Skalowanie drugiego poziomu dla Ethereum

Koncepcja platformy Ethereum została zaproponowana w 2013 roku, a sieć została uruchomiona 30 lipca 2015 roku. W tamtym czasie kryptowaluty były rzadkie, używane przez niewielką liczbę entuzjastów i były tanie, więc opłaty sieciowe były nieznaczne.

Wraz ze wzrostem liczby aktywnych użytkowników, problemy ze skalowaniem Ethereum, które skutkowały długimi czasami potwierdzeń i wysokimi kosztami transakcji, stały się bardziej krytyczne, co doprowadziło do powstania rozwiązań drugiego poziomu.

W tym artykule omówimy 1-warstwowe i 2-warstwowe rozwiązania do skalowania Ethereum. Dowiesz się, czym są rozwiązania do skalowania kryptowalut lvl1 i lvl2, na jakie typy się dzielą, jakie są między nimi różnice i jak z nich korzystać, aby zaoszczędzić na transakcjach.

Problem skalowalności Ethereum

Sieć Ethereum istnieje od nieco mniej niż 9 lat i chociaż Ethereum (15 transakcji na sekundę) jest lepsze od sieci Bitcoin (7 transakcji na sekundę), platforma nie może nawet zbliżyć się do konkurowania z tradycyjnymi systemami płatności, takimi jak Visa, która przetwarza około 1700 transakcji na sekundę.

Faktem jest, że liczba transakcji przeprowadzanych przez sieć jest ograniczona pojemnością łańcucha bloków. Jest to główna przeszkoda w skalowaniu Ethereum. Dlatego sieć pozostaje taka sama pod względem przepustowości. Czas weryfikacji jednego bloku waha się od 13 do 14 sekund i nie może się znacząco różnić.

Limit rozmiaru bloku

Liczba transakcji, które mogą zmieścić się w jednym bloku, jest określana przez parametr Gas Limit, który jest liczbą jednostek gazu ("paliwa" dla transakcji) wymaganych do przeprowadzenia jednej transakcji użytkownika. Więcej o gazie w kryptowalutach pisaliśmy w osobnym artykule.

Magia polega na tym, że wszystkie transakcje są różne i wymagają innej liczby jednostek gazu, więc sieć Ethereum wprowadziła dodatkowy parametr - cenę gazu, która jest mierzona w gwei. Walidatory wybierają transakcje do potwierdzenia według priorytetu ze specjalnej kolejki, mempool, w oparciu o zasadę, że najwyższa oferta zostanie potwierdzona jako pierwsza. Wszystkie transakcje, które nie zostały uwzględnione w bieżącym bloku, pozostają w mempool i czekają na swoją kolej. Co więcej, jeśli wysłałeś transakcję do sieci przed innym użytkownikiem, ale zapłacił on wyższą opłatę, jego transakcja może zostać potwierdzona przed twoją.

Wcześniej limit gazu dla jednego bloku był ograniczony do 10 milionów jednostek, ale po londyńskim hard forku został zwiększony do 30 milionów. Minimalny limit gazu dla pojedynczej transakcji wynosi 21 000 jednostek. Aby obliczyć maksymalną pojemność bloku, można użyć prostego obliczenia:

Limit gazu może się jednak różnić w zależności od rodzaju transakcji, na przykład transakcja transferu USDT ERC-20 wymaga 71 000 gazu, podczas gdy prosta transakcja wykonania inteligentnego kontraktu wymaga średnio 210 000. Tak więc, przy ograniczonym rozmiarze bloku (30 milionów jednostek), liczba transakcji w bloku może się różnić, a co za tym idzie, cena gazu również może się różnić.

Jeśli chcesz, aby transakcja przebiegła szybko, powinieneś ustawić cenę gazu tak, aby była aktualna, a w czasach dużej zmienności rynku, nawet z marżą.

Niemożność skalowania Ethereum

Niestety, protokół Ethereum początkowo nie przewidywał mechanizmu skalowania, a wzrost liczby górników nie przyspieszał sieci - miało to na celu zapewnienie, że stopa inflacji monet ETH nie wzrośnie. Mechanizm ten uniemożliwił rozbudowę sieci ETH w jej poprzednim stanie. Dlatego też pojemność blockchaina pozostała w przybliżeniu taka sama.

Aktualizacja Ethereum

Aby umożliwić ekspansję Ethereum, deweloperzy zdecydowali się wydać aktualizację Ethereum 2.0, która wykorzystuje mechanizm segmentacji sieci na 64 niezależne blockchainy zdolne do równoległego przetwarzania transakcji. Sama sieć przeszła z konsensusu Proof-of-Work (PoW) na Proof-of-Stake (PoS).

Należy pamiętać, że aktualizacja Ethereum jest rozszerzeniem poprzedniej sieci, stworzonym w celu umożliwienia skalowania platformy, a nie nową oddzielną siecią. Jest to jeden z powodów, dla których deweloperzy porzucili terminy Eth 1.0 i Eth 2.0: wielu użytkowników myślało, że po aktualizacji pojawią się inne monety, ale tak się nie stało. Jednak oszuści szybko się zorientowali i zaczęli wykorzystywać ten błąd do oszukiwania łatwowiernych użytkowników.

Jednak zarówno wcześniej, jak i teraz, jedynym sposobem na zaoszczędzenie na prowizjach jest skorzystanie z rozwiązania do skalowania Ethereum drugiego poziomu. Wynika to z ciągłego wzrostu liczby użytkowników i, odpowiednio, transakcji.

Jaka jest różnica między L1 i L2?

Przyjrzyjmy się ich różnicom na przykładzie sieci Bitcoin. Prawdopodobnie słyszałeś o uruchomieniu Lightning Network (LN), rozwiązania do skalowania protokołu Bitcoin, które umożliwia tworzenie kanałów płatności między użytkownikami i dokonywanie natychmiastowych, tanich transakcji.

Tak więc Bitcoin jest główną siecią, a rozwiązanie pierwszego poziomu (L1 lub Layer-1) jest zasadniczo ulepszeniem samej sieci. Przykładem takiego ulepszenia jest Taproot, aktualizacja sieci Bitcoin aktywowana w listopadzie 2021 roku.

W przypadku Ethereum rozwiązaniem pierwszego poziomu byłby na przykład londyński hard fork (EIP-1559), który nieznacznie zmienił system płatności prowizji i dodał nowy mechanizm spalania tokenów, a także "bombę złożoności". Aktualizacja Ethereum jest również rozwiązaniem L1, ponieważ zmieniła algorytm konsensusu na PoS i dodała mechanizm segmentacji łańcucha bloków.

Lightning Network to rozwiązanie drugiego poziomu (L2 lub Layer-2), które jest jednym ze sposobów skalowania sieci L1. Oznacza to, że LN jest zbudowany na blokach Bitcoina, tj. jako druga warstwa sieci, dlatego Lightning Network nazywany jest rozwiązaniem L2.

Dlaczego łańcuchy bloków potrzebują rozwiązań Layer 2 i jakie problemy one rozwiązują?

Łańcuchy bloków warstwy 2 pełnią kilka przydatnych funkcji:

Skalowanie sieci. Dodanie oddzielnej sieci zwiększy ogólną przepustowość. Rozwiązania L2 przetwarzają więcej transakcji w tym samym czasie. Jeśli Ethereum przetwarza tylko 15 transakcji na sekundę, dodanie nowego blockchaina podwoi lub zwiększy przepustowość w zależności od wydajności sieci L2.

Zwiększona szybkość przetwarzania transakcji i niższe prowizje. Wydajność sieci zbudowanej na głównym blockchainie znacznie wzrośnie dzięki skalowaniu, co przełoży się na szybsze potwierdzanie transakcji i niższe opłaty.

Zmniejszenie obciążenia głównej sieci. Jednocześnie rozwiązania warstwy 2 "sprzątają kurz" Ethereum, tj. wiele małych transakcji. Wraz z pojawieniem się sieci warstwy 2, niektórzy użytkownicy przejdą na blockchain innej firmy, co odciąży główną sieć: transakcje staną się szybsze, a koszt opłat spadnie.

Tworzenie rozwiązań zgodnych z EVM dla różnych przypadków użycia. Wszystkie rozwiązania L2 działają na maszynie wirtualnej Ethereum, która umożliwia tworzenie wielu łańcuchów w celu rozwiązywania wysoce wyspecjalizowanych zadań, takich jak gry blockchain lub pharming. Jednocześnie łańcuchy bloków mogą wchodzić ze sobą w interakcje: właściwość ta nazywana jest interoperacyjnością.

Zabezpieczenie. Stworzenie kilku interoperacyjnych blockchainów sprawia, że ekosystem jest bardziej zdecentralizowany i bezpieczny. Innymi słowy, włamanie lub awaria jednej z sieci nie wpłynie na działanie pozostałych.

Przykłady rozwiązań Layer 2 dla Ethereum

Sieci L2 przyciągnęły uwagę wielu użytkowników ze względu na fakt, że stały się rozwiązaniem problemu skalowania Ethereum związanego z niską prędkością i wysokim kosztem transakcji ETH, co stało się krytyczne dla użytkowników kryptowalut.

Polygon (MATIC)

Sieć Polygon jest jednym z najbardziej znanych i popularnych rozwiązań drugiego poziomu dla Ethereum. Nazywana jest również "internetem blockchainów na Ethereum". Platforma zapewnia narzędzia i komponenty do rozwoju interoperacyjnych łańcuchów bloków, które nie tylko służą jako pomosty do komunikacji między zdecentralizowanymi sieciami, ale także zapewniają elastyczność i bezpieczeństwo Ethereum.

Polygon zajmuje 11. miejsce na liście Defi Llama pod względem kwoty zablokowanych środków (TVL), która przekracza 877 milionów dolarów, ustępując jedynie największym blockchainom, takim jak Ethereum, BSC, Solana i Arbitrum.

Cechą odróżniającą Polygon od innych rozwiązań L2, które zostaną omówione w tym artykule, jest obecność natywnego tokena MATIC, który jest generowany przez staking i wykorzystywany do wielu operacji na platformie.

Immutable-X

Jest to pierwsze rozwiązanie L2 do skalowania Ethereum przy użyciu niewymienialnych tokenów (NFT). Inną charakterystyczną cechą platformy Immutable-X jest natychmiastowe potwierdzenie sieci i zerowa opłata za gaz, co czyni ją jednym z najbardziej wydajnych i skalowalnych rozwiązań drugiego poziomu.

Inne sieci 2-warstwowe wykorzystują rollupy - inteligentne kontrakty, które weryfikują transakcje najpierw w partiach, a nie indywidualnie poza blockchainem Ethereum, które po weryfikacji są wysyłane jako minimalny zestaw danych do głównej sieci przechowującej informacje o transakcjach. Są one podzielone na dwie kategorie:

• Optymistyczne rollupy (Optimistic rollups) - transakcje są domyślnie uznawane za ważne, dopóki nie zostaną zakwestionowane. Stąd też pochodzi ich nazwa.
• Zero knowledge rollups lub ZK-rollups - rollupy, które również generują dane wsadowe z transakcjami, ale opierają się na dowodach zerowego ujawnienia (zk-SNARK).

X-Dai

Łańcuch boczny utworzony na blockchainach Ethereum i Gnosis Chain. X-Dai zmniejsza koszty użytkownika i czas przetwarzania transakcji oraz wykorzystuje mechanizm konsensusu Proof-of-Stake, umożliwiając wysyłanie natywnych tokenów xDAI do stakingu, które są stablecoinami. W swojej istocie X-Dai jest jedynym rozwiązaniem L2 dla Ethereum, które obsługuje staking stablecoinów i jednym z niewielu w całym ekosystemie DeFi.

Rozwiązania wykorzystujące "optymistyczne rollupy"

Czas oczekiwania na potwierdzenie transakcji w takich rozwiązaniach może być dłuższy niż w podejściu zero disclosure proof-of-work (zk-SNARK), ponieważ transakcje mogą być kwestionowane. Mechanizm ten wykorzystuje zachęty, karząc za oszustwa i nagradzając dowody winy.

Jednym z głównych problemów "optymistycznych rollupów" jest potrzeba zaufania do walidatorów potwierdzających transakcje. Jeśli walidatorzy zmówią się w wyniku ataku hakerskiego i nikt tego nie zakwestionuje, ich transakcje zostaną uznane za ważne i wysłane do pierwszego poziomu (głównej sieci Ethereum).

Arbitrum

Drugim najpopularniejszym rozwiązaniem L2 jest sieć Arbitrum, która zapewnia deweloperom funkcje łatwego i szybkiego wdrażania inteligentnych kontraktów na Ethereum. Zgodnie z oświadczeniem deweloperów na oficjalnej stronie internetowej, pierwszą aplikację można uruchomić w ciągu 5 minut. Sieć Arbitrum składa się z trzech głównych komponentów:

• Compiler - kompilator DApps.
• EthBridge - most blockchain między Ethereum a innymi sieciami.
• Validators - walidatory przetwarzające transakcje.

Arbitrum wykorzystuje optymistyczne rollupy, technologię agregacji transakcji w łańcuchu bocznym. Wykonują one obliczenia w oparciu o dowody oszustwa. Oznacza to, że partie transakcji zostaną uznane za ważne, jeśli nie zostaną zakwestionowane w ciągu tygodnia.

Optimism

Kolejne alternatywne rozwiązanie, które podobnie jak Arbitrum wykorzystuje optymistyczne rollupy do weryfikacji transakcji. Istotną różnicą między Optimism i Arbitrum jest sposób, w jaki platformy rozwiązują spory w drugiej warstwie łańcucha bloków.

Aby obliczyć sporną transakcję i rozwiązać problem, sieć Optimism musi przesłać dużą ilość danych z warstwy 2 do warstwy 1, podczas gdy Arbitrum podzieli wyzwanie, aż pakiet danych będzie wystarczająco mały, aby można go było szybko wysłać i potwierdzić w warstwie 1. Takie podejście przyczynia się do mniejszego obciążenia głównej sieci Ethereum.

Pod względem kapitalizacji rozwiązanie Optimism jest znacznie gorsze od Arbitrum, którego TVL sięga 866 milionów dolarów.

Boba

Sieć Boba to sieć L2 zbudowana na Ethereum, która zmniejsza opłaty za gaz, zwiększa przepustowość transakcji i zwiększa możliwości inteligentnych kontraktów. Sieć Boba została opracowana przez jeden z zespołów OmiseGo Foundation (OMG).

Rozszerzalne inteligentne kontrakty Boba dają programistom możliwość tworzenia aplikacji działających w ramach sieci Web, takich jak AWS Lambda. Pozwala to na wykorzystanie algorytmów, które są uważane za zbyt drogie lub niewykonalne na blockchainie.

Fuel Network

Fuel to odporny na cenzurę, zoptymalizowany, niewymagający zezwoleń, pozbawiony zaufania protokół drugiej warstwy dla sieci Ethereum o maksymalnej przepustowości do 1000 transakcji na sekundę. Rozwiązanie wykorzystuje model UTXO i unikalną funkcję ochrony przed oszustwami, która zmniejsza opóźnienia w potwierdzeniach transakcji, takich jak te z Optimism.

Cartesi

Autonomiczna zdecentralizowana platforma zbudowana na blockchainie Ethereum. Cartesi jest wyjątkowa, ponieważ umożliwia uruchamianie DApps zweryfikowanych na blockchainie w systemie operacyjnym Linux z obsługą odpowiednich stosów oprogramowania. Platforma wydała również natywny token CTSI, dla którego dostępny jest staking.

Rozwiązania wykorzystujące ZK-rollups

Podczas korzystania z rozwiązania proof-of-work zk-Snarks, transakcje są potwierdzane natychmiast, więc nie ma opóźnień podczas przenoszenia pakietów z L2 do L1. Ponadto, rollupy ZK optymalizują dane poprzez zmniejszenie rozmiaru transakcji. Na przykład, zamiast długiego adresu, używają indeksów, zmniejszając rozmiar transakcji z 32 do 4 bajtów.

Nie będziemy szczegółowo skupiać się na rozwiązaniach L2 wykorzystujących ZK rollups, a jedynie pokrótce je opiszemy:

• Loopring to wydajne rozwiązanie L2 do handlu, zapewniania płynności i płatności kryptowalutowych.
• StarkWare to ekosystem DApps drugiego poziomu dla Ethereum. Platforma StarkWare oferuje obecnie dwie linie produktów: StarkNet SDK do rozwoju DApps oraz samodzielne rozwiązania SaaS StarkEx do emisji NFT, handlu krypto-pochodnymi i uruchamiania protokołów AMM.
• zkSync to protokół firmy Matter Labs, który jest wyjątkowy, ponieważ walidatory przetwarzające transakcje zastępują obliczenia matematyczne. Lista inwestorów i partnerów rozwiązania jest szczególnie imponująca, w tym Coinbase, Binance, Curve, Aave, Balancer, 1inch, Huobi, MoonPay i wiele innych.
• Aztec 2.0 to poufny protokół warstwy 2, który szyfruje kwoty transakcji, a także adresy nadawcy i odbiorcy, zwiększając anonimowość użytkowników.
• Polygon Hermez to sieć L2 do wygodnych i niedrogich transferów kryptowalut, która zmniejsza koszt transakcji ETH o ponad 90%. Przepustowość protokołu sięga 2000 transakcji na sekundę. Pomimo swojej nazwy, nie ma on nic wspólnego z rozwiązaniem MATIC firmy Polygon, które nie wykorzystuje ZK-rolls.
• zkTube to pierwszy protokół wydobywczy L2 z dodatkową prywatnością, bezpieczeństwem i wysoką przepustowością.

Jak korzystać z rozwiązania Layer 2, aby zaoszczędzić na transakcjach?

Po pierwsze, potrzebny będzie portfel kryptowalutowy obsługujący wybraną sieć L2, taką jak Polygon, Arbitrum lub Optimism. Na przykład Trustee Wallet obsługuje protokół Polygon. Pokażemy, jak korzystać z rozwiązania drugiego poziomu na jego przykładzie.

1. Zainstaluj aplikację i utwórz portfel.

Aby utworzyć portfel, należy zapisać frazę seed. Jeśli ją zgubisz, nie będziesz w stanie przywrócić dostępu do swoich środków, jeśli zapomnisz hasła lub zgubisz urządzenie, na którym zainstalowana jest aplikacja.

Aby dodać sieć Polygon, kliknij przycisk "Dodaj aktywo", wpisz "Polygon" w pasku wyszukiwania i wybierz MATIC lub inne tokeny, które chcesz dodać.

2. Aby korzystać z Polygon, będziesz musiał dodać tokeny MATIC i przynajmniej doładować saldo - będą one potrzebne do uiszczenia opłat sieciowych. Fajną rzeczą w Trustee jest to, że możesz kupić MATIC, ETH i kilka innych aktywów bezpośrednio w aplikacji.

Aby to zrobić, przejdź do sekcji "Wymiennik", wybierz walutę, cyfrowe aktywa do kupienia i metodę płatności. Następnie kliknij "Wprowadź szczegóły" i postępuj zgodnie z instrukcjami, aby kupić kryptowalutę.

3. Po dodaniu monet MATIC do portfela można rozpocząć korzystanie z DApps w sieci Polygon, których listę można znaleźć na oryginalnej stronie internetowej. Aby korzystać z aplikacji blockchain, należy się z nią połączyć.

4. Połącz się z DApp.

Wybierz dowolną aplikację, na przykład ChainSwap. Aby podłączyć portfel, kliknij przycisk "Connect Wallet" w prawym górnym rogu i wybierz WalletConnect. Funkcja ta umożliwia szybkie połączenie portfela mobilnego z platformą blockchain przy użyciu metody Air-Gapped - bezpiecznego, bezproblemowego połączenia, które uniemożliwia popełnienie błędu w adresie i jego zamianę.

Zeskanuj kod QR w aplikacji, aby się połączyć.

Gotowe! Teraz możesz wykonać dowolną operację, jeśli jest ona dostępna na platformie - zapewnić płynność, obstawiać tokeny, handlować, kupować i sprzedawać NFT itp. Na przykład za pośrednictwem mostu międzyłańcuchowego ChainSwap można przesyłać monety ETH z sieci Ethereum do Polygon.

Perspektywy dla rozwiązań skalowania drugiego poziomu dla ETH

Popularność rozwiązań drugiego poziomu dla Ethereum szybko nabiera tempa.

Perspektywy dla protokołów skalowania Ethereum w dużej mierze zależą jednak od wyników opracowania aktualizacji wiodącego blockchaina z inteligentnymi kontraktami. Według deweloperów, przepustowość aktualizacji Ethereum może osiągnąć 100 000 transakcji na sekundę.

Jeśli aktualizacja spełni oczekiwania użytkowników pod względem wydajności i bezpieczeństwa, a opłaty staną się bardzo niskie, popyt na rozwiązania L2 może gwałtownie spaść.