Решения масштабирования второго уровня для Ethereum

Концепт платформы Ethereum был предложен в 2013 году, а сама сеть запущена 30 июля 2015 года. В то время криптовалют было мало, пользовались ими немногочисленные энтузиасты и стоили они дешево, поэтому комиссии сети были незначительными. В статье мы поговорим о 1-layer и 2-layer решениях для масштабирования Ethereum. 

По мере роста числа активных пользователей проблемы масштабирования Ethereum, приводящие к длительному времени подтверждения и высокой стоимости транзакций, становились все более критическими, что привело к созданию решений второго уровня. Об этом и поговорим в статье. Вы узнаете, что такое 1-layer и 2-layer решения для масштабирования криптовалют, на какие виды их разделяют, в чем отличия и как их использовать для экономии на транзакциях.

Проблема масштабируемости Ethereum

Сеть Эфириума существует чуть менее 7 лет и хотя по производительности Ethereum (15 транзакций в секунду) превосходит сеть Bitcoin (7 транзакций в секунду), платформа даже близко не может конкурировать с традиционными платежными системами, такими как Visa, которая обрабатывает около 1700 транзакций в секунду.

Дело в том, что количество транзакций проводимых сетью ограничена вместимостью блока. Это и является основным камнем преткновения для масштабирования Ethereum. Кроме того, сложность сети алгоритмически регулируется так, чтобы время добычи блока было всегда примерно одинаковым: если растет общая вычислительная мощность узлов (хешрейт), растет и сложность математических задач, которые должны решить майнеры. Поэтому масштаб ETH-сети остается таким же касаемо пропускной способности. Время на добычу одного блока варьируется между 13 и 14 секундами и не может значительно отклоняться.

Ограничение размера блока

Количество транзакций, вмещающихся в один блок, определяется параметром Gas Limit (лимит газа) — количество единиц газа («топлива» для транзакций), которое необходимо для проведения одной транзакции пользователя. Подробнее про газ в криптовалютах мы писали в отдельной статье.

Магия в том, что все транзакции разные и требуют разное количество единиц газа, поэтому в сети Ethereum введен дополнительный параметр — цена на газ, измеряемая в «гвеях» (gwei). Майнеры выбирают транзакции для подтвреждения по приоритету из специальной очереди — мемпула (mempool), по принципу: кто больше заплатит, тот первым и будет. Все транзакции, которые не попали в текущий блок, остаются в мемпуле ожидать своей очереди. Причем, если вы отправили в сеть транзакцию раньше другого пользователя, но он заплатил больше комиссию, то его транзакцию могут подтвердить раньше вашей.

Ранее лимит газа для одного блока был ограничен 10 млн единиц, но после хардфорка London его количество было увеличено до 30 млн. Минимальный лимит газа для одной транзакции составляет 21 000 единиц. Путем несложного подсчета можно выяснить максимальную вместимость блока:

Однако, лимит газа может изменяться в зависимости от типа транзакции, например, транзакция для перевода USDT ERC20 требует 71 000 газа, а транзакция выполнения несложного смарт-контракта — в среднем 210 000. Таким образом, при ограниченном размере блока (30 млн единиц), количество транзакций в блоке может меняться, а соответственно и цена на газ тоже

Если вы хотите чтобы транзакция прошла быстро, то стоимость газа следует ставить актуальную, а в моменты высокой волатильности рынка, даже с запасом.

Невозможность масштабирования Эфириум

К сожалению, в протоколе Ethereum изначально не предусмотрены механизмы для масштабирования, а рост числа майнеров не ускоряет работу сети — это было сделано для того, чтобы темп инфляции монет ETH не возрастал. Этот механизм делает невозможным расширение ETH-сети в текущем состоянии. Поэтому неважно, как сильно вырастет хешрейт сети — пропускная способность блокчейна останется приблизительно такой же.

Обновление Ethereum

Чтобы расширение Эфириума стало возможным, разработчики решили выпустить обновление Ethereum 2.0, которое будет использовать механизм сегментирования сети на 64 независимых блокчейна, способных обрабатывать транзакции параллельно друг другу. Сама сеть перейдет с консенсуса Proof-of-Work (PoW) на Proof-of-Stake (PoS). Более подробно про обновление и даты выхода писали в другой нашей статье.

Примечание. До недавнего времени обновление называли Ethereum 2.0. Однако разделение на Eth 1.0 и Eth 2.0 привело к множеству проблем в комьюнити платформы, поэтому разработчики в январе решили отказаться от этих терминов и оставить название «Ethereum Upgrade» («обновление Эфириума»).

Следует иметь в виду, что обновление Ethereum — расширение текущей сети, создаваемое для возможности масштабирования платформы, а не новая отдельная сеть. Это одна из причин, почему разработчики отказались от терминов Eth 1.0 и Eth 2.0: многие пользователи думали, что после выхода обновления будут другие монеты, но это не так. Зато мошенники быстро смекнули, и стали использовать это заблуждение для обмана доверчивых пользователей.

Сейчас текущая и новая сеть работают одновременно, после выхода обновления Ethereum Upgrade устаревшая сеть на основе PoW перестанет функционировать, но монеты останутся теми же.

Важно! ETH в обновленной сети — это те же самые монеты. Запомните это! Они просто будут перенесены в новую сеть путем конвертирования в соотношении 1:1. Но как именно будут конвертироваться монеты, точно будет известно уже после выхода апдейта.

Пока обновление не вышло, единственная возможность экономить на комиссиях — использовать решения масштабирования второго уровня Эфириума, о чем расскажем далее,

В чем разница между L1 и L2?

Рассмотрим их отличия на примере сети Bitcoin. Наверное, вы слышали о запуске Lightning Network (LN) — решения для масштабирования протокола Bitcoin, позволяющей создавать платежные каналы между пользователями и совершать мгновенные дешевые транзакции. Кстати, про сеть LN мы писали в статье «Lightning Network: решение для масштабирования Bitcoin».

Так вот, Bitcoin — это основная сеть, а решение первого уровня (L1 или Layer-1), по сути, является улучшением самой сети. Примером такого улучшения будет Taproot — обновление сети Биткоина, активированное в ноябре 2021 года.

Lightning Network представляет собой решение второго уровня (L2 или Layer-2) — один из способов масштабирования L1-сети. Это означает, что LN построен поверх блокейна Bitcoin, то есть как второй слой сети, поэтому Lightning Network и называют решением L2.

Зачем блокчейнам нужны решения уровня 2 и какие проблемы они решают?

Блокчейны Layer-2 выполняют несколько полезных функций:

Масштабирование сети. Добавление отдельной сети увеличит общую пропускную способность. L2-решения обрабатывают больше транзакций за тот же промежуток времени. Если Ethereum обрабатывает только 15 транзакций в секунду, то добавление нового блокчейна увеличит пропускную способность в два раза или больше в зависимости от производительности L2-сети.

Повышение скорости обработки транзакции и уменьшение комиссий. Производительность сети, построенной поверх главно блокчейна, за счет масштабирования значительно увеличится, в результате чего транзакции будут подтверждаться быстрее, а стоить — меньше.

Уменьшение нагрузки на основную сеть. Попутно решения второго уровня «очистят Ethereum от пыли», то есть множества небольших транзакций. С появлением Layer-2 сетей часть пользователей перейдет на сторонний блокчейн, благодаря чему основная сеть будет разгружена: транзакции станут быстрее, а стоимость комиссий снизится.

Создание EVM-совместимых решений для разных вариантов использования. Все L2-решения работают на виртуальной машине Эфириума (Ethereum Virtual Machine), что позволяет создавать множество цепочек для решения узкоспециализированных задач, например, блокчейн-игр или фарминга. При этом блокчейны могут взаимодействовать друг с другом: это свойство называется интероперабельностью.

Секьюритизация. Создание несколько совместимых блокчейнов делают экосистему более децентрализованной и безопасной. Другими словами, взлом или сбои одной из сетей никак не повлияет на работу другой.

Текущие решения Layer-2 для Ethereum

L2-сети привлекли внимание множества пользователей благодаря тому, что они стали решением проблемы масштабирования Ethereum, связанной с низкой скоростью и высокой стоимостью ETH-транзакций и ставшей критической для пользователей криптовалют.

Polygon (MATIC)

Сеть Polygon — одно из самых известных и востребованных решений второго уровня для Ethereum. Его также называют «интернетом блокчейнов на Ethereum». Платформа предоставляет инструменты и компоненты для разработки взаимосовместимых блокчейнов, которые не только служат мостами для связи между децентрализованными сетями, но и обеспечивают гибкость и безопасность Эфириума.

Polygon занимает 7-е место в списке Defi Llama по сумме заблокированных средств (TVL), которая превышает $5,4 млрд, уступая только самым крупным блокчейнам, таким как Ethereum, BSC, Terra и Solana, и превосходит даже Tron и Polkadot. Платформа в настоящее время является лидером среди решений второго уровня.

Отличительная особенность Polygon от других L2-решений, которые будем рассматривать в этой статье, заключается в наличии нативного токена MATIC, который генерируются путем стейкинга и используются для множества операций на платформе.

Immutable-X

Это первое L2-решение для масштабирования Ethereum с поддержкой невзаимозаменяемых токенов (NFT). Еще одна отличительная особенность платформы Immutable-X — мгновенное подтверждение сети и нулевая плата за газ, что делает ее одним из самых производительных и масштабируемых решений второго уровня.

Остальные 2-Layer сети используют свертки — смарт-контракты, проверяющие сначала транзакции пакетами, а не по отдельности вне блокчейна Ethereum, которые после проверки отправляются как минимальный набор данных в главную сеть, хранящую информацию о транзакциях. Они разделены на две категории:

• «Оптимистические свертки» (Optimistic rollups) — транзакции по умолчанию считаются действительными, пока их не оспорят. Отсюда и следует название.
• Zero knowledge rollups или ZK-rollups — свертки, также формирующие пакетные данные с транзакциями, но полагающиеся на доказательства с нулевым разглашением (zk-SNARK). 

X-Dai

Сайдчейн, созданный поверх блокчейнов Ethereum и Gnosis Chain. X-Dai уменьшает затраты пользователей и время обработки транзакций и использует механизм консенсуса Proof-of-Stake, позволяя отправлять нативные токены xDAI в стейкинг, которые являются стейблкоинами. По сути, X-Dai — единственное L2-решение для Ethereum, поддерживающее стейкинг стейблкоинов и одно из немногих во всей экосистеме DeFi.

Решения, использующие «оптимистичные свертки»

Время ожидания подтверждения транзакций у таких решений может быть больше, чем при подходе с доказательством нулевого разглашения (zk-SNARK), так как операции могут оспорить. Механизм использует стимулы, наказывая за мошенничество и поощряя за доказательство вины.

Одна из главных проблеме «оптимистичных свертков» — необходимость доверия к валидаторам, подтверждающим транзакции. Если валидаторы в результате хакерской атаки вступят в сговор и никто ее не оспорит, то транзакция будет считаться действительной и отправится на первый уровень (основную сеть Ethereum). 

Arbitrum

Вторым по популярности L2-решением можно считать сеть Arbitrum, которая предоставляет разработчикам функции для легкого и быстрого развертывания смарт-контрактов на Ethereum. По заявлению разработчиков на официальном сайте, свое первое приложение можно запустить за 5 минут. Сеть Arbitrum состоит из трех основных компонентов:

• Compiler — компилятор DApps.
• EthBridge — блокчейн-мост между Ethereum и другими сетями.
• Validators — валидаторы, обрабатывающие транзакции.

Arbitrum использует «оптимистичные свертки» (optimistic rollups) — технологию агрегации транзакций на сайдчейне. «Оптимистические свертки» выполняют вычисления на основе доказательства мошенничества. Это значит, что пакеты транзакций будут считаться действительными, если их не оспорят в течение недели. 

Optimism

Еще одно альтернативное решение, которое, как и Arbitrum, использует «оптимистичные свертки» для проверки транзакций. Существенное отличие Optimism от Arbitrum заключается в том, как платформы разрешают споры на втором уровне блокчейна.

Чтобы вычислить спорную транзакцию и решить проблему, сети Optimism необходимо перенести большой объем данных с Layer-2 на Layer-1 в то время, как Arbitrum будет подразделять оспаривание до тех пор, пока пакет данных не станет настолько мал, что его можно будет быстро отправить и подтвердить на Layer-1. Такой подход способствует меньшей нагрузке основной сети Ethereum.

Решение Optimism по капитализации существенно уступает Arbitrum, TVL которого достигает $2,12 млрд.

Boba

Boba Network — это 2L-сеть нового поколения, построенная поверх Эфириума, которая снижает плату за газ, повышает пропускную способность транзакций и расширяет возможности смарт-контрактов. Сеть Boba разработана одной из команд фонда OmiseGo (OMG).

Расширяемые смарт-контракты Boba дают разработчикам возможность создавать приложения, выполняемые в Web-scale, таком как AWS Lambda. Это позволяет использовать алгоритмы, которые считаются либо слишком дорогими, либо невыполнимыми в блокчейне.

Fuel Network

Fuel — это устойчивый к цензуре оптимизированный протокол второго уровня без разрешения и доверия для сети Ethereum с максимальной пропускной способностью до 1000 транзакций в секунду. Решение использует модель UTXO и уникальную функцию защиты от мошенничества, которая позволяет сократить задержки в подтверждениях транзакций, таких как у Optimism.

Cartesi

Автономная децентрализованная платформа, созданная поверх блокчейна Ethereum.  Cartesi уникален тем, что позволяет запускать проверяемые в блокчейне DApps на базе операционной системы Linux с поддержкой соответствующих программных стеков. Платформа также выпустила нативный токен CTSI, для которого доступен стейкинг. 

Решения, использующие ZK-rollups

При использовании решения на основе доказательства с нулевым разглашением zk-Snarks транзакции подтверждаются сразу, поэтому при перемещении пакетов с L2 на L1 задержки отсутствуют. Кроме того, ZK-свертки оптимизируют данные, уменьшая размер транзакций. Например, они вместо длинного адреса используют индексы, сокращая размер транзакции с 32 до 4 байтов.

Еще одно преимущество ZK-свертков — отсутствие уязвимости к атакам, которым подвержены «оптимистичные свертки». Однако их недостаток в том, что у некоторых решений отсутствует виртуальная машина (EVM), а валидаторы могут влиять на порядок транзакций.

Мы не будем сильно акцентировать внимание и детально разбирать L2-решения с использованием ZK-свертков, а только кратко их опишем:

• Loopring — эффективное L2-решение для торговли, предоставления ликвидности и криптовалютных платежей.
• StarkWare — экосистема DApps второго уровня для Ethereum. В настоящее время на платформе StarkWare доступно два спектра продуктов — SDK для разработки DApps StarkNet и автономные SaaS-решения StarkEx для выпуска NFT, торговли криптодеривативами и запуска AMM-протоколов.
• zkSync — протокол от Matter Labs, уникальный тем, что валидаторов, обрабатывающих транзакции, заменяют математические вычисления. Особенно поражает список инвесторов и партнеров решения, среди которых числятся Coinbase, Binance, Curve, Aave, Balancer, 1inch, Huobi, MoonPay и многие другие.
• Aztec 2.0 — конфиденциальный протокол второго уровня, который шифрует суммы транзакций, а также адреса отправителей и получателей, повышая анонимность пользователей.
• Polygon Hermez — L2-сеть для удобных и доступных переводов криптовалют, позволяющая снизить стоимость ETH-транзакций более чем на 90%. Пропускная способность протокола достигает 2000 транзакций в секунду. Несмотря на название, не имеет ничего общего с решением Polygon (MATIC), которое не использует ZK-свертки.
• zkTube — первая майнинговый L2-протокол с дополнительной конфиденциальностью, безопасностью и высокой пропускной способностью.

Как использовать решения уровня 2 для экономии на транзакциях?

Для начала вам понадобится криптокошелек, который поддерживает выбранную вами L2-сеть, такую как Polygon, Arbitrum или Optimism. Например, Trustee Wallet поддерживает протокол Polygon. Покажем на его примере, как использовать решение второго уровня.

1. Установите приложение и создайте кошелек.

Для создания кошелька вам нужно сохранить seed-фразу. Если вы ее потеряете, то не сможете восстановить доступ к средствам, если забудете пароль или утратите устройство, на котором установлено приложение.

Чтобы добавить сеть Polygon, нажмите на кнопку «Добавить актив», введите в поисковое строке «Polygon» и выберите MATIC или другие токены, которые хотите добавить.

2. Для использования Polygon как минимум необходимо добавить токены MATIC и пополнить баланс  – они потребуются для оплаты комиссий сети. Trustee хорош тем, что вы можете купить MATIC, ETH и некоторые другие активы прямо в приложении.

Для этого перейдите в раздел «Обменник», выберите валюту, цифровой актив для покупки и способ оплаты. Затем нажмите «Укажите детали» и следуйте дальнейшим инструкциям, чтобы купить криптовалюту.

3. После того как вы пополнили кошелек токенами MATIC, вы можете начать использовать DApps в сети Polygon, список которых найдете на оригинальном сайте. Чтобы использовать блокчейн-приложение, нужно к нему подключиться.
4. Подключение к DApp.

Выберите любое приложение, например, ChainSwap на Poly Network — агрегатор, в котором вы можете перевести активы между сетями Ethereum, Fantom, BSC, Boba Network и другими. Чтобы подключить кошелек, углу кликните по кнопке «Connect Wallet» в правом верхнем углу и выберите WalletConnect. Эта функция позволяет быстро законнектить мобильный кошелек с блокчейн-платформой по методу Air-Gapped — безопасное бесшовное подключение, исключающее ошибку в адресе и его подмену.

Сканируйте QR-через приложение, чтобы подключиться.

Готово! Теперь вы можете совершать любые операции, если они доступны на платформе — предоставлять ликвидность, стейкать токены, торговать, покупать и продавать NFT и так далее. Например, через кроссчейн-мост ChainSwap вы можете перевести монеты ETH из сети Ethereum в Polygon.

Перспективы решений масштабирования второго уровня для ETH

Популярность решений второго уровня для Ethereum стремительно набирает обороты. Например, только TVL Polygon за год вырос примерно в 1110 раз – с $4,9 млн до $5,44 млрд согласно данным сервиса Defi Llama.

Однако перспективы протоколов для масштабирования Ethereum во многом зависят от результатов разработки обновления ведущего блокчейна со смарт-контрактами. Как заявляют разработчики, пропускная способность обновления Ethereum может достигнуть 100 000 транзакций в секунду.

Если апдейт оправдает ожидания пользователей в плане производительности и безопасности, а комиссии станут очень низкими, востребованность L2-решений может резко сократиться.

Если у вас есть идеи, вопросы или желание поделиться собственным уникальным опытом использования L2-решений для Ethereum, пишите в наш чат или оставляйте комментарии здесь!