13 июля децентрализованная биржа (DEX) Uniswap v3 запустила решение второго уровня — Optimistic Ethereum. DEX также собирается добавить поддержку Arbitrum — другого популярного решения второго уровня для Ethereum. Эксперты предполагают, что именно активное внедрение этих решений станет главным драйвером DeFi-рынка в ближайшее время. Разобрались, как устроены эти протоколы, какие проблемы они решают и в чем их преимущества и недостатки.

Что такое решения второго уровня и зачем они нужны?

Главная проблема Ethereum — масштабируемость. Сейчас эта сеть все еще работает на устаревшем алгоритме консенсуса Proof-of-Work (PoW). Из-за этого она постоянно перегружается, транзакции проходят медленно, а комиссии могут превосходить размер перевода. 

Для борьбы с этим проблемами разработчики Ethereum приняли решение перейти на другой алгоритм консенсуса — Proof-of-Stake (PoS). После перехода на PoS в Ethereum не будет майнинга, а новые монеты будут добываться за счет стейкинга: это сделает сеть быстрее, а транзакции — дешевле. Однако переход на PoS — это не единственный способ борьбы с низкой масштабируемостью в Ethereum. 

Одним из таких способов являются так называемые решения второго уровня (L2-решения) — это протоколы, которые работают поверх основного, базового, слоя блокчейна. Решения второго уровня могут обрабатывать большое число транзакций (прежде всего, мелких), что снижает нагрузку на основную сеть. Все операции проходят в протоколе L2-решения, а в основной блокчейн записываются только результаты транзакций. 

Такие решения не только борются с перегрузкой сети, но и снижают транзакционные сборы, не изменяя архитектуру основного блокчейна Ethereum. Благодаря этому, вместо нынешних 30 транзакций в секунду сеть Ethereum может обрабатывать 2 000–4 000 транзакций в секунду. Чем выше скорость обработки транзакций, тем ниже размер комиссий. Более того, снижение нагрузки на сеть уменьшит плату за газ (расчетная единица комиссий в сети Ethereum) для каждого пользователя, а не только для тех, кто использует решения второго уровня. 

В блокчейне Bitcoin тоже есть схожие решения: например, Lightning Network или Liquid Network. 

Виды решений второго уровня в сети Ethereum

Под решениями второго уровня понимают несколько видов технологий, объединенных тем, что они проводят операции поверх основного блокчейна Ethereum.

Первыми были разработаны следующие решения: 

  • Канал состояния (платежный канал) — это решение позволяет пользователям проводить любое количество приватных транзакций вне основного блокчейна. При этом операции внутри канала состояния видны только отправителю и получателю. Как это работает? Пользователи с помощью специального смарт-контракта открывают платежный канал, по которому могут проводить любое число операций, подтверждая их приватными подписями. Все операции проходят вне основной сети Ethereum, а после того как пользователи закроют канал, в блокчейн записывается только итоговый результат их транзакций. Это удобная технология, однако чтобы ей пользоваться, надо уметь настраивать такие каналы. А еще она не позволяет отправлять монеты тем, кто не подключен к каналу. Среди проектов, которые используют подобные каналы состояния — Raiden Network, Connext и Perun. 
  • Сайдчейн — это независимая от основного блокчейна сеть, в которой проходят транзакции. Поэтому формально сайдчейны не являются решением второго уровня, но очень близки к ним с точки зрения технологии. Как это работает? Сайдчейны существуют в виде отдельной сети, которая связана с родительским блокчейном двухсторонним соединением. За поддержание работоспособности сайдчейнов отвечают отдельные майнеры. Интероперабельность сайдчейнов (то есть возможность взаимодействовать с разными блокчейнами) достигается с помощью виртуальной машины Ethereum (EVM). Одним из наиболее ярких примеров такого решения является xDai Chain.
  • Plasma — это решение создает иерархическую цепочку дочерних блокчейнов, использующих основной блокчейн Ethereum в качестве арбитражного слоя, разрешающего возможные споры между ними. Технология Plasma основана на использовании деревьев Меркла и смарт-контрактов. В Plasma транзакции проходят в дочерних блокчейнах, разгружая основную сеть. При этом дочерние блокчейны можно настраивать под каждый конкретный случай использования. Этот принцип работы во многом похож на Lightning Network для Bitcoin. Одна из основных проблем Plasma — если пользователи массово выходят из дочернего блокчейна, происходит перегрузка этой сети, в результате чего пользователи могут потерять средства. Также для вывода средств из Plasma потребуется от 7 до 14 дней, и в целом это решение сложно в использовании. Примеры использования решения — проект Polygon, Matic Network, Gazelle, Leap DAO.

Каналы состояния, сайдечены и Plasma — это ранние эксперименты по разработке решений второго уровня для Ethereum. Сейчас более перспективными считаются решения на основе технологии Rollups — это смарт-контракты, которые проверяют большие пакеты транзакций вне основной цепочки, а затем отправляют минимальный объем данных обратно в основную сеть. 

Сейчас разрабатываются два основных типа Rollups: Optimistic Rollups и ZK-rollups. 

Optimistic Rollups сжимают транзакции и объединяют их в один пакет, который и передается обратно в основную цепочку. Таким образом это решение может увеличить скорость транзакций в Ethereum в 10–100 раз, а с введением шардинга (сегментации блокчейна на отдельные блоки) — еще больше. Также использование Optimistic Rollups сокращает стоимость газа. Немаловажно и то, что пользовательский опыт в данном решении мало чем отличается от использования основной сети Ethereum. 

Optimistic Rollups работают на основной сети Ethereum, так что огромное количество смарт-контрактов может быть запущено без перегрузки сети. Решение так же безопасно, как и основная сеть Ethereum. 

Алгоритм этого решения исходит из того, что все новые записи в блокчейне действительны, если они не будут оспорены участниками сети в течение недели. Optimistic Rollups предполагает, что все майнеры по умолчанию честны (отсюда и название — «оптимистичные»). То есть вместо того, чтобы проверять каждую транзакцию, их все считают верными, если в течение определенного срока не будет доказано обратное. Время оспаривания транзакции (так называемого периода вызова) — не менее одной недели. Если пользователи или валидаторы в этот период обнаружат признаки мошенничества, они могут оспорить добавление транзакции. Валидаторов, пойманных на нарушениях, штрафуют и исключают, а депозит нарушителя передается тем, кто обнаружил мошеннические транзакции. Это мотивирует всех участников оставаться честными и присматривать друг за другом. 

После окончания периода вызова пользователи могут вывести свои средства из второго уровня в основной блокчейн Ethereum. Данные транзакций доступны в основной сети Ethereum для проверки остальными валидаторами Optimistic Rollups в любое время. При этом пользователям необязательно ждать окончания периода вызова. Так, например, поставщики ликвидности за небольшую комиссию могут выкупить у пользователя право на замороженные средства и сразу перевести их на его кошелек. 

Валидатором Optimistic Rollups может стать любой пользователь — достаточно лишь запустить соответствующее программное обеспечение. Сеть будет в безопасности до тех пор, пока в ней остается хотя бы один честный валидатор. 

Optimistic Rollups работает на основе Optimistic Virtual Machine (OVM) — виртуальной машины, совместимой с виртуальной машиной Ethereum (EVM). Это означает, что Ethereum-разработчики могут переносить в Optimistic Rollups существующие смарт-контракты. Смарт-контракты для Optimistic Rollups можно писать на Solidity — языке программирования, созданном специально для Ethereum.

Среди недостатков Optimistic Rollups: длительное время вывода средств (период вызова иногда может длиться неделями), более медленная скорость транзакций, чем у Plasma и ZK-rollups, снижение совместимости DeFi-приложений.

Крупные проекты, которые используют Optimistic Rollups: Optimistic Ethereum, Arbitrum, Fuel Network, Cartesi и OMG Network.

Zero knowledge rollups (ZK-rollups) — решение, которое также формирует транзакции в пакеты данных, но полагается на криптографические доказательства (так называемые доказательства с нулевым разглашением, zk-SNARK). zk-SNARK используется для проверки каждого добавленного в сеть блока, устраняя необходимость доверия валидаторам. С помощью ZK-rollups проверка блока выполняется быстрее и дешевле, поскольку в него включается меньше данных.

В то время как решение Optimistic Rollups основано на том, что все валидаторы честны, ZK-rollups проверяет их честность с помощью математического доказательства zk-SNARK. Все транзакции проходят в сторонней цепочке, а zk-SNARK размещается в основной. 

ZK-rollups как технология сложнее Optimistic Rollups, но она также позволяет масштабировать сеть Ethereum, повышая скорость до 2000–4000 транзакций в секунду. Среди других преимуществ: снижение стоимости газа, большая по сравнению с Optimistic Rollups безопасность сети, короткое время вывода средств — периода вызова нет. Среди недостатков решения: пока еще низкая совместимость смарт-контрактов разных DeFi-проектов. 

Крупные проекты, которые используют ZK-rollups: ZKSync, StarkEx, Loopring, Starkware, zkSync, Aztec Protocol, Hermez Network, zkTube и Deversifi. 

Наибольшее внимание привлекают к себе сегодня два решения второго уровня: Optimistic Ethereum и Arbitrum и Arbitrum. Оба проекта работают на основе Optimistic Rollup. Их мы и разберем более подробно.

Optimistic Ethereum

Optimistic Ethereum (OΞ) — самое популярное L2-решение, основанное на Optimistic Rollups. Его разрабатывает проект Optimism (бывший Plasma Group). Изначально компания работала над Plasma, но позже перешла к работе над Optimistic Rollups, у которых больший потенциал использования для DeFi. 

OΞ позволяет разработчикам запускать свои проекты в Optimistic Ethereum без переписывания смарт-контрактов. При этом стоимость газа в OΞ в 35 раз ниже, чем в Ethereum. 

С сентября прошлого года работает публичная тестовая сеть OΞ. Сначала предполагалось, что майннет будет запущен в марте нынешнего года. Потом запуск перенесли на это лето, но, кажется, сроки снова спустились. Тем не менее OΞ уже запущено в нескольких крупных проектах: 

  • Synthetix — в январе OΞ запустило OVM в магистральной сети Synthetix, с ее помощью пользователям доступен стейкинг нативного токена SNX. Это выгодно для держателей небольшой суммы токенов: для них из-за высокой стоимости газа транзакции в основной сети могут быть слишком дорогими;
  • Etherscan — в конце мая OΞ начало сотрудничество с блокчейн-аналитической компанией Etherscan; 
  • The Graph — с июня OΞ сотрудничает с платформой индексации данных в DeFi-сетях. Сейчас The Graph поддерживает индексацию данных из Ethereum, IPFS и PoA. The Graph будет предоставлять услуги индексации и запроса проектам, работающим на OΞ;
  • Alchemy — с конца июня OΞ поддерживается платформой Alchemy, которая является поставщиком решений и платежных систем для 70% ведущих Ethereum-приложений; 
  • Uniswap v3 — 13 июля третья версия самой популярной DEX запустила альфа-версию Uniswap v3 в сети OΞ. Альфа-версия — это сеть с ограниченным функционалом, которая поможет выявить скрытые уязвимости и недочеты. Начальная скорость новой сети составит всего в 0.6 операций в секунду, но со временем вырастет. Все транзакции будут подтверждаться сразу же — больше не будет отложенных или застрявших свопов. А вот вывод средств в главную сеть через OΞ займет неделю. Представители Uniswap ожидают, что использование OΞ позволит сократить размер комиссий в 10 раз. 

Последнее партнерство может значительно сказаться на всей сети Ethereum. Ведь Uniswap — самый крупный потребитель газа среди всех проектов на базе Ethereum. 

Arbitrum

Arbitrum — еще одно L2-решение на основе Optimistic Rollups. С 2018 года проект разрабатывает компания Offchain Labs. Заявляется, что решение способно снизить плату за газ в 270 раз. 

Платформа состоит из трех основных компонентов:

  • Компилятор — объединяет набор смарт-контрактов, написанных на языке программирования Solidity, в один исполняемый файл, который может работать на виртуальной машине Arbitrumv (AVM);
  • EthBridge — это децентрализованное приложение (dApp) на базе Ethereum, которое служит мостом между сетями Arbitrum и Ethereum;
  • Валидаторы и агрегаторы: первые несут ответственность за подтверждение блоков, вторые — собирают транзакции и помещают их в блоки основного уровня, получая комиссию от пользователей. 

Между Arbitrum и Optimistic Ethereum есть несколько различий. Оба проекта используют период вызова, в который любой валидатор может оспорить блок в цепочке. Но дальше решения расходятся. Так, OΞ повторно проводит спорную транзакцию в основном уровне Ethereum и проверяет ее. Команда же Arbitrum поняла, что этот процесс может способствовать перегрузке сети. В OΞ необходимо перенести большой объем данных на основной уровень, чтобы вычислить спорную транзакцию и разобраться с ней. Вместо этого Arbitrum определяет проблемную транзакцию еще до генерации блока на втором уровне. Это облегчает основную сеть, но продлевает срок вывода средств. 

28 мая этого года проект Arbitrum при поддержке Etherscan и Alchemy запустил Arbitrum One — майннет для разработчиков. Доступ к сети был предоставлен более чем 250 командам разработчиков. Offchain Labs предполагает, что Arbitrum One будет доступен широкой общественности в ближайшее время, но точные даты не названы. Сотрудничество с Alchemy должно помочь разработчикам легче подключиться к новой сети. 

У Arbitrum есть все шансы обогнать Optimistic Ethereum по популярности. Проект сотрудничает с The Graph, OKEx и ChainLink среди других крупных игроков крипторынка. Например, Arbitrum использует ChainLink для обеспечения связи между смарт-контрактами внутри основной цепочки и внешними ресурсами — комиссия за это оплачивается в токенах LINK. Криптобиржа OKEx поддерживает прямые депозиты и вывод средств в Arbitrum для своих пользователей, чтобы избежать дорогостоящих сборов за газ.

Сообщество Uniswap v3 также предложило запустить DEX на Arbitrum — пока ведется работа над поддержкой интерфейса и развертыванием сети. Успешный запуск Uniswap на Arbitrum принесет DEX большую ликвидность, чем Optimistic Ethereum. При этом биржа продолжит и работу на OΞ.

В конце июля поддержку Abritrum также добавила соцсеть Reddit: решение поможет масштабированию Moons и BRICKS — двух токенов системы баллов Community Points, запущенных в прошлом году. Пока все будет работать в формате тестнета, но это важный шаг по перемещению токенов Reddit в основной блокчейн Ethereum. 

Решения второго уровня дополнят Ethereum 2.0 

Rollups могут работать и в сети Ethereum 2.0, увеличивая ее пропускную способность и производительность. Поэтому разработчики L2-решений не боятся, что их проекты не будут востребованы. 

Проблема в том, что различные решения второго уровня пока еще плохо совместимы: dApps, работающие на одном из них, не могут легко взаимодействовать с dApps, работающими на другом. Например, пользователям неудобно передавать активы между Uniswap на Arbitrum, Curve на ZKSync и Aave на Polygon.

Еще одна проблема использования L2-решений — недостаток ликвидности. Чем больше таких проектов конкурируют между собой, тем сильнее размывается ликвидность. Если проблема интероперабельности не будет решена, это снизит ликвидность рынка и увеличит его волатильность. 

Решения второго уровня — драйвер DeFi-сектора

Использование основной сети Ethereum в DeFi-секторе тормозит ее развитие — сеть Виталика Бутерина пока не справляется с нагрузками. 

Поэтому в ближайшей перспективе именно L2-решения — это наиболее вероятные драйверы развития DeFi. Если они помогут сократить транзакционные расходы в сети Ethereum в несколько раз и смогут масштабировать ее, это может привести к настоящему DeFi-буму: популярность проектов этого сектора может резко вырасти. 

L2-решения могут значительно изменить и улучшить экосистему Ethereum. Однако все они все еще находятся на стадии тестирования, и им может потребоваться некоторое время, чтобы запуститься в полную силу. Поэтому надеяться на быстрые результаты не стоит: протоколы второго уровня требуют доработок, прежде чем их смогут массово использовать большинство пользователей основной сети Ethereum.