Масштабируемость блокчейна: сравнение базовых сетей и дополнительных решений

Почему важна скорость транзакций

Технология блокчейн произвела революцию в способах регистрации, проверки и отслеживания информации в корпоративных сетях. Ее преимущества очевидны: повышенная безопасность, неоспоримая прозрачность и снижение операционных затрат. Однако существует критический барьер, мешающий массовому принятию: способность обрабатывать транзакции. В то время как традиционные системы выполняют тысячи операций в секунду, сети блокчейн сталкиваются с серьезными узкими местами. Именно здесь возникают два основных подхода к решению этой дилеммы: оптимизация базового слоя (Layer 1) или создание параллельных решений (Layer 2).

Основная трилемма блокчейна

Виталик Бутерин, создатель Ethereum, популяризировал важную концепцию: невозможно одновременно достичь трех ключевых характеристик — полной децентрализации, надежной безопасности и высокой пропускной способности. Любая сеть вынуждена идти на компромиссы. Bitcoin ставит приоритет на безопасность и децентрализацию, жертвуя скоростью. Некоторые новые Layer 1 ищут баланс, в то время как другие Layer 2 сосредоточены на производительности, делегируя безопасность базовой сети.

Понимание этой реальности важно для осознания, почему существует множество решений, а не одно универсальное.

Понимание Layer 1: основа

Что определяет сеть Layer 1

Блокчейн Layer 1 — это полностью автономная сеть, которая управляет своей безопасностью, проверкой транзакций и хранением данных. Bitcoin и Ethereum — яркие примеры. Все критические компоненты — распределенное согласие, выполнение контрактов, доступность данных — находятся внутри нее. Когда вы совершаете транзакцию напрямую в Bitcoin или Ethereum, вы взаимодействуете с Layer 1.

Вызов очевиден: чем более децентрализована и безопасна сеть, тем медленнее она обрабатывает транзакции. Bitcoin подтверждает около 7 транзакций в секунду, Ethereum до Ethereum 2.0 — около 30 транзакций в секунду. Эта ограниченность привела к разработке сложных методов оптимизации.

Методы оптимизации внутри Layer 1

Шардинг: делим для победы

Вдохновленный архитектурами распределенных баз данных, шардинг разбивает сеть на меньшие части — «шарды». Каждый шард обрабатывает транзакции одновременно, параллельно, увеличивая общую пропускную способность. Если 64 шарда работают синхронно, сеть способна в 64 раза больше транзакций. Zilliqa реализует «шардинг по транзакциям», группируя транзакции в пакеты, обрабатываемые разными шардерами. Вызов? Обеспечить эффективную коммуникацию между шардами без создания чрезмерной задержки.

Изменение механизма консенсуса

Proof of Work (PoW), используемый Bitcoin, требует огромных вычислительных ресурсов для подтверждения блоков. Proof of Stake (PoS) заменяет майнинг валидаторами, которые ставят гарантии в сети. Результат: потребление энергии сокращается на 99%, увеличивается пропускная способность. Ethereum 2.0 после «The Merge» полностью перешел на PoS. Cardano использует Ouroboros PoS, Algorand — чистый PoS, Fantom реализует aBFT (Асинхронная толерантность к Byzantine Faults). Все достигают большего throughput при меньших затратах.

SegWit: оптимизация структуры данных

SegWit (Segregated Witness) в Bitcoin не увеличивает напрямую емкость, но значительно улучшает. Разделяя цифровые подписи и данные транзакции, он уменьшает размер каждой транзакции примерно на 65%. Блок в 1 МБ может содержать больше транзакций, ускоряя расчет и снижая комиссии. Совместим с предыдущими версиями — старые узлы продолжают работать.

Преимущества решений Layer 1

Без отдельной инфраструктуры

В отличие от Layer 2, который требует дополнительных цепочек или параллельных систем, Layer 1 меняет базовый протокол. Это означает отсутствие сложностей с мостами, переносами между цепочками. Все происходит нативно.

Полная безопасность

Все транзакции используют мощь полного консенсуса сети. Нет зависимости от третьих лиц или специализированных валидаторов. Децентрализация сохраняется.

Постоянное воздействие

Улучшения Layer 1 — структурные. После внедрения они навсегда приносят пользу сети. Они снижают заторы и комиссии устойчиво.

Реальные ограничения

Физические ограничения узлов

Каждый узел сети хранит полную историю транзакций. По мере роста блокчейна требования к хранению и пропускной способности увеличиваются. Не все могут запускать полный узел, что снижает децентрализацию.

Затор между шардами

Шардинг создает новую проблему: транзакции, затрагивающие несколько шарда, требуют коммуникации между ними, вызывая задержки. Подтверждение межшардовых транзакций занимает больше времени и потребляет больше пропускной способности.

Дилемма майнера

Переход с PoW на PoS устраняет необходимость майнинга. Валидаторы получают вознаграждения, но экосистема майнинга сокращается, что потенциально снижает безопасность из-за меньшей децентрализации.

Стратегическая роль Layer 2

Центральная идея

Любая технология, работающая поверх блокчейна Layer 1 для добавления функций, считается Layer 2. Она не заменяет базу, а дополняет ее. Layer 2 обрабатывает транзакции вне основной цепи и периодически «распределяет» результат на Layer 1, наследуя его безопасность.

Это отличается от сайдчейнов, которые имеют независимую безопасность (часто слабее).

Основные архитектуры

Rollups: сжатие данных

Rollups выполняют сотни транзакций вне цепи, а затем отправляют один «сжатый пакет» на Layer 1. Это уменьшает объем данных подтвержденных транзакций в 10-100 раз. Есть два типа:

• Optimistic Rollups: предполагают, что транзакции валидны по умолчанию. Если кто-то оспаривает, сеть проверяет. Arbitrum и Optimism используют это.
• ZK Rollups: создают математические доказательства, что транзакции валидны, перед отправкой, исключая период оспаривания.

Каналы состояния

Два пользователя «открывают канал» вне сети. Они совершают сколько угодно транзакций между собой, регистрируя только начальный и конечный баланс в Layer 1. Lightning Network Bitcoin — отличный пример: мгновенные микроплатежи с минимальными комиссиями. Strike позволяет отправлять USD на любой телефон по всему миру за секунды.

Сайдчейны

Независимые блокчейны, соединенные через двунаправленный мост. Могут быть оптимизированы под конкретные задачи — скорость для игр, приватность для финансов, нулевые комиссии для DeFi. Polygon PoS, Skale и Rootstock — примеры. Пользователи должны доверять безопасности сайдчейна, а не только Layer 1.

Конкретные примеры

Arbitrum

На базе Ethereum, использует Optimistic Rollups для обработки транзакций в 10 раз быстрее и с комиссиями на 90% ниже. Его нативный токен ARB управляет платформой как DAO. Хостит сотни dApps.

Optimism

Также Layer 2 Ethereum с optimistic rollups. В его экосистеме — 97 протоколов — Uniswap, Synthetix, Velodrome — с более чем $500 миллионов в общей заблокированной стоимости. Добавление сети в MetaMask — проще простого.

Lightning Network

Преобразует Bitcoin из медленной валюты в цифровые деньги peer-to-peer. Nostr, децентрализованная социальная сеть, интегрирует Lightning для микроплатежей. OpenNode позволяет продавцам принимать Bitcoin с почти мгновенной ликвидностью.

Polygon

Позиционируется как «интернет блокчейнов» — множество цепочек, совместимых с Ethereum, свободно обменивающихся ценностью. Общая стоимость в DeFi достигла ~$1,3 миллиарда в июне 2023. Compound и Aave работают на нем. Торговля NFT с минимальными комиссиями. Polygon Studios (основан июль 2021) переводит игры Web 2 в Web 3.

Преимущества Layer 2

Взрывная производительность

Транзакции Layer 2 подтверждаются за миллисекунды, а не за минуты. Это позволяет реализовать ранее невозможные приложения — частую торговлю, игры в реальном времени, постоянные микроплатежи.

Сниженные издержки

Не обрабатывая всю транзакцию в Layer 1, комиссии падают. Операции, стоившие $10-50 в Ethereum, в Arbitrum или Optimism — всего несколько центов.

Наследованная безопасность

Layer 2 не создает новую безопасность; использует безопасность Layer 1. Все транзакции можно проверить в базе, сохраняя гарантии.

Без потери функциональности

dApps работают одинаково на Layer 1 и Layer 2. Сложные смарт-контракты, продвинутый DeFi — все функционирует. Просто быстрее и дешевле.

Критические недостатки

Фрагментация ликвидности

Когда пользователи распределяют капитал между несколькими Layer 2, рынки истощаются. Ethereum нуждается в концентрированной ликвидности для устойчивого DeFi. Распыление между Arbitrum, Optimism, Polygon снижает ликвидность.

Ограниченная межоперабельность

Приложение на Arbitrum не может напрямую вызвать приложение на Optimism. Требуется мост, что добавляет задержки и риски. Это мешает композиции, краеугольному камню DeFi.

Операционная сложность

Пользователи должны перемещать токены между Layer 1 и Layer 2. Требуются множественные транзакции, разные кошельки, понимание работы мостов. Фрикции много.

Зависимость от Layer 1

Если Layer 1 перегружена, Layer 2 тоже страдает — не может быстро ликвидировать транзакции. Layer 2 — только настолько быстрый, насколько позволяет его база.

Прямое сравнение: Layer 1 vs Layer 2

Грустная правда? Обе нужны. Layer 1 — надежная основа. Layer 2 — увеличивает полезность. Это не или/или, а и/и.

Трансформирующее влияние Ethereum 2.0

Ethereum 2.0 — важный переломный момент. Полный переход на PoS и внедрение шардинга обещают 100 000 транзакций в секунду — не 30. Это решит многие проблемы Layer 1.

Но это не делает Layer 2 устаревшей. Почему? Ограниченная композиция. Даже с Ethereum 2.0 разные цепочки не взаимодействуют идеально. Layer 2 по-прежнему открыты для экспериментов и оптимизаций.

Ethereum 2.0 снижает срочность, но не устраняет необходимость.

Практические применения, меняющие отрасли

Децентрализованные финансы (DeFi)

MakerDAO создает DAI — стейблкоин, обеспеченный Ether — через смарт-контракты Ethereum. Система работает, но комиссии съедают маржу при мелких сделках. Polygon позволяет делать то же самое с в 100 раз меньшими затратами. Compound и Aave реализуют это на Layer 2, расширяя доступ.

Платежи и переводы

Lightning Network превращает Bitcoin в платежную валюту. Розничные торговцы принимают BTC без ожидания 10 минут — Lightning подтверждает за секунды. Strike позволяет отправлять USD на любой телефон по всему миру с комиссиями ниже банковских.

Игры и NFT

Polygon Studios стимулирует переход игр. Сниженная задержка и минимальные издержки делают возможной внутриигровую экономику. Покупка скина за 0,5 MATIC (~$0,25) вместо $5. Торговля NFT на Polygon стоит копейки, делая рынки, невозможные на Layer 1.

Постоянные инновации

Следующие поколения исследуют гибридные подходы — сочетание Layer 1 и Layer 2 для оптимальной работы. LayerZero, например, позволяет приложениям использовать сразу несколько цепочек, выбирая, где выполнять каждую функцию.

Горизонт будущего

Неизбежное слияние. Сети Layer 1 продолжат оптимизировать — шардинг, улучшение консенсуса, снижение бремени. Layer 2 будет расти — каждая под свою задачу.

Типичный пользователь? Не будет знать, на каком слое он работает. Интуитивный интерфейс скроет сложность. Он выберет по скорости/затратам, а не по архитектуре.

Массовое внедрение требует этого: невидимая технология, интуитивная производительность, пренебрежимо низкие издержки. Блокчейн движется в этом направлении. Layer 1 создает непоколебимый фундамент. Layer 2 умножает его полезность. Вместе они приближаются к решению трилеммы — сосуществуют децентрализация, безопасность и масштабируемость.

Мы еще в начале этого пути. Возможности кажутся безграничными.