Розв'язання масштабування другого рівня для Ethereum

Концепт платформи Ethereum було запропоновано у 2013 році, а сама мережа запущена 30 липня 2015 року. У той час криптовалют було мало, користувалися ними нечисленні ентузіасти і коштували вони дешево, тому комісії мережі були незначними.

У міру зростання кількості активних користувачів проблеми масштабування Ethereum, що призводять до тривалого підтвердження і високої вартості транзакцій, ставали дедалі критичнішими, що призвело до створення рішень другого рівня.

У статті ми поговоримо про 1-layer та 2-layer рішення для масштабування Ethereum. Ви дізнаєтеся, що таке lvl1 та lvl2 рішення для масштабування криптовалют, на які види їх поділяють, у чому відмінності та як їх використовувати для економії на транзакціях.

Проблема масштабованості Ethereum

Мережа Ефіріуму існує трохи менше 9 років і хоча за продуктивністю Ethereum (15 транзакцій на секунду) перевершує мережу Bitcoin (7 транзакцій на секунду), платформа навіть близько не може конкурувати з традиційними платіжними системами, такими як Visa, яка обробляє близько 1700 транзакцій на секунду .

Справа в тому, що кількість транзакцій, що проводяться мережею, обмежена місткістю блоку. Це і є основним каменем спотикання для масштабування Ethereum. Тому мережа залишається такою ж щодо пропускної спроможності. Час валідації одного блоку варіюється між 13 та 14 секундами й не може значно відхилятися.

Обмеження розміру блоку

Кількість транзакцій, що вміщаються в один блок, визначається параметром Gas Limit (ліміт газу) — кількість одиниць газу («палива» для транзакцій), яка потрібна для проведення однієї транзакції користувача. Докладніше про газ у криптовалютах ми писали в окремій статті.

Магія в тому, що всі транзакції різні і вимагають різну кількість одиниць газу, тому в мережі Ethereum запроваджено додатковий параметр — ціна на газ, яка вимірюється у «гвеях» (gwei). Валідатори обирають транзакції для підтвердження за пріоритетом зі спеціальної черги — мемпулу (mempool), за принципом: хто більше заплатить, той першим і буде. Усі транзакції, які не потрапили до поточного блоку, залишаються в мемпулі чекати своєї черги. Причому якщо ви відправили до мережі транзакцію раніше за іншого користувача, але він заплатив більшу комісію, то його транзакцію можуть підтвердити раніше за вашу.

Раніше ліміт газу для одного блоку був обмежений 10 млн. одиниць, але після хардфорку London його кількість була збільшена до 30 млн. Мінімальний ліміт газу для однієї транзакції становить 21 000 одиниць. Шляхом нескладного підрахунку можна з'ясувати максимальну місткість блоку:

Однак ліміт газу може змінюватися залежно від типу транзакції, наприклад, транзакція для переказу USDT ERC-20 вимагає 71 000 газу, а транзакція виконання нескладного смарт-контракту — у середньому 210 000. Таким чином, при обмеженому розмірі блоку (30 млн одиниць), кількість транзакцій у блоці може змінюватись, а відповідно й ціна на газ теж.

Якщо ви хочете, щоб транзакція пройшла швидко, то вартість газу слід ставити актуальну, а в моменти високої волатильності ринку навіть із запасом.

Неможливість масштабування Ефіріум

На жаль, у протоколі Ethereum спочатку не було передбачено механізму для масштабування, а зростання кількості майнерів не прискорювало роботу мережі — це було зроблено для того, щоб темп інфляції монет ETH не зростав. Цей механізм унеможливлював розширення ETH-мережі в колишньому стані. Тому пропускна спроможність блокчейну залишалася приблизно однаковою.

Оновлення Ethereum

Щоб розширення Ефіріуму стало можливим, розробники вирішили випустити оновлення Ethereum 2.0, яке використовує механізм сегментування мережі на 64 незалежні блокчейни, здатні обробляти транзакції паралельно один одному. Сама мережа перейшла з консенсусу Proof-of-Work (PoW) на Proof-of-Stake (PoS). Детальніше про оновлення ми писали в іншій нашій статті.

Слід пам'ятати, що оновлення Ethereum — розширення колишньої мережі, створене для можливості масштабування платформи, а не нова окрема мережа. Це одна з причин, чому розробники відмовилися від термінів Eth 1.0 та Eth 2.0: багато користувачів думали, що після виходу оновлення будуть інші монети, але це не так. Зате шахраї швидко зметикували, і почали використовувати цю помилку для обману довірливих користувачів.

Але як раніше, так і зараз єдина можливість заощаджувати на комісіях — використовувати рішення масштабування другого рівня Ефіріуму. Це пов’язано з постійним зростанням кількості користувачів, а відповідно й транзакцій.

У чому різниця між L1 та L2?

Розгляньмо їх відмінності на прикладі мережі Bitcoin. Напевно ви чули про запуск Lightning Network (LN) — рішення для масштабування протоколу Bitcoin, що дозволяє створювати платіжні канали між користувачами та здійснювати миттєві дешеві транзакції. Про мережу LN ми писали в статті “Lightning Network: рішення для масштабування Bitcoin”.

Так ось, Bitcoin — це основна мережа, а рішення першого рівня (L1 або Layer-1), за своєю суттю, є покращенням самої мережі. Прикладом такого покращення є Taproot — оновлення мережі Біткоїна, активоване в листопаді 2021 року.

Для Ethereum рішенням першого рівня буде, наприклад, хардфорк London (EIP-1559), який трохи змінив систему оплати комісій і додав новий механізм спалювання токенів, а також заклав «бомбу складності». Оновлення Ethereum також є рішенням L1, оскільки змінило алгоритм консенсусу на PoS та додало механізм сегментування блокчейну.

Lightning Network є рішенням другого рівня (L2 або Layer-2) — один із способів масштабування L1-мережі. Це означає, що LN побудований поверх блоків Bitcoin, тобто як другий шар мережі, тому Lightning Network і називають рішенням L2.

Навіщо блокчейнам потрібні рішення рівня 2 та які проблеми вони вирішують?

Блокчейни Layer-2 виконують кілька корисних функцій:

Масштабування мережі. Додавання окремої мережі збільшить загальну пропускну спроможність. L2-рішення обробляють більше транзакцій за той самий проміжок часу. Якщо Ethereum обробляє лише 15 транзакцій на секунду, то додавання нового блокчейну збільшить пропускну спроможність вдвічі чи більше залежно від продуктивності L2-мережі.

Підвищення швидкості обробки транзакції та зменшення комісій. Продуктивність мережі, побудованої поверх головно блокчейну, шляхом масштабування значно збільшиться, внаслідок чого транзакції будуть підтверджуватись швидше, а коштуватимуть менше.

Зменшення навантаження на основну мережу. Водночас рішення другого рівня «очищають Ethereum від пилу», тобто безлічі невеликих транзакцій. З появою Layer-2 мереж частина користувачів перейде на сторонній блокчейн, завдяки чому основна мережа буде розвантажена: транзакції стануть швидшими, а вартість комісій знизиться.

Створення EVM-сумісних рішень для різних варіантів використання. Всі L2-рішення працюють на віртуальній машині Ефіріуму (Ethereum Virtual Machine), що дозволяє створювати безліч ланцюжків для вирішення вузькоспеціалізованих завдань, наприклад, блокчейн-ігор або фармінгу. При цьому блокчейни можуть взаємодіяти один з одним: ця властивість називається інтероперабельністю.

Сек'юритизація. Створення кількох сумісних блокчейнів робить екосистему децентралізованішою та безпечнішою. Інакше кажучи, злам чи збої однієї з мереж ніяк не вплинуть на роботу іншої.

Приклади рішень Layer-2 для Ethereum

L2-мережі привернули увагу безлічі користувачів завдяки тому, що вони стали вирішенням проблеми масштабування Ethereum, пов'язаної з низькою швидкістю і високою вартістю ETH-транзакцій, що стала критичною для користувачів криптовалют.

Polygon (MATIC)

Мережа Polygon — одне з найвідоміших і найзатребуваніших рішень другого рівня для Ethereum. Його також називають "інтернетом блокчейнів на Ethereum". Платформа надає інструменти та компоненти для розробки взаємосумісних блокчейнів, які не тільки служать мостами для зв'язку між децентралізованими мережами, але й забезпечують гнучкість та безпеку Ефіріуму.

Polygon займає 11-е місце в списку Defi Llama за сумою заблокованих коштів (TVL), яка перевищує $877 млн, поступаючись лише найбільшим блокчейнам, таким як Ethereum, BSC, Solana, Arbitrum.

Відмінна риса Polygon від інших L2-рішень, які будемо розглядати в цій статті, полягає в наявності нативного токена MATIC, котрий генерується шляхом стейкінгу та використовується для багатьох операцій на платформі.

Immutable-X

Це перше L2-рішення для масштабування Ethereum за допомогою невзаємозамінних токенів (NFT). Ще одна відмінна особливість платформи Immutable-X — миттєве підтвердження мережі та нульова плата за газ, що робить її одним із найбільш продуктивних та масштабованих рішень другого рівня.

Інші 2-Layer мережі використовують ролапи — смарт-контракти, що перевіряють транзакції спочатку пакетами, а не окремо поза блокчейном Ethereum, які після перевірки відправляються як мінімальний набір даних до головної мережі, що зберігає інформацію про транзакції. Вони поділені на дві категорії:

• Оптимістичні ролапи (Optimistic rollups) — транзакції за замовчуванням вважаються дійсними, поки їх не оскаржать. Звідси і випливає назва.

• Zero knowledge rollups або ZK-rollups — ролапи, що також формують пакетні дані з транзакціями, але покладаються на докази з нульовим розголошенням (zk-SNARK).

X-Dai

Сайдчейн, створений поверх блокчейнів Ethereum та Gnosis Chain. X-Dai зменшує витрати користувачів і час обробки транзакцій та використовує механізм консенсусу Proof-of-Stake, дозволяючи надсилати нативні токени xDAI в стейкінг, які є стейблкоїнами. За своєму суттю, X-Dai — єдине L2-рішення для Ethereum, що підтримує стейкінг стейблкоїнів і одне з небагатьох у всій екосистемі DeFi.

Рішення, що використовують «оптимістичні ролапи»

Час очікування підтвердження транзакцій у таких рішень може бути більшим, ніж при підході з доказом нульового розголошення (zk-SNARK), оскільки операції можуть бути оскаржені. Механізм використовує стимули, караючи за шахрайство і заохочуючи за докази провини.

Однією з головних проблем «оптимістичних ролапів» є необхідність довіри до валідаторів, що підтверджують транзакції. Якщо валідатори в результаті атаки хакерів вступлять у змову й ніхто це не оскаржить, то їх транзакції будуть вважатися дійсними і будуть відправлені на перший рівень (основну мережу Ethereum).

Arbitrum

Другим за популярністю L2-рішенням можна вважати мережу Arbitrum, яка надає розробникам функції для легкого та швидкого розгортання смарт-контрактів на Ethereum. За заявою розробників на офіційному сайті, свій перший застосунок можна запустити за 5 хвилин. Мережа Arbitrum складається з трьох основних компонентів:

• Compiler — компілятор DApps.

• EthBridge — блокчейн-міст між Ethereum та іншими мережами.

• Validators — валідатори, що обробляють транзакції.

Arbitrum використовує «оптимістичні ролапи» (optimistic rollups) — технологію агрегації транзакцій на сайдчейні. Вони виконують обчислення з урахуванням доказів шахрайства. Це означає, що пакети транзакцій вважатимуться дійсними, якщо їх не оскаржать протягом тижня.

Optimism

Ще одне альтернативне рішення, яке, як й Arbitrum, використовує оптимістичні ролапи для перевірки транзакцій. Істотна відмінність Optimism від Arbitrum полягає в тому, як платформи вирішують суперечки на другому рівні блокчейну.

Щоб обчислити спірну транзакцію та вирішити проблему, мережі Optimism необхідно перенести великий обсяг даних з Layer-2 на Layer-1, у той час як Arbitrum буде підрозділяти оскарження доти, доки пакет даних не стане настільки малим, що його можна буде швидко надіслати та підтвердити на Layer-1. Такий підхід сприяє меншому навантаженню основної мережі Ethereum.

Рішення Optimism щодо капіталізації суттєво поступається Arbitrum, TVL якого досягає $866 млн.

Boba

Boba Network — це 2L-мережа, побудована поверх Ефіріуму, яка знижує плату за газ, підвищує пропускну спроможність транзакцій та розширює можливості смарт-контрактів. Мережа Boba розроблена однією із команд фонду OmiseGo (OMG).

Розширювані смарт-контракти Boba дають розробникам можливість створювати застосунки, що виконуються на Web-scale, такому як AWS Lambda. Це дозволяє використовувати алгоритми, які вважаються занадто дорогими, або нездійсненними в блокчейні.

Fuel Network

Fuel — це стійкий до цензури оптимізований протокол другого рівня без дозволу та довіри для мережі Ethereum з максимальною пропускною спроможністю до 1000 транзакцій на секунду. Рішення використовує модель UTXO та унікальну функцію захисту від шахрайства, яка дозволяє скоротити затримки у підтвердженнях транзакцій, таких як в Optimism.

Cartesi

Автономна децентралізована платформа, створена поверх блокчейну Ethereum. Cartesi унікальний тим, що дозволяє запускати DApps, що перевіряються в блокчейні, на базі операційної системи Linux з підтримкою відповідних програмних стеків. Платформа також випустила нативний токен CTSI, для якого доступний стейкінг.

Рішення, які використовують ZK-rollups

При використанні рішення на основі доказу з нульовим розголошенням zk-Snarks транзакції підтверджуються відразу, тому при переміщенні пакетів L2 на L1 затримки відсутні. Крім того, ZK-ролапи оптимізують дані, зменшуючи розмір транзакцій. Наприклад, замість довгої адреси вони використовують індекси, скорочуючи розмір транзакції з 32 до 4 байтів.

Ми не сильно акцентуватимемо увагу і детально не розбиратимемо L2-рішення з використанням ZK-ролапів, а лише коротко їх опишемо:

• Loopring — ефективне L2-рішення для торгівлі, надання ліквідності та криптовалютних платежів.

• StarkWare — екосистема DApps другого рівня для Ethereum. Наразі на платформі StarkWare доступні два спектри продуктів — SDK для розробки DApps StarkNet та автономні SaaS-рішення StarkEx для випуску NFT, торгівлі криптодеривативами та запуску AMM-протоколів.

• zkSync — протокол від Matter Labs, унікальний тим, що валідатори, які обробляють транзакції, замінюють математичні обчислення. Особливо вражає список інвесторів та партнерів рішення, серед яких вважаються Coinbase, Binance, Curve, Aave, Balancer, 1inch, Huobi, MoonPay та багато інших.

• Aztec 2.0 — конфіденційний протокол другого рівня, який шифрує суми транзакцій, а також адреси відправників та одержувачів, підвищуючи анонімність користувачів.

• Polygon Hermez — L2-мережа для зручних і доступних переказів криптовалют, що дозволяє знизити вартість ETH-транзакцій більш ніж на 90%. Пропускна спроможність протоколу досягає 2000 транзакцій на секунду. Незважаючи на назву, вона не має нічого спільного з рішенням Polygon (MATIC), яке не використовує ZK-ролапи.

• zkTube — перший майнінговий L2-протокол з додатковою конфіденційністю, безпекою та високою пропускною спроможністю.

Як використовувати рішення 2 рівня для економії на транзакціях?

Для початку вам знадобиться криптогаманець, який підтримує обрану вами L2-мережу, таку як Polygon, Arbitrum або Optimism. Наприклад, Trustee Wallet підтримує протокол Polygon. Покажемо на його прикладі, як використовувати рішення другого рівня.

1. Встановіть застоснуок та створіть гаманець.

Для створення гаманця вам потрібно зберегти seed-фразу. Якщо ви її втратите, то не зможете відновити доступ до коштів, якщо забудете пароль або втратите пристрій, на якому встановлений застосунок.

Щоб додати мережу Polygon, натисніть кнопку "Додати актив", введіть у пошуковому рядку "Polygon" і виберіть MATIC або інші токени, які хочете додати.

2. Для використання Polygon як мінімум необхідно додати токени MATIC та поповнити баланс — вони будуть потрібні для оплати комісій мережі. Trustee крутий тим, що ви можете купити MATIC, ETH та деякі інші активи прямо в застосунку.

Для цього перейдіть до розділу "Обмінник", оберіть валюту, цифровий актив для покупки та спосіб оплати. Потім натисніть «Вкажіть деталі» і дотримуйтесь інструкцій, щоб купити криптовалюту.

3. Після того, як ви поповнили гаманець монетами MATIC, ви можете почати використовувати DApps у мережі Polygon, список яких знайдете на оригінальному сайті. Щоб використати блокчейн-застосунок, потрібно до нього підключитись.

4. Підключення до DApp.

Виберіть будь-який застосунок, наприклад, ChainSwap. Щоб підключити гаманець, клікніть по кнопці «Connect Wallet» у верхньому правому куті та виберіть WalletConnect. Ця функція дозволяє швидко законектити мобільний гаманець з блокчейн-платформою за методом Air-Gapped — безпечне безшовне підключення, що унеможливлює помилку в адресі та її заміну.

Скануйте QR через застосунок, щоб під’єднатись.

Готово! Тепер ви можете здійснювати будь-які операції, якщо вони доступні на платформі — надавати ліквідність, стейкати токени, торгувати, купувати та продавати NFT тощо. Наприклад, через кросчейн-міст ChainSwap ви можете переказати монети ETH з мережі Ethereum в Polygon.

Перспективи рішень масштабування другого рівня для ETH

Популярність рішень другого рівня для Ethereum стрімко набирає обертів.

Однак перспективи протоколів для масштабування Ethereum багато в чому залежать від результатів розробки оновлення провідного блокчейну зі смарт-контрактами. За словами розробників, пропускна спроможність оновлення Ethereum може сягнути 100 000 транзакцій на секунду.

Якщо апдейт виправдає очікування користувачів щодо продуктивності та безпеки, а комісії стануть дуже низькими, затребуваність L2-рішень може різко скоротитися.