Понимание архитектуры Блокчейн: Полное руководство по Уровню 0, 1 и 2

Технология Блокчейн напоминает лук — оба имеют отличительные слои, которые служат определённым целям. Давайте исследуем слоистую архитектуру Блокчейн, чтобы понять, как каждый компонент функционирует в этой революционной экосистеме.

Фонд: Блокчейн уровня 1

Уровень 1 представляет собой основную сеть блокчейна — основу, которая может независимо проверять и завершать транзакции, используя свою собственную инфраструктуру. Биткойн, Эфириум и Кардано являются примерами проектов блокчейна уровня 1.

Эти сети имеют свои собственные нативные токены (coins), которые пользователи должны использовать для оплаты транзакционных сборов при взаимодействии с Блокчейн.

Проблемы масштабирования на базовом уровне

Сети первого уровня часто сталкиваются с ограничениями масштабирования. Когда объем транзакций превышает мощность обработки, пользователи испытывают повышенные сборы и более медленные подтверждения.

Это испытание связано с тем, что Виталик Бутерин назвал Блокчейн-трилемой — трудным балансом между:

• Децентрализация (распределенный контроль сети)
• Безопасность (сопротивление атакам)
• Масштабируемость (пропускная способность транзакций)

Все решения по масштабированию должны учитывать компромиссы между этими тремя критически важными свойствами. Например, развертывание мощных суперузлов может увеличить емкость сети, но жертвует децентрализацией — фундаментальным принципом Блокчейна.

Подходы к масштабированию уровня 1

Базовые Блокчейны используют несколько стратегий для улучшения своей масштабируемости:

Расширение размера блока

Увеличение емкости блока позволяет обрабатывать больше транзакций за блок, но у этого подхода есть ограничения:

• Чрезмерно большие блоки требуют больше времени для загрузки
• Требования к пропускной способности сети существенно увеличиваются
• Барьеры участия узлов возрастают, что снижает децентрализацию

Оптимизация механизма консенсуса

Некоторые механизмы консенсуса масштабируются более эффективно, чем другие:

• Доказательство работы (, используемое Биткоином), обеспечивает надежную безопасность, но ограниченную пропускную способность.
• Доказательство доли (, принятое Ethereum и другими), обеспечивает лучшую масштабируемость с меньшими энергетическими затратами.

Имплементация шардирования

Шардинг делит данные блокчейна на управляемые сегменты, называемые "шардами", распределяя нагрузку по валидации по сети:

• Каждый узел обрабатывает только часть транзакций
• Обработанные шары транслируются в основную цепь для окончательной валидации
• Этот параллельный процесс значительно увеличивает пропускную способность транзакций

За пределами базового: Слои 2

Протоколы второго уровня функционируют поверх блокчейнов первого уровня, специально разработанные для решения ограничений масштабируемости. Эти решения создают вторичные структуры, которые обрабатывают транзакции "вне цепи" перед их закреплением на базовом уровне.

Технология второго уровня улучшает:

• Скорость транзакции: Сокращение времени подтверждения индивидуальных транзакций
• Пропускная способность транзакций: Увеличение емкости сети для обработки большего количества транзакций в секунду
• Экономическая эффективность: Снижение транзакционных сборов в период перегрузки сети

Стратегии реализации второго уровня

Несколько подходов позволяют решениям масштабирования второго уровня:

Платежные и государственные каналы

Каналы позволяют проводить несколько оффчейн-транзакций перед записью окончательного состояния в базовый слой:

• Платежные каналы сосредоточены исключительно на переводе стоимости между сторонами
• Государственные каналы поддерживают более широкие взаимодействия, включая операции смарт-контрактов.

Эти решения требуют, чтобы участники были известны сети и блокировали токены в многоподписных контрактах, ограничивая открытое участие.

Плазменные Фреймы

Разработанный Джозефом Пуном и Виталиком Бутериным, Plasma создает "дочерние цепочки", которые повторяют родительский Блокчейн:

• Умные контракты управляют отношениями между родительскими и дочерними цепями
• Транзакции происходят на дочерних цепочках, чтобы уменьшить загруженность основной сети
• Числовые древовидные структуры организуют и проверяют данные транзакций

Хотя Plasma эффективен для конкретных случаев использования, он сталкивается с ограничениями при сложных смарт-контрактах и требует периодов ожидания для вывода.

Решения для сайдчейнов

Сайдчейны функционируют как независимые блокчейны с собственными механизмами консенсуса, при этом сохраняя совместимость с основной цепочкой:

• Подключитесь к Уровню 1 через совместимые виртуальные машины
• Поддержка контрактов и транзакций, совместимых с родительской цепью
• Осуществлять операции с собственными параметрами безопасности и требованиями к блокам

Технология Роллапов

Роллапсы объединяют несколько оффчейн-транзакций в одну ончейн-транзакцию, генерируя криптографические доказательства, называемые SNARKs (Сжатые Неперерабатываемые Аргументы Знания):

Роллапы ZK:

• Более быстрое обработка и подтверждение транзакций
• Более эффективное использование ресурсов
• Более сложная миграция между слоями из-за ограничений виртуальной машины

Оптимистичные роллапсы:

• Используйте виртуальные машины для более плавной миграции с уровня 1 на уровень 2
• Реализуйте механизмы защиты от мошенничества, а не доказательства действительности
• Обеспечить более простую совместимость смарт-контрактов

Уровень взаимодействия: Протоколы уровня 0

Протоколы уровня 0 облегчают межцепочечную коммуникацию между различными блокчейнами уровня 1, решая проблему изоляции, которая ранее ограничивала пользователей конкретными экосистемами.

В отличие от сетей первого уровня, блокчейны, построенные на одном и том же протоколе нулевого уровня, могут реализовывать различные:

• Механизмы консенсуса
• Параметры и структуры Блока
• Правила сети и системы управления

Многие платформы уровня 0 требуют от пользователей ставить родные токены в качестве мер против спама при доступе к их экосистеме.

Яркий пример уровня 0

Cosmos является самым известным протоколом уровня 0, предлагающим инструменты с открытым исходным кодом, включая:

• Tendermint: Консенсусный механизм для создания блокчейнов
• Cosmos SDK: Инструмент для разработки кастомных блокчейнов
• IBC (Межблокчейновая связь): Протокол, позволяющий взаимодействие между цепочками

Cosmos нацелен на создание "Интернета Блокчейнов", где независимые сети бесшовно взаимодействуют друг с другом. Крупные проекты, построенные с использованием технологий Cosmos, включают крупные торговые платформы, решения для платежей и сети инфраструктуры блокчейна.

Прикладной фронтир: Уровень 3

Уровень 3 представляет собой прикладные протоколы, позволяющие блокчейн-сервисам, таким как децентрализованные приложения (dApps), игры, решения для хранения и другие интерфейсы, ориентированные на пользователя.

Часто называемый "слоем приложений", уровень 3 предоставляет функциональность, которая делает Блокчейн полезным не только для простых транзакций:

• Предоставляет информацию для обработки уровня 1 (например, инструкции смарт-контрактов)
• Создает практические случаи использования для базовой инфраструктуры Блокчейн
• Обеспечивает прямую ценность конечным пользователям через интуитивно понятные интерфейсы

Большинство блокчейнов первого уровня поддерживают разработку третьего уровня непосредственно в своих сетях, хотя базовый протокол Биткойна ограничивает такие возможности. Другие блокчейны, такие как Эфириум, Солана и Кардано, имеют процветающие экосистемы третьего уровня, обогащающие их сети.

Современные приложения третьего уровня все чаще предлагают функциональность межсетевого взаимодействия, позволяя пользователям взаимодействовать с активами на разных блокчейнах. Это требует от разработчиков работы с несколькими языками программирования, такими как Solidity для Ethereum и Haskell для Cardano, чтобы обеспечить бесперебойные межсетевые операции.

Полный стек Блокчейн

Экоcистема Блокчейн состоит из взаимосвязанных слоев, каждый из которых выполняет свои функции:

• Уровень 0: Обеспечивает межсетевую совместимость между протоколами Уровня 1 (, например, Cosmos)
• Уровень 1: Формирует базовую сеть блокчейна, проверяя и завершая транзакции (например, Биткойн)
• Уровень 2: Предоставляет решения для масштабирования сетей уровня 1 через оффчейн обработку (например, Lightning Network)
• Уровень 3: Предоставляет основанные на Блокчейн приложения и услуги конечным пользователям (например, децентрализованные биржи)

Хотя некоторые обсуждения упоминают "Уровень 4" в архитектуре блокчейна, консенсус в индустрии считает уровни от Уровня 0 до Уровня 3 — следуя программной конвенции, где отсчет начинается с нуля.

Каждый уровень решает конкретные задачи в экосистеме блокчейна, работая вместе для создания комплексного технологического стека, который балансирует безопасность, масштабируемость и децентрализацию, обеспечивая при этом практические приложения для пользователей по всему миру.