуют как пользовательский интерфейс, маскируя технические аспекты канала связи. Приложения L3 — это то, что делает блокчейны применимыми в реальном мире, как объясняется в многоуровневой структуре архитектуры блокчейна.

Можно ли решить трилемму блокчейна?

Проблемы, с которыми столкнулось распределенное хранилище данных, из которых возникли блокчейны, перешли к блокчейнам. Чтобы лучше понять эти трудности и связанные с ними проблемы, был придуман термин «трилемма блокчейна», чтобы сгруппировать их.

Несмотря на то, что слово «трилемма» осталось, трилемма блокчейна — это всего лишь предположение. Эта гипотеза считается точной на основе ранних данных, но она не была ни доказана, ни опровергнута. Необходимо провести дополнительные исследования, хотя решения для первого и второго уровней уже добились определенного успеха.

Итог

Одной из причин, по которой массовое внедрение криптографии в блокчейн-бизнесе в настоящее время невозможно, является масштабируемость. По мере роста спроса на криптовалюты будет расти и необходимость расширения протоколов блокчейна. Поскольку оба уровня блокчейна имеют собственный набор ограничений, окончательным решением будет разработка системы, способной решить трилемму масштабируемости.

Первый уровень имеет решающее значение, поскольку он служит основой для децентрализованных систем. Проблемы масштабируемости базовой цепочки блоков решаются с помощью протоколов второго уровня. К сожалению, большинство протоколов третьего уровня (DApps) в настоящее время работают только на первом уровне, минуя второй. Неудивительно, что эти системы работают не так, как хотелось бы.

Приложения третьего уровня необходимы, потому что они помогают разрабатывать реальные варианты использования блокчейнов. Однако они не принесут такой же ценности, как их базовый блокчейн, в отличие от устаревших сетей.