Warstwy blockchain – Layer 0, 1, 2, 3 – co to jest?

Zrozumienie, czym są i jak działają warstwy blockchain jest niezbędne do oceny sensowności wielu projektów. Określenia typu Layer 0 czy – bardziej polska – warstwa 3, potrafią jednak zmylić nie tylko początkującego inwestora.

Warstwy blockchain w dwóch ujęciach

Czym są warstwy blockchain? Oczywiście, nie jest to określenie dosłowne, a bardziej koncept, pozwalający łatwiej objaśnić skomplikowaną materię. Niestety, definicja nie jest odgórnie ustalona i jednoznaczna, wśród badaczy tematyki funkcjonują co najmniej dwa możliwe sposoby podziału na warstwy:

1. Pierwszy skupia się na rozważaniu architektury blockchain i ról, spełnianych przez poszczególne warstwy. Jest on mniej popularny, za to uwzględnia elementy pomijane w drugim, nieco uproszczonym modelu.
2. Drugi, określany jako podział oparty na protokole, wyróżnia 4 warstwy blockchain, różniące się pod względem ich skalowalności i interoperacyjności.

Zobaczmy, jak to wygląda w praktyce.

Podejście akademickie: architektura warstw blockchain

Możemy określić je także jako podział według warstw technologii. W tym ujęciu, patrząc niejako “od dołu” widzimy następujące warstwy blockchain:

1. Warstwa sprzętowa. Jest to warstwa podstawowa, na którą składają się takie elementy, jak serwery, przekaźniki, komputery użytkowników czy protokoły obsługujące ruch sieciowy. Połączenie tych elementów prowadzi do stworzenia funkcjonującej sieci P2P.
2. Warstwa danych. Zarządza ona informacjami przechowywanymi w sieci. Składa się ona z bloków informacji, z których każdy (poza pierwszym, blokiem Genesis) połączony jest z poprzednim. Informacje zapisane w blokach są chronione i niemożliwe do zmiany.
3. Warstwa sieci. Ta warstwa ułatwia komunikację między węzłami w sieci blockchain. Pozwala na przesyłanie danych transakcyjnych, niezbędnych w celu produkcji nowych bloków. Ponieważ jej zadaniem jest rozprzestrzenianie informacji, określana jest także jako „warstwa propagacji”.
4. Warstwa konsensusu. Odpowiada ona za walidację (zbadanie i zatwierdzanie) transakcji. Zbiera informacje spływające z warstwy sieciowej i sprawdza ich poprawność. Aby dana transakcja została uznana za ważną, wszystkie zaangażowane węzły sieci muszą potwierdzić jej autentyczność. Kontrola jest więc rozproszona i wymaga zgody wielu stron, co znane jest jako mechanizm konsensusu.
5. Warstwa aplikacji. Obsługuje ona smartkontrakty i zdecentralizowane aplikacje (dApps). Dane wejściowe (np. cena) określają działanie smartkontraktów, które następnie realizowane przez dApps. Ta warstwa działa jako front-end blockchaina i jest właśnie tym, z czym zwykle spotyka się użytkownik podczas jego używania.

Podejście popularne: od Layer 1 do Layer 3 (+Layer 0)

Warstwy blockchain opisane według tego modelu spotkamy się najczęściej. W przeciwieństwie do wyżej opisanych warstw architektury, które określają sieć i jej działanie, warstwy protokołu koncentrują się na poprawie użyteczności blockchaina.

Historycznie jako pierwsza powstała warstwa 1 (Bitcoin). Warstwa 0 powstała dopiero potem, jako sposób naprawienia pewnych niedoskonałości istniejących już blockchainów Layer 1. Jeśli warstwy L1, L2 i L3 przedstawimy jako parter, piętro i strych domu, to Layer 0 będzie drogą, łączącą poszczególne domy. Z tego też powodu omówimy ją na końcu.

Inwestuj z brokerem XTB w ponad 10 700 instrumentów! Akcje i ETF bez prowizji (do miesięcznego obrotu 100 000 EUR), CFD na kryptowaluty, waluty, surowce, konto IKE, ponad 200 godzin kursów i wiele innych!

Layer 1 – łańcuchy bloków i przetwarzanie transakcji

Warstwa 1 jest odpowiedzialna za wykonywanie większości zadań sieci blockchain, takich jak rozwiązywanie sporów, mechanizm konsensusu czy zatwierdzanie transakcji. Layer 1 to podstawowy łańcuch bloków, mogący istnieć i działać samodzielnie i nie wymagający dla swego działania oparcia się na innych protokołach blockchain. Wystarczy mu hardware i oprogramowanie do obsługi sieci.

Duża liczba zadań, którymi blockchainy warstwy 1 muszą zarządzać, często powoduje problemy ze skalowalnością. W miarę jak coraz więcej użytkowników korzysta z łańcucha bloków, rośnie potrzebna ilość mocy obliczeniowej. Często skutkuje to wyższymi opłatami i dłuższym czasem przetwarzania danych. Problem skalowalności jest łagodzony przez ulepszone techniki konsensusu, użycie Proof of Stake czy sharding, jednak nie zawsze ich zastosowanie wystarcza do rozwiązania problemu.

Przykładem blockchainów Layer 1 są np. Bitcoin, Ethereum, Binance Smart Chain czy Solana.

Layer 2 – skalowanie blockchain

Istnieje sporo różnych blockchainów Layer 1: Bitcoin, Ethereum, Litecoin, Tron… Niestety, wiele z nich ma problem ze skalowalnością. Najprościej będzie przedstawić to na przykładzie Ethereum.

Wyobraźmy sobie ten ekosystem jako krainę pełną miast i miasteczek (smartkontraktów), połączonych dość szeroką, ale tylko jedną autostradą. Oczywiste jest, że infrastruktura wystarczająca w dni powszednie przestanie wystarczać, kiedy nadejdą święta i ruch na drodze znacząco się zwiększy. Nie wspominając już o korkach i remontach… Zdecydowanie należałoby poszerzyć sieć drogową, wprowadzić objazdy, czy wydzielić buspasy.

Rozwiązania warstwy 2 pomagają rozwiązać problem niewystarczającej infrastruktury, spełniając dwa podstawowe założenia:

1. Są to osobne sieci, systemy czy technologie, pomagające zwiększyć wydajność warstwy bazowej.
2. Warstwa 2 dziedziczy bezpieczeństwo łańcucha bloków, na którym jest zbudowana. Dane transakcji muszą być weryfikowane i potwierdzane przez główną sieć blockchain, a nie przez oddzielny zestaw węzłów.

Stąd też nie wszystkie rodzaje rozwiązań skalujących, jak np. sidechainy, są przez purystów uznawane za Layer2 – mimo że niewątpliwie służą one wzrostowi przepustowości sieci. Problemem pozostaje bowiem trylemat blockchain – polepszenie skalowalności nie powinno odbywać się kosztem decentralizacji i bezpieczeństwa.

Nie tylko skalowalność

Zwiększenie przepustowości sieci to jednak nie jedyny problem, który starają się rozwiązać protokoły warstwy 2. Przy ich projektowaniu pod uwagę brane są również:

1. Koszty transakcji. W Layer 1 duża aktywność sieci natychmiast przekłada się na wysokie koszty transakcyjne. Rozwiązania warstwy 2 pomagają je obniżyć, redukując koszt transakcji o 90% i więcej.
2. Doświadczenie użytkownika. W godzinach szczytu transakcja ETH może być zatwierdzana godzinami, szczególnie jeśli oszczędzaliśmy na opłacie za gaz. W niektórych Layer 2 transakcje mogą być księgowane niemal natychmiast.
3. Ochrona środowiska. Problem ekologii kryptowalut nabiera znaczenia z każdym rokiem. Rozwiązania w rodzaju Lightning Network pozwalają obniżyć zużycie energii i uspokoić obrońców środowiska.
4. Dopasowanie. Rozwiązania Layer 2 są elastyczne i można je dostosować do konkretnych wymagań. Mamy protokoły ogólnego przeznaczenia, specjalizujące się w DeFi, zachowaniu prywatności czy przesyłaniu tokenów NFT.
5. Interoperacyjność. Choć nie jest to ich główne zadanie, mogą one polepszać współpracę między różnymi łańcuchami bloków. Działać jako rodzaj mostu, łączącego dwa odrębne ekosystemy.

Rodzaje rozwiązań Layer 2

Nie ma jednego, uniwersalnego protokołu Layer 2. Wynika to z faktu, że potrzeby użytkowników są bardzo różne.

Mikropłatności w aplikacji muszą być błyskawiczne, nawet kosztem nieco zmniejszonego bezpieczeństwa. Przelewy między platformami DeFI muszą być maksymalnie bezpieczne, nawet jeśli zajmie to chwilę dłużej.

Również technicznie problem skalowalności można rozwiązać na kilka różnych sposobów. Najpopularniejsze podejścia to:

Kanały stanu (State Channels)

W tym rozwiązaniu na sieci głównej zachodzą tylko dwie transakcje – otwarcie i zamknięcie kanału. Następnie dowolna ilość transakcji – tylko między dwoma konkretnymi użytkownikami – rozliczana jest poza siecią główną, ale zgodnie z jej zasadami.

Freedom24. Dostęp do 1 mln instrumentów na 15 światowych giełdach. Wpłaty w PLN, bezpłatne przewalutowania. Konto otworzysz w 10 minut. Dodatkowo otrzymasz do 20 darmowych akcji dzięki kodom promocyjnym WELCOME.

Otwarcie kanału wymaga zablokowania pewnej ilości kryptowaluty i do wysokości tego salda strony mogą rozliczać się wielokrotnie po prawie zerowym koszcie. Dopiero zamknięcie kanału spowoduje zapisanie jego ostatniego stanu w sieci Layer 1.

Przykład: Lightning Network

Plazma (Plasma)

Ten model wykorzystuje smartkontrakty i drzewo Merkle do tworzenia wielu podrzędnych kopii łańcucha głównego. Każdy łańcuch podrzędny jest traktowany jako oddzielny blockchain. Transakcje zachodzą na łańcuchu podrzędnym, odciążając główny.

Pssst! Na giełdzie kryptowalut Binance możesz otworzyć teraz konto z dożywotnim 20% rabatem prowizje i premią do 600 USD!

Podobnie jak kanały, Plasma wykorzystuje bezpieczeństwo głównego łańcucha, gdyż są one powiązane ze sobą. Zapis transakcji pozostaje w łańcuchach Plasma, jedynie nagłówki bloków są zapisywane w blokach łańcucha głównego. Zmniejsza to obciążenie sieci macierzystej.

Poprawność danych jest weryfikowana za pomocą „dowodów oszustwa”, bazujących na drzewie Merkle. Weryfikacja taka zajmuje jednak czas, nawet 7-10 dni.

Przykład: OMG

Pakiety zbiorcze (Rollups)

To rozwiązanie polega na agregacji (łączeniu) wielu transakcji, ich przetworzeniu poza łańcuchem Layer 1 i zapisaniu ich wyników jako jednej zbiorczej transakcji w głównym łańcuchu.

Umożliwia to przetwarzanie znacznie większej liczby transakcji przy zachowaniu ich bezpieczeństwa, gwarantowanego przez łańcuch główny. Dzięki rozłożeniu opłaty za zarejestrowanie transakcji na wielu użytkowników, znacząco zmniejszają się ich jednostkowe koszty.

Opracowywane są różne sposoby użycia pakietów zbiorczych, dwa najpopularniejsze rozwiązania to ZK-Rollups oraz Optimistic Rollups.

Pakiety optymistyczne z góry zakładają poprawność danych, weryfikując je tylko w przypadku sporu. ZK-Rollups weryfikują transakcje na bieżąco, co jest bezpieczniejsze, ale znacznie bardziej skomplikowane. Różnice te omawialiśmy szczegółowo w naszym tekście: Czym są rollupy.

Przykład: Arbitrum, zkSync

Validium

Nowatorski projekt, łączący rozwiązania Plasma i ZK-Rollups. Dane przetwarzane są off chain, do sieci głównej przesyłane są tylko zbiorcze podsumowania, zabezpieczone przy pomocy dowodów wiedzy zerowej. Pozwala to pogodzić wydajność działania z bezpieczeństwem.

Teoretyczna wydajność to 10 000 TPS na każdy łańcuch Validium… a wiele łańcuchów może być uruchamianych równolegle. W bonusie dostajemy prywatność, wynikającą z użycia ZK.

Przykład: StarkNet

Łańcuchy boczne (sidechains)

Jak wspomnieliśmy, łańcuchy boczne są rozwiązaniem skalującym, natomiast nie wszyscy zaliczają je do rozwiązań warstwy 2. Aby wyczerpać temat, umieścimy je jednak w naszym zestawieniu.

Łańcuchy boczne to oddzielne blockchainy, połączone z głównym łańcuchem za pomocą dwukierunkowego mostu. Mają własną strukturę, zasady i konsensus i same dbają o bezpieczeństwo, nie polegając w tym zakresie na łańcuchu Layer 1.

Transfer tokenów między sieciami polega na ich zablokowaniu na łańcuchu głównym i utworzeniu ich odpowiedników na sidechainie. Przesłanie tokenów z powrotem odbywa się poprzez spalenie ich na sidechainie i odblokowaniu w sieci głównej.

Łańcuchy boczne i rozwiązanie Plasma są nieco podobne do siebie, różnicą jest właśnie bezpieczeństwo, zapewniane samodzielnie, a nie przez przez Layer 1.

Przykład: Polygon

Rzut oka na rynek Layer 2

Mamy już wystarczającą podbudowę teoretyczną. Jak w praktyce wygląda ekosystem Layer 2?

Dobrym źródłem statystyk jest strona L2Beat, publikująca statystyki poszczególnych sieci i ich udział w rynku.

Wnioski z analizy dostarczanych danych są następujące:

1. Póki co, rynek L2 zdominowany jest przez rozwiązania oparte na Optimistic Rollups. Dwa największe projekty w tej technologii, Arbitrum i Optymism łącznie wykonują 75% wszystkich transakcji.
2. Trzy dalsze miejsca zajęte są przez relatywnie nowe lub mniej znane projekty: Manta, Base i Metis.
3. Projekty ZK Rollups mimo dużego potencjału póki co nie mogą się przebić do czołówki – najlepszy ZKSync Era ma w początkach 2024 r. tylko 2% udziału w rynku.
4. Sidechain Polygon nie jest uwzględniany w zestawieniu, na 13 pozycji ląduje natomiast oparty na dowodach wiedzy zerowej Polygon ZkEVM.
5. Rozwiązania oparte o Validium szybko się rozwijają, czego dobrym przykładem jest Immutable X.

Nieco inny obraz rynku rysuje się, jeśli w poszukiwaniu informacji o Layer 2 zajrzymy na Coingecko. Pod względem kapitalizacji liderem niewątpliwie jest Polygon i jego token MATIC, w lutym 2024 r. wyceniany na prawie 8 miliardów dolarów. Trzy kolejne projekty, Optymism, Immutable X i Arbitrum łącznie tylko niewiele przekraczają jego kapitalizację.

Porównanie popularnych sieci warstwy 2

Statystyki mają swoją wagę, jednak warto także wyliczyć najszybciej rozwijające się sieci L2.

• Arbitrum – standard dla Ethereum, 50% udziału w rynku, wartość TVL to 11 miliardów dolarów
• Optimism – jego największa konkurencja, 25% rynku, również oparty o Optimistic Rollups
• Base – projekt Coinbase, uruchomiony w lutym 2023, zamierza implementować sharding, nie ma tokena
• zkSync Era – pakiet zbiorczy (rollup), oparty o dowody wiedzy zerowej, pierwsza maszyna zkEVM
• Manta Pacific – uruchomiony w oparciu o Celestię (dostępność danych) i zkEVM
• Metis – Metis korzysta z ulepszonych Optimistic Rollups, łącząc je z rozwiązaniami ZK
• Polygon zkEVM – w przeciwieństwie do sidechaina Polygon PoS, w pełni zasługuje na określenie Layer 2
• Mantle – przemianowane z BitDAO, wyróżnia się modułową budową łańcucha oraz naciskiem na interoperacyjność.

Layer 2 i kryptowaluty = oszczędność

Najczęstszym powodem, dla którego używamy Layer 2 są koszty. O ile bowiem swap tokenów na Ethereum potrafi kosztować 50$ i więcej, koszty gazu w Layer 2 są znacznie mniejsze. Prezentuje je poniższa tabela, bazująca na danych L2Fees.

Jak widać, oszczędności są spore. Dorzućmy do tego relatywnie szybkie transakcje i możliwość wygodnego przerzucania środków pomiędzy ekosystemami. Nic dziwnego, że znaczenie Layer 2 z każdym rokiem rośnie.

Jaka przyszłość czeka projekty Layer 2?

Ekosystem blockchain rozwija się non stop i w perspektywie kilku lat Ethereum może osiągnąć wielokrotnie zwiększyć swoją przepustowość. Tysiące transakcji na sekundę już dziś przetwarzają takie blockchainy jak Solana, PolkaDot czy Hedera Hasgraph. Czy w tej sytuacji za jakiś czas ktoś w ogóle będzie jeszcze potrzebował Layer 2?

Wydaje się, że jednak tak. Sam Vitalik Buterin jest entuzjastą rollupów, zwłaszcza opartych o ZK. Jeśli Ethereum ma utrzymać swoją pozycję dominującego blockchaina, jego wydajność musi co najmniej zbliżyć się do maksymalnych wartości oferowanych przez VISA (24 000 TPS). Nawet przy sprawnie działającym shardingu nie wydaje się to możliwe do osiągnięcia bez rozwiązań skalujących.

Ten kierunek wymusza rosnąca adopcja. Póki co, absolutnej większości populacji blockchain jest znany wyłącznie ze słyszenia. Istnieje ok 240 milionów portfeli Ethereum, przy czym większość z nich nie wykonuje żadnych transakcji. Pomyślmy, co działo by się gdyby tylko 10% ludności świata chciało wykonać kilka transakcji dziennie… Mocno rośnie także zainteresowanie instytucji, potrzebujących bezpieczeństwa i szybkości blockchain, ale nie zamierzających płacić grubo za każdą transakcję.

Za wzrostem znaczenia L2 przemawia także ciągły rozwój techniczny. Co roku powstają nowe projekty, zwiększa się interoperacyjność, pogłębia specjalizacja. W ciągu trzech lat wartość rynku Layer 2, mierzona TVL wzrosła 50 razy i nic nie wskazuje na spowolnienie. Tort jest wystarczająco duży, by cała branża miała przed sobą świetlane perspektywy.

Projektom Layer 2 nie grozi brak klientów ani wyparcie przez nowszą technologię. Nie oznacza to oczywiście, że każdy projekt z tej branży odniesie sukces. Tym niemniej, koszyk złożony z 5-6 najbardziej rozwojowych projektów ma spore szanse pobić nie tylko inflację, ale także wzrost Bitcoina.

Layer 3 – warstwa aplikacji (dApps)

Ta warstwa blockchain jest widoczna dla użytkowników. To dzięki niej wchodzą oni w interakcję z łańcuchem bloków. L3 zapewnia oczywiście nie tylko interfejs użytkownika, ale także użyteczność, która jest realizowana przez tysiące smartkontraktów i dApps, spełniających najrozmaitsze funkcje.

Naturalnie, rozwiązania warstwy 3 może obsługiwać tylko łańcuch potrafiący wykorzystywać smartkontrakty. Z tego powodu obsługa L3 nie jest możliwa do zastosowania na Bitcoinie, bez użycia protokołów zapewniających tę funkcję (np. Stacks).

Do rozwiązań warstwy 3 zaliczymy wszelkie dApps, jak DEXy (np. PancakeSwap), portfele (Metamask), gry blockchain (Axie Infinity) czy protokoły finansowe (Aave).

Layer 0 – łączenie blockchainów

Komputer to fantastyczne urządzenie, jednak prawdziwą moc uzyskuje on dopiero w sieci, po połączeniu z innymi. Podobnie jest z łańcuchami bloków. Powstawały one osobno, dla realizacji określonych celów, często bez przewidzenia sposobów komunikacji z innym blockchainami. Warstwa 0 powstała, by przezwyciężyć te ograniczenia.

Na rozwiązania L0 składają się protokoły, interfejsy, standardy połączeń i inne komponenty, pozwalające blockchainom komunikować się między sobą. Działa więc ona jako najniższy wspólny mianownik i może być postrzegana jako „sieć blockchainów”.

Upraszczając, aby zaliczyć dane rozwiązanie do Layer 0, musi ono umożliwiać tworzenie w oparciu o nie samodzielnych blockchainów Layer 1, zapewniać im wysoką wydajność oraz pozwalać na łatwą komunikację między nimi.

Layer 0 to błogosławieństwo dla programistów dApps. Jeśli ich rozwiązanie jest zgodne z rozwiązaniem L0, będzie działać na każdym łańcuchu z nim kompatybilnym. Odpada więc ogromna ilość pracy, potrzebna aby zbudować tę samą aplikację w innym łańcuchu.

Niestety – wciąż nie ma jednego, powszechnie uznanego standardu Layer 0. Do najważniejszych zaliczane są:

• Cosmos i jego standard IBC,
• PolkaDot i rozwiązanie Substrate,
• Avalanche i jego P-Chain.

Oczywiście, powyższe przykłady nie wyczerpują tematu. Layer 0 to modny temat, a o zawładnięcie nią ubiega się wiele projektów. Najnowszym z nich jest protokół o oryginalnej nazwie LayerZero, mający nowatorskim podejściem zrewolucjonizować całą branżę. To już jednak temat na zupełnie inną opowieść.

Powiązane wpisy:

Co to jest Mina Protocol (MINA)? Badamy lekki blockchain Layer 1 Marlin (POND) – analizujemy blockchain Layer 0 zkSync (ZK). Nasza analiza warstwy 2 opartej o zero knowledge Sieć opBNB – jak działa Layer 2 na BNB Chain? Czym jest Blockchain? Wszystko co trzeba wiedzieć Czym jest Stellar (XLM)? Blockchain szybszy niż banki Czym jest sharding w sieci blockchain? Czym jest drzewo Merkle i korzeń Merkle w blockchain? Czym jest Intent-centric blockchain i jak zmienia DeFi? Loopring (LRC): czym jest i jak działa ta platforma blockchain?

Inwestowanie jest ryzykowne. Inwestuj odpowiedzialnie.

XTB oferuje wyłącznie kontrakty CFD na waluty Forex, indeksy, towary, akcje, ETFy, kryptowaluty oraz rzeczywiste akcje i ETFy.

Do miesięcznego obrotu 100 000 EUR. Transakcje powyżej tego limitu zostaną obciążone prowizją w wysokości 0,2% (min. 10 EUR). Może mieć zastosowanie 0,5% koszt przewalutowania. Oferowane instrumenty finansowe są ryzykowne. Inwestuj odpowiedzialnie.