Warstwy Blockchain – Architektura technologii stojącej za kryptowalutami

Blockchain to technologia, która zdobyła popularność dzięki kryptowalutom, takim jak Bitcoin czy Ethereum, choć z jednej strony powstała dużo wcześniej, a z drugiej jej zastosowania są znacznie szersze i sięgają wielu sektorów gospodarki. Blockchain, czyli w dosłownym tłumaczeniu łańcuch bloków, to po prostu zdecentralizowana baza danych. W kontekście kryptowalut umożliwia on przechowywanie historii transakcji w sposób zdecentralizowany, co gwarantuje ich bezpieczeństwo, niezmienność i transparentność. Między innymi te jego cechy sprawiły, że oparty na nim Bitcoin (ale także inne kryptowaluty) zdobył zaufanie użytkowników na całym świecie.

Jednym z ważnych aspektów nowoczesnych systemów blockchain jest ich wielowarstwowa architektura. Dzięki podziałowi na warstwy, blockchain może być skalowalny, interoperacyjny i bardziej wydajny, co jest istotne chociażby w kontekście rosnącej liczby użytkowników kryptowalut i zdecentralizowanych aplikacji. W tym artykule omówimy czym są warstwy blockchain, jakie pełnią funkcje oraz w jaki sposób wpływają na użytkownika końcowego, korzystającego z lub inwestującego w kryptowaluty.

Co to są warstwy blockchain?

Wielowarstwowa architektura blockchain pozwala na rozdzielenie funkcji i odpowiedzialności pomiędzy różne poziomy, co upraszcza zarządzanie i rozwój technologii. Warstwy blockchain umożliwiają budowanie bardziej złożonych ekosystemów, gdzie różne funkcje, takie jak przetwarzanie transakcji, zarządzanie danymi czy tworzenie aplikacji, są oddzielone.

Podział na warstwy ma kilka głównych korzyści:

• Skalowalność – Pozwala zwiększyć wydajność blockchaina, umożliwiając przetwarzanie większej liczby transakcji w jednostce czasu.
• Bezpieczeństwo – Oddzielne warstwy mogą zajmować się różnymi aspektami bezpieczeństwa, co sprawia, że sieć jest bardziej odporna na ataki.
• Personalizacja – Warstwy umożliwiają tworzenie niestandardowych rozwiązań i dostosowanie blockchaina do konkretnych potrzeb.
• Łatwiejszy rozwój – Wielowarstwowa struktura pozwala na rozwijanie i ulepszanie poszczególnych elementów systemu bez wpływu na inne warstwy.

Warstwa 0 (Layer 0)

Layer 0 to najniższa warstwa blockchain, tworząca infrastrukturę bazową dla wszystkich wyższych poziomów. Jest to podstawa, na której budowane są poszczególne blockchainy (Layer 1) oraz rozwiązania wspierające (Layer 2 i Layer 3).

Funkcje i znaczenie Layer 0:

• Interoperacyjność – Layer 0 umożliwia komunikację między różnymi blockchainami, co jest kluczowe dla rozwoju aplikacji międzyłańcuchowych (cross-chain). Dzięki temu różne blockchainy mogą współpracować, wymieniać dane i zasoby, co znacząco rozszerza możliwości technologii.
• Skalowalność – Layer 0 wspiera równoległy rozwój różnych blockchainów, dzięki czemu możliwe jest skalowanie sieci bez przeciążania jednego głównego łańcucha.
• Elastyczność – Layer 0 pozwala na tworzenie niestandardowych blockchainów (Layer 1) zgodnie z wymaganiami i potrzebami ich deweloperów i użytkowników , co umożliwia rozwój różnorodnych, spersonalizowanych ekosystemów.

Przykłady Layer 0:

1. Polkadot – Ekosystem parachainów, który umożliwia interakcję między różnymi blockchainami i tworzenie własnych łańcuchów.
2. Cosmos – Wspiera komunikację między blockchainami dzięki technologii Cosmos SDK i protokołowi IBC (Inter-Blockchain Communication).
3. Avalanche – Sieć z tzw. subnetami, które umożliwiają tworzenie i zarządzanie różnymi blockchainami w ramach jednej struktury.

Warstwa 1 (Layer 1)

Layer 1 to główna warstwa blockchain, na której zachodzą podstawowe operacje, takie jak przechowywanie danych, walidacja transakcji oraz zabezpieczenie sieci poprzez mechanizmy konsensusu.

Funkcje Layer 1:

• Mechanizmy konsensusu – Warstwa 1 odpowiada za mechanizmy konsensusu, które gwarantują, że transakcje są prawidłowe i mogą zostać dodane do łańcucha. Przykładami są Proof of Work (PoW) na sieci Bitcoina i Proof of Stake (PoS) na sieci Ethereum.
• Walidacja i bezpieczeństwo – Na Layer 1 odbywa się walidacja transakcji, a zapis danych jest niezmienny, co zapewnia bezpieczeństwo całego systemu.

Przykłady Layer 1:

1. Bitcoin – Pierwszy blockchain oparty na PoW, słynący z wysokiego poziomu bezpieczeństwa.
2. Ethereum – Platforma do tworzenia smart kontraktów, która zaktualizowała swój mechanizm konsensusu do PoS w ramach Ethereum 2.0.
3. Solana – Nowoczesny blockchain, który stosuje innowacyjne podejście do skalowalności i wydajności.

Warstwa 2 (Layer 2)

Layer 2 to dodatkowa warstwa działająca “nad” Layer 1, której celem jest zwiększenie wydajności warstwy 1 i obniżenie kosztów transakcji. Layer 2 odciąża główny łańcuch, wykonując część operacji poza nim, a następnie przesyła wyniki tych operacji do Layer 1, co pozwala na optymalizację działania sieci warstwy 1.

Funkcje Layer 2:

• Odciążenie głównego blockchaina – Przetwarzanie transakcji poza głównym łańcuchem pozwala zmniejszyć obciążenie.
• Obniżenie kosztów – Layer 2 zmniejsza koszty gas fees (opłaty transakcyjne), co jest istotne w sieciach o dużym ruchu, takich jak Ethereum.
• Zwiększenie szybkości – Dzięki Layer 2 możliwe jest przetwarzanie większej liczby transakcji w krótszym czasie.

Przykłady Layer 2:

1. Lightning Network dla Bitcoina – Umożliwia błyskawiczne i tanie transakcje pomiędzy użytkownikami sieci Bitcoina.
2. Rollupy na Ethereum – Optimistic Rollups i ZK-Rollups, które zwiększają wydajność poprzez przetwarzanie wielu transakcji poza głównym łańcuchem.
3. Plasma i State Channels – Inne technologie Layer 2, które usprawniają przetwarzanie transakcji.

Warstwa 3 (Layer 3)

Layer 3 to warstwa aplikacyjna, która umożliwia użytkownikom końcowym korzystanie z blockchaina poprzez różnorodne aplikacje i protokoły. To właśnie na tej warstwie znajdują się zdecentralizowane aplikacje (and. decentralized applications, dApps), które wykorzystują blockchain do dostarczania usług użytkownikom.

Funkcje Layer 3:

• dApps – Layer 3 to między innymi aplikacje zdecentralizowane, chociażby w ramach DeFi, gamingu czy AI.
• Interoperacyjność między blockchainami – w ramach Layer 3 możliwe jest tworzenie aplikacji, które współpracują z różnymi blockchainami.
• Middleware i integracja – Protokoły middleware na Layer 3 wspierają integrację różnych blockchainów i ułatwiają rozwój zdecentralizowanych aplikacji.

Przykłady Layer 3:

1. dApps – Aplikacje zdecentralizowane, takie jak platformy DeFi, NFT i gry blockchain.
2. Protokoły middleware – Narzędzia wspierające łączenie blockchainów i umożliwiające współpracę różnych aplikacji.

W niektórych ujęciach Layer 3 odnosi się do warstwy cross-chain, odpowiedzialnej za interoperacyjność między blockchainami, co pokazuje, że różne ekosystemy mogą interpretować tę warstwę nieco inaczej. W takim przypadku opisana wyżej warstwa nazywana jest application layer.

Warstwy blockchian. Źródło: https://www.reveation.io/

Jak warstwy blockchain współpracują ze sobą?

Każda z warstw blockchain pełni unikalną funkcję, ale razem tworzą one efektywną i skalowalną infrastrukturę. Warstwa 0 dostarcza infrastrukturę dla tworzenia spersonalizowanych, interoperacyjnych blockchainów (Layer 1). Warstwa 1 zapewnia podstawowe funkcje, takie jak bezpieczeństwo i konsensus. Warstwa 2 wspiera skalowalność i szybkość, odciążając główny blockchain. Wreszcie, Warstwa 3 umożliwia interakcję użytkowników z blockchainem poprzez aplikacje i protokoły.

Dzięki tej współpracy blockchain może być jednocześnie skalowalny jak i bezpieczny. Na przykład aplikacja DeFi na Layer 3 może korzystać z Layer 2, by obniżyć koszty transakcji, jednocześnie czerpiąc korzyści z bezpieczeństwa Layer 1.

Nie każdy blockchain korzysta natomiast z pełnej architektury wielowarstwowej, obejmującej Layer 0, Layer 1, Layer 2 i Layer 3. Istnieją rozwiązania, które skupiają się na uproszczonej strukturze, integrując funkcje w mniejszej liczbie warstw. Przykładem takiego podejścia jest Solana, której ekosystem działa głównie w ramach Layer 1 i warstwy aplikacyjnej (Layer 3), bez wsparcia dla Layer 0 czy Layer 2.

Solana jest blockchainem monolitycznym, co oznacza, że większość funkcji, takich jak konsensus, bezpieczeństwo i skalowalność, jest realizowana w ramach jednej warstwy (Layer 1). W przeciwieństwie do projektów takich jak Polkadot czy Cosmos, które opierają się na Layer 0 do zapewnienia interoperacyjności między różnymi blockchainami, Solana stawia na szybkość i wydajność w ramach pojedynczego blockchainu.

Solana jest doskonałym przykładem blockchaina, który nie wymaga wszystkich warstw do skutecznego działania. Dzięki skupieniu się na optymalizacji Layer 1, Solana dostarcza szybki i tani blockchain, który jednocześnie obsługuje aplikacje zdecentralizowane (Layer 3). To pokazuje, że różne blockchainy mogą wybierać różne podejścia w zależności od swoich priorytetów, takich jak wydajność, skalowalność czy interoperacyjność.

Podsumowanie

Blockchain to technologia zdecentralizowanej bazy danych, która zdobyła popularność dzięki kryptowalutom, ale jej zastosowania wykraczają daleko poza ten sektor. Jednym z kluczowych aspektów współczesnych systemów blockchain, w kontekście kryptowalut, jest ich wielowarstwowa architektura, która umożliwia skalowalność, bezpieczeństwo, interoperacyjność i elastyczność w dostosowywaniu do różnych zastosowań.

Artykuł przedstawia cztery główne warstwy blockchain:

• Layer 0 (Warstwa 0) – Fundament ekosystemu, umożliwiający interoperacyjność między blockchainami i tworzenie spersonalizowanych ekosystemów (np. Polkadot, Cosmos, Avalanche).
• Layer 1 (Warstwa 1) – Podstawa blockchaina, odpowiedzialna za konsensus, bezpieczeństwo i przechowywanie danych. Przykłady to Bitcoin, Ethereum i Solana.
• Layer 2 (Warstwa 2) – Rozwiązania wspierające skalowalność i redukcję kosztów poprzez odciążenie Layer 1 (np. Lightning Network, Rollupy na Ethereum).
• Layer 3 (Warstwa 3) – Warstwa aplikacyjna, obejmująca zdecentralizowane aplikacje (DApps) i protokoły middleware, które dostarczają funkcje użytkownikom końcowym.

Poszczególne warstwy współpracują ze sobą, tworząc skalowalną i bezpieczną infrastrukturę. Przykładowo, aplikacja DeFi na Layer 3 może korzystać z Layer 2 w celu obniżenia kosztów transakcji, przy jednoczesnym zachowaniu bezpieczeństwa oferowanego przez Layer 1.

Nie wszystkie blockchainy muszą jednak korzystać z pełnej architektury wielowarstwowej. Solana jest przykładem blockchaina monolitycznego, który działa wyłącznie w ramach Layer 1 i warstwy aplikacyjnej, oferując wysoką wydajność i niskie koszty bez potrzeby wsparcia Layer 0 czy Layer 2.

Wybór odpowiedniej struktury blockchain zależy od priorytetów i potrzeb danego projektu. Wielowarstwowa architektura zapewnia elastyczność i możliwości rozwoju, ale uproszczone rozwiązania, takie jak Solana, również znajdują swoje miejsce w zróżnicowanym ekosystemie projektów kryptowalutwych opartych o technologię blockchain.