Skalowanie blockchainów – omówienie warstwy 1 oraz 2, sharding i SEGWIT

Blockchain

Aby móc konkurować z tradycyjnymi systemami finansowymi, sieci blockchain muszą sprostać wyzwaniu, jakim jest zapewnienie wysokiej skalowalności. Co kryje się pod tym pojęciem oraz jak wyglądają istniejące rozwiązania ukierunkowane na zwiększenie przepustowości?

Spis treści:

• Na czym polega skalowanie sieci blockchain?
  • Korzyści skalowania łańcucha bloków
• Rozwiązania warstwy 1 i 2
  • Co to jest warstwa 1 blockchaina?
  • Zalety warstwy 1
  • Wady warstwy 1
  • Przykłady zastosowań warstwy 1
  • Co to jest warstwa 2 blockchaina?
  • Zalety warstwy 2
  • Wady warstwy 2
  • Przypadki użycia warstwy 2
  • Porównanie warstwy 1 i 2 blockchaina
• Co to jest sharding sieci?
  • Do czego służy sharding?
  • Przykłady
• SEGWIT

---

Na czym polega skalowanie sieci blockchain?

Skalowalność odnosi się do liczby transakcji, jaką dana sieć jest w stanie przetworzyć na sekundę. Obecnie pod tym względem dominują rozwiązania płatnicze tj. Visa, czy PayPal. Sieci blockchain próbują jednak przegonić tradycyjne finanse. Skalowalność wciąż jednak stanowi dla nich święty Graal. 

Społeczność Web3 ma jeszcze sporo do zrobienia. Dla przykładu, sieć największej z kryptowalut  –Bitcoin – może przetworzyć tylko 7 transakcji na sekundę (TPS). Visa w tym samym czasie jest w stanie przetworzyć do 24 tys. TPS. Z kolei możliwości Ethereum (TTS) sięgają od 20 do 30 TPS.

Pomiar przepustowości oznaczany jako TPS nie jest jedynym elementem składającym się na skalowalność. Obok dochodzi jeszcze czas potwierdzania transakcji. W przypadku, gdy sieć ulega przeciążeniu, jej przepustowość pozostaje niezmienna, jednak czas oczekiwania na potwierdzenie transakcji może się wydłużyć. 

Należy podkreślić, że blockchainy nie mogą być jednocześnie zdecentralizowane, bezpieczne i skalowalne. Sieciom tym towarzyszą tylko dwie z tych cech. Eksperci pochylają się jednak nad tym, aby znaleźć rozwiązanie dla tego problemu. 

Korzyści skalowania łańcucha bloków

Wykorzystanie technologii blockchain może nieść wiele zalet zarówno dla pojedynczych osób, jak i przedsiębiorstw. Wśród korzyści płynących ze skalowania łańcuchów bloków znajduje się m.in. wysoka wydajność, większa szansa na zaspokojenie potrzeb dużych społeczności, odporność na “oszukańcze działania”, czy bezpieczeństwo i przejrzystość. 

Rozwiązania warstwy 1 i 2

Co to jest warstwa 1 blockchaina?

Warstwy pierwsze (layer 1, L1) można określić, jako główne fundamenty ekosystemów kryptograficznych. Zalicza się do nich, chociażby sieć Bitcoina, czy Etherem. Mimo ich wielu zalet często potrzebują one pomocy w zakresie zwiększenia szybkości i skalowalności transakcji. 

Ze względu na to, iż pojemność każdego bloku, który dodawany jest do blockchaina, ma ograniczone rozmiary, prowadzi to do wolniejszego potwierdzania transakcji oraz wzrostu opłat z nimi związanych. Użytkownicy, którym zależy na szybkiej “operacji” są skłonni zapłacić więcej, aby ich transakcja trafiła priorytetowo do bloku. 

Przetwarzanie transakcji na L1, kiedy w sieci panuje zatłoczenie, bywa więc bardzo kosztowne i czasochłonne. Osoby, które nie chcą przepłacać, muszą cierpliwie czekać w kolejce na to, aż ich transakcja zostanie potwierdzona. 

Zalety warstwy 1

Wśród korzyści oferowanych przez L1 wyróżnia się:

• decentralizację – jednostka bądź grupa nieprzekraczająca 50% wszystkich uczestników sieci nie może wprowadzić zmian w łańcuchu bloków
• niezamienność – ze względu na to, iż cofnięcie transakcji bądź wprowadzenie innych zmian w łańcuchu jest trudne, system ten staje się wysoce niezawodny. Osoby chcące tego dokonać musiałyby przejąć kontrolę nad 51% sieci 
• bezpieczeństwo – działania na niekorzyść sieci są trudne do zrealizowania. W przypadku sieci wykorzystujących Proof of Work (PoW) wymagałyby przejęcia 51% kontroli. Jeżeli chodzi zaś o Proof of Stake (PoS), byłoby to nieopłacalne ze względu na ryzyko wykrycia niekorzystnego działania przez innych walidatorów oraz utratę aktywów zamkniętych w kontrakcie depozytowym

Wady warstwy 1

Do głównych wad L1 należy: 

• niska skalowalność – sieci blockchain warstwy 1 mogą przetworzyć niewielką ilość transakcji w porównaniu do tradycyjnych rozwiązań płatniczych
• wysokie zużycie energii (w przypadku PoW)– blockchainy oparte na PoW wykazują zapotrzebowanie na dużą ilość energii elektrycznej. Ta zaś jest konsumowana przez tzw. koparki kryptowalutowe, które rozwiązują skomplikowane obliczenia, aby wydobyć blok i dodać go do łańcucha bloków

Przykłady zastosowań warstwy 1

Warstwę 1 wykorzystują projekty tj.: 

• Bitcoin,
• Ethereum,
• Solana, 
• Cardano
• i wiele innych sieci czołowych kryptowalut

Wspomniane blockchainy mogą być używane do przesyłania środków w krypto aktywach z jednego adresu kryptograficznego na drugi. Posiadają także własne wirtualne waluty, które służą zarówno w celach transferu pieniędzy, jak i tych inwestycyjnych, czy spekulacyjnych. 

Co to jest warstwa 2 blockchaina?

Warstwy drugie zbudowane są na bazie łańcucha bloków na poziomie podstawowym. Stanowią one rozszerzenie dla L1. Odciążają łańcuchy główne z dużej ilości transakcji, a tym samym pomagają w rozwiązaniu problemu związanego ze skalowalnością. Zamiast przetwarzać każdą transakcję na L1, co jest kosztowne i czasochłonne, rozwiązania typu L2 tworzą rodzaj “protokołu wtórnego”. Na tej drugiej warstwie transakcje mogą być przetwarzane o wiele szybciej i przy niższych opłatach. 

Zalety warstwy 2

Do głównych zalet L2 zalicza się:

• zwiększoną skalowalność – osiągana jest ona poprzez przetwarzanie transakcji poza łańcuchem głównym oraz rozliczaniem ich na głównym blockchainie
• niższe opłaty – ze względu na to, iż transakcje są przetwarzane poza łańcuchem głównym i rozliczane partiami na L1, zmniejsza się ogólny koszt transakcji
• szybszy czas transakcji – L2 mogą znacznie skrócić czas transakcji. Ze względu na to, iż transakcje są przetwarzane poza L1, pozwala to na szybsze czasy ich potwierdzenia oraz skrócenie ogólnego czasu wymaganego do rozliczenia transakcji
• zwiększoną prywatność – z uwagi na to, iż transakcje nie są rejestrowane na głównym łańcuchu, ich prywatność jest wyższa
• zwiększone bezpieczeństwo – ze względu na zmniejszone obciążenie głównego łańcucha bloków, L2 mogą zmniejszać ryzyko tj. przystąpienie do ataków z podwójnymi wydatkami. Co więcej, rozwiązania typu L2 mogą umożliwić bardziej wydajne i bezpieczne wdrażanie inteligentnych kontraktów

Wady warstwy 2

Wśród negatywów związanych z L2 można wyróżnić:

• centralizację – z uwagi na to, iż niektóre rozwiązania L2 wymagają centralnego organu, bądź operatora, może to wprowadzić ryzyko centralizacji
• złożoność – L2 mogą cechować się złożonością, a przy tym być trudne do wdrożenia. Wymaga to zarówno znacznych zasobów programistycznych, jak i specjalistycznej wiedzy
• zagrożenia bezpieczeństwa – L2 mogą wprowadzać nowe zagrożenia tj. ryzyko wykorzystania luk w zabezpieczeniach bądź ryzyko stworzenia wadliwego inteligentnego kontraktu
• wyzwania związane z interoperacyjnością – interoperacyjność między rozwiązaniami L2 może stanowić wyzwanie, ponieważ różne rozwiązania mogą wykorzystywać zróżnicowane protokoły i technologie
• zbyt złożone doświadczenie dla użytkownika – użytkownik korzystający z L2 jest zmuszony do transferu środków między sieciami blockchain. Dla laików może to być zbyt skomplikowane i złożone

Przypadki użycia warstwy 2

Rozwiązania przeznaczone do skalowania sieci głównych blockchainów niosą ze sobą wiele korzyści. Z tego też powodu cieszą się one licznymi przypadkami użycia. Najbardziej obiecujące z nich obejmują:

• zdecentralizowane finanse (DeFi) – rozwiązania L2 mogą znacznie zwiększyć przepustowość transakcji dla aplikacji DeFi. Czynią je przy tym bardziej dostępnymi oraz przystępnymi cenowo dla użytkowników. Ponadto zwiększają one prywatność oraz bezpieczeństwo transakcji
• tokeny niezamienne (NFT) – L2 mogą umożliwić handel oraz tworzenie NFT przy niższych kosztach niż rozwiązania on-chain. Może to odblokować nowe przypadki użycia NFT
• mikropłatności – rozwiązania typu L2 mogą umożliwić przetwarzanie transakcji mikropłatności po znacznie niższych kosztach, co sprawia, iż są one przydatne w aplikacjach skoncentrowanych na monetyzacji treści i usługach typu pay-per-use
• gry – rozwiązania skalowania L2 mogą znacznie zwiększyć przepustowość transakcji aplikacji do gier, umożliwiając rozgrywkę w czasie rzeczywistym i zmniejszając koszty transakcji w grze
• zarządzanie łańcuchem dostaw –  L2 mogą umożliwić bardziej wydajne i bezpieczne zarządzanie łańcuchem dostaw. Pozwalając na przetwarzanie transakcji poza łańcuchem, obniżają one koszty i zwiększają skalowalność

Do grona najpopularniejszych warstw 2 zalicza się: 

• Arbitrum
• Optimism
• Polygon zkEVM
• Starknet
• Celer
• i wiele innych sieci

Porównanie warstwy 1 i 2 blockchaina

Główna różnica między L1 a L2 polega na roli, jaką one odgrywają. Podczas gdy warstwa pierwsza ma na celu ulepszenie architektury blockchain, warstwa druga skupia się na budowie sieci stron trzecich na szczycie głównego blockchaina. 

L1 może zapewnić najskuteczniejsze rozwiązanie w przypadku aktualizacji protokołów na dużą skalę. L2 zapewnia natomiast szybszy sposób zwiększenia skalowalności. Jednak w tym przypadku użytkownicy mogą stracić poziom bezpieczeństwa oryginalnego blockchaina z powodu korzystania z usług stron trzecich. 

Co to jest sharding sieci?

Im więcej użytkowników korzysta z sieci blockchain, tym wolniejsza się ona staje. Prowadzi to do jej znacznego opóźnienia. Sharding stanowi rozwiązanie dla tego problemu. Pozwala on zmniejszać spowolnienia sieci. 

Pod pojęciem sharding kryje się technika partycjonowania baz danych stosowana przez firmy blockchain w celu poprawy skalowalności. Umożliwia im ona przetwarzanie większej liczby transakcji na sekundę.

Do czego służy sharding?

Sharding dzieli sieci blockchain na oddzielne ułamki (mniejsze łańcuchy bloków). Każdy z nich zarządza osobnym segmentem danych. Konfiguracja ta odciąża pojedynczy łańcuch zajmujący się wszystkimi transakcjami i interakcjami w sieci. Sharding jest więc ulepszeniem skalowalności sieci warstwy 1. 

Jedną z głównych zalet dzielenia blockchaina jest łatwość i dostępność uruchamiania węzła. Ze względu na to, iż dane w sieci są podzielone na ułamki, nie ma potrzeby, aby węzły walidatora przechowywały pełną historię całego łańcucha bloków. 

Oprócz korzyści dot. skalowalności blockchaina sharding ma również ważną implikację dla decentralizacji. Pozwala on większej liczbie węzłów uczestniczyć w sieci i przetwarzać transakcje, zwiększając w ten sposób decentralizację. Może to potencjalnie zwiększyć bezpieczeństwo, ponieważ nie jest ona narażona na pojedynczy punkt awarii.

Sharding ma również swoją ciemną stronę. Ze względu na to, iż węzły w sieci są podzielone na mniejsze grupy, istnieje większa szansa na zmowę oraz centralizację.

Przykłady

Wspomniane rozwiązanie należy do planowanej części Ethereum 2.0. Jego celem jest zwiększenie przepustowości tej sieci do 100 tys. transakcji na sekundę. Mechanizm ten działa na tej samej zasadzie, jak został opisany powyżej. Dzieli on sieć na mniejsze odłamy, z których każdy zawiera podzbiór kont, smart kontraktów i transakcji. Transakcje są przechowywane na fragmencie sieci, nie zaś jej całej części. Każdy z nich ma własny zestaw walidatorów. Dzięki temu możliwe jest równoległe przetwarzanie transakcji na wielu odłamkach.

SEGWIT

Rozwinięta nazwa segwit to „segregated witness”. Jest to ulepszenie dla blockchaina bitcoina. Zostało zaimplementowane w jego sieci, jako tzw. soft fork. Pozytywnie wpływa ono na płynność i szybkość transakcji w BTC. 

W największym uproszczeniu i skrócie, segwit to oddzielenie dowodu podpisu transakcji od samego bloku transakcyjnego i wprowadzenie go do osobnej warstwy. Możliwością, jaką zaoferowało to rozwiązanie w przypadku sieci Bitcoina, było zwiększenie rozmiaru bloku BTC z 1 MB na 4 MB. Oczywiście jest to tylko teoria z uwagi na to, iż aktualizacja ta spotkała się jedynie z częściową adopcją. Tak więc pojemność bloku po tym wdrożeniu wzrosła maksymalnie 2-krotnie. 

Wspomniana aktualizacja sprawia jednak, że użytkownicy z portfelami obsługującymi segwit uiszczają znacznie niższe opłaty za przeprowadzenie transakcji w BTC. Opłaty rozkładają się na większą ilość adresów w bloku, a czas zatwierdzania transakcji jest znacznie krótszy. 

Wdrożenie segwit ułatwiło także modyfikację języka skryptowego, co umożliwia dalsze wprowadzanie poprawek do protokołu Bitcoina.