Что такое протоколы 2-го уровня в блокчейне?

В процессе развития блокчейна возникла потребность в дополнительных надстройках к базовой сети. Мы рассмотрим существующие дилеммы и сложности, способствующие возникновению таких протоколов, а также приведем примеры наиболее успешных из них.

Что представляет собой «трилемма масштабируемости»?

Существуют три основные характеристики, напрямую влияющие на полезность блокчейна для пользователей: производительность, децентрализация и безопасность. Главная проблема заключается в том, что они частично противоречат друг другу, поэтому максимизировать все три характеристики невозможно. В большинстве случаев разработчики концентрируются на двух основных (выбор зависит от каждого конкретного блокчейна) характеристиках, а третью оптимизируют до той степени, которая возможна без отрицательного влияния на установленные приоритеты. Спор в отношении баланса между масштабируемостью с одной стороны и децентрализацией и безопасностью с другой привели к возникновению первого хардфорка биткоина — Bitcoin Cash. Сторонники Bitcoin Cash считали, что увеличение размера блока (а значит, и повышение количества транзакций в секунду) позволит оптимизировать блокчейн. При этом другие участники блокчейн-сообщества выступили против такой инициативы, т. к. она отрицательно влияла на децентрализацию и стабильность сети. Дальнейшая динамика BTC и BCH подтвердила правильность приоритизации безопасности над производительностью для главной криптовалюты (в то время как многие альткоины могут отдавать предпочтение большей масштабируемости как их конкурентному преимуществу).

Другой подход к повышению масштабируемости, используемый такими криптовалютами, как Ziliqa, Ontology и QuarkChain, — шардинг, предполагающий разделение данных сети на несколько независимых сегментов. Тем не менее шардинг приводит к возникновению «угрозы 1%», когда злоумышленники, завладевшие даже незначительной частью распределённой, но разделенной сети имеют возможность нарушить ее стабильную работу. По этим причинам блокчейны, ставящие в приоритет безопасность и децентрализацию (например, биткоин), вынуждены искать альтернативные решения проблемы. И наиболее эффективным альтернативным вариантом на сегодняшний день выступают протоколы второго уровня.

Протоколы второго уровня и их виды

Данные протоколы представляют собой надстройки над существующими сетями в блокчейне. Они могут выполнять максимальное количество транзакций в секунду с минимальной нагрузкой на основную сеть. Более того, любые потенциальные уязвимости таких протоколов не будут создавать дополнительных угроз или рисков для основной сети. Один и тот же блокчейн может иметь несколько протоколов второго уровня. Таким образом, пользователи будут иметь максимальный выбор без каких-либо проблем для децентрализации и безопасности.

Протоколы второго уровня могут быть реализованы с помощью двух основных подходов: каналов состояния и сайдчейнов, которые имеют свои особенности, а также сильные и слабые стороны. Канал состояния обеспечивает возможность совершения неограниченного количества транзакций до включения в основной блокчейн. Такие операции являются полностью приватными, и другие лица не имеют к ним доступа. Основное преимущество для пользователей — возможность отправлять платежи друг другу практически мгновенно и с минимальными затратами. Помимо поддержки транзакций, они также обеспечивают «обновление состояния» в сети. Т. к. соглашение между участниками протокола второго уровня заключается вне основного блокчейна, они нуждаются в системе проверки и подтверждения операций. Она обеспечивается с помощью смарт-контрактов. После окончания всех обменов между данными двумя участниками, чистый баланс отражается в базовом блокчейне. Протоколы второго уровня часто включают таймер, отсчитывающий время от последней транзакции. После того, как предельное время истекло, канал состояния закрывается. Наиболее популярные примеры каналов состояния: Lightning Network, Celer Network, Plasma и другие.

Сайдчейны предлагают возможность использования и хранения токенов и цифровых активов одного блокчейна в другом. В случае необходимости или при выполнении определенных условий, токены могут быть перенаправлены в изначальный блокчейн. Двусторонняя связь между основным и вспомогательными блокчейнами способствует достижению максимальной оперативности и стабильности. Сайдчейны обеспечивают безопасность с помощью собственного майнинга, и низкая майнинговая активность может создавать дополнительные сложности для защиты сайдчейна от возможных атак. В любом случае, проблемы сайдчейна не будут оказывать никакого отрицательного воздействия ни на основной, ни на вспомогательный блокчейн. При использовании сайдчейна коины на некоторое время блокируются, чтобы сделать невозможным их повторное использование. Только после окончания перевода эквивалентной суммы в дополнительный блокчейн держатель монет получает возможность их тратить по своему усмотрению. Эффективная работа сайдчейнов предполагает бесперебойную работу всех используемых блокчейнов. Наиболее популярные примеры сайдчейнов: Polygon, Rollups, Ardor и другие.

Lightning Network

Lightning Network — самый известный и популярный протокол второго уровня для блокчейна биткоин. Данное решение обеспечивает минимальные издержки и максимальную масштабируемость при возможности использовать преимущества основного блокчейна, включая его очень высокую децентрализацию и надежность работы.

По данным BitPay, Lightning Network может осуществлять около 1 млн транзакций в секунду, в то время как производительность основной сети биткоина — только 7 транзакций за эту единицу времени (для сравнения, платежная система VISA позволяет осуществлять десятки тысяч транзакций в секунду). Другими словами, использование протокола второго уровня позволяет повысить масштабируемость сети примерно в 140 тысяч раз. В связи с тем, что издержки в Lightning Network многократно ниже, чем в сети BTC, пользователи могут успешно использовать ее для микроплатежей (например, покупки билетов в кинотеатр или заказа пиццы). Полагаться на основной блокчейн для этих целей непрактично, потому что транзакционные издержки могут превысить стоимость покупки.

Схема работы Lightning Network как надстройки над основным блокчейном. Источник — BitPay

В Lightning Network также реализована инновационная модель платежных каналов, когда существующие каналы могут быть использованы, чтобы не открывать дополнительные связи в будущем. Например, Николай и Игорь осуществляли между собой транзакции в прошлом, и между ними существует платежный канал. При этом Игорь также имеет платежный канал с Андреем. В случае, если когда-либо в будущем Николай будет отправлять или получать переводы от Андрея, их операции будут выполнены без открытия новых каналов.

Эффективность Lightning Network в минимизации издержек и выполнении микроплатежей обеспечила устойчивый рост сети со средним темпом 48% в год. Даже несмотря на падение активности пользователей в период «криптозимы», мощность Lightning Network и объемы ее использования пользователями продолжают стабильно возрастать.

Динамика роста Lightning Network (2019–2022 гг.). Источники — Glassnode и Bitcoin Magazine PRO

По данным Bitcoin Magazine PRO, финансовый эквивалент объемов платежей в сети Lightning Network достигает $20 млн в месяц. Для сравнения, объем транзакций в сети биткоина — $963 млрд в месяц. Хотя Lightning Network, вероятно, будет продолжать уступать блокчейну ВТС по общему объему транзакций, она эффективно заполнит нишу микроплатежей и будет способствовать максимальной популяризации криптовалюты среди мелких держателей. Наконец, еще один тренд в развитии этого протокола второго уровня — это создание уникальной экосистемы, включающей криптокошельки, финансовые и платежные сервисы, социальные сети и приложения, P2P-решения и многое другое.

Экосистема Lightning Network. Источники — Arcane Research и Bitcoin Magazine PRO

Источники: BitPay, ForkLog, Exmo, Glassnode, Arcane Research, Bitcoin Magazine PRO