شبکه لایه یک چیست؟

در سال‌های اخیر، فناوری بلاکچین به عنوان یکی از تحول‌آفرین‌ترین نوآوری‌های قرن بیست‌ویکم شناخته شده است. این فناوری با هدف ایجاد شفافیت، امنیت و عدم تمرکز در ثبت داده‌ها، نه تنها صنعت مالی بلکه حوزه‌هایی چون سلامت، لجستیک، هنر و اینترنت اشیا را نیز دستخوش دگرگونی کرده است. با افزایش پذیرش این فناوری، مفاهیم فنی و زیرساختی متعددی در دل آن شکل گرفته‌اند که درک دقیق آن‌ها برای فعالان حوزه ضروری است.

شبکه‌های بلاکچین از ساختارهای پیچیده‌ای تشکیل شده‌اند که برای درک بهتر آن‌ها، توسعه‌دهندگان و متخصصان، مفهومی به نام لایه‌بندی (Layering) را معرفی کرده‌اند. یکی از مهم‌ترین این لایه‌ها، لایه یک (Layer 1) است. در این مقاله به صورت جامع و دقیق به معرفی شبکه لایه ۱، کاربردها، چالش‌ها، و تفاوت آن با لایه‌های دیگر می‌پردازیم.

بلاک چین لایه ۱ چیست؟

لایه ۱ به زنجیره اصلی و پایه‌ای یک شبکه بلاکچین گفته می‌شود که مسئولیت اصلی آن، اجرای مستقیم تراکنش‌ها، انجام فرآیند اجماع و نگهداری از وضعیت دفتر کل توزیع‌شده (Ledger) است. این لایه نقش ستون فقرات را در ساختار بلاکچین ایفا می‌کند و امنیت، شفافیت و هماهنگی بین نودها را تضمین می‌نماید.
در لایه ۱، همه داده‌ها به‌صورت غیرمتمرکز و شفاف بین نودهای مشارکت‌کننده توزیع می‌شود و هرگونه تغییر یا پردازش تراکنش باید توسط اکثریت شبکه تأیید شود.
بلاکچین‌هایی مانند بیت‌کوین، اتریوم، سولانا و کاردانو از جمله نمونه‌های شاخص لایه ۱ هستند که هر کدام از آن‌ها با استفاده از الگوریتم‌های اجماع مختلف (PoW، PoS، یا ترکیبی) و ساختار بلاک اختصاصی، زیرساخت اجرای تراکنش‌ها و قراردادهای هوشمند را فراهم می‌کنند.

هر بلاکچین لایه ۱ دارای پروتکل اصلی خود است که قوانین آن شبکه را تعریف می‌کند، مانند الگوریتم اجماع (اثبات کار یا اثبات سهام)، ساختار بلاک‌ها، زمان بلاک، پاداش ماینرها یا اعتبارسنج‌ها و غیره.

مقیاس ‌پذیری لایه ۱

مقیاس‌پذیری (Scalability) به توانایی یک شبکه در پردازش تعداد زیادی از تراکنش‌ها در واحد زمان گفته می‌شود. لایه ۱ با محدودیت‌هایی در مقیاس‌پذیری روبروست، زیرا در این لایه، همه نودها باید تراکنش‌ها را بررسی و اعتبارسنجی کنند. این فرآیند نیازمند هماهنگی گسترده و ذخیره‌سازی اطلاعات در سراسر شبکه است که با افزایش تعداد کاربران و تراکنش‌ها، به‌طور چشمگیری سنگین‌تر می‌شود.
در نتیجه، افزایش بار شبکه باعث کندی عملکرد، صف انتظار در تأیید تراکنش‌ها، و افزایش کارمزدها می‌شود. این محدودیت ذاتی به یکی از اساسی‌ترین موانع رشد بلاکچین‌های لایه ۱ تبدیل شده است، به‌ویژه در زمان‌هایی که تقاضا در شبکه بسیار بالا می‌رود، مانند رونق توکن‌های NFT یا اجرای قراردادهای هوشمند پیچیده.

راهکارهای مقیاس پذیری لایه 1

برای افزایش مقیاس‌پذیری لایه ۱، چهار راه‌کار اصلی وجود دارد:

1. افزایش ظرفیت بلاک: به معنای بزرگ‌تر کردن اندازه هر بلاک در بلاکچین است تا تراکنش‌های بیشتری در هر بلاک قرار گیرند. یکی از مثال‌های مشهور در این زمینه، بیت‌کوین کش (Bitcoin Cash) است که در سال ۲۰۱۷ به عنوان یک هارد فورک از شبکه بیت‌کوین جدا شد. دلیل این جداسازی، اختلاف نظر در جامعه توسعه‌دهندگان بیت‌کوین درباره نحوه مقیاس‌پذیری بود. حامیان بیت‌کوین کش معتقد بودند که افزایش اندازه بلاک (از ۱ مگابایت به ۸ مگابایت و سپس بیشتر) می‌تواند راهکاری ساده و مؤثر برای افزایش ظرفیت تراکنش‌ها در لایه ۱ باشد. این تغییر باعث شد که بیت‌کوین کش قادر باشد تعداد تراکنش بیشتری در هر بلاک جای دهد و زمان انتظار و کارمزدها در شبکه کاهش یابد. با این حال، منتقدان این رویکرد می‌گویند که اندازه بزرگ‌تر بلاک منجر به سنگین‌تر شدن کل بلاکچین و کاهش تمرکززدایی نودها می‌شود، زیرا اجرای نودها نیازمند منابع سخت‌افزاری بیشتری خواهد بود.

2. افزایش سرعت تولید بلاک‌ها: به معنای کاهش زمان بین ایجاد بلاک‌های متوالی در شبکه بلاکچین است. با کوتاه‌تر شدن این زمان، تعداد بلاک‌های تولید شده در یک بازه زمانی مشخص افزایش یافته و در نتیجه، تراکنش‌های بیشتری می‌توانند پردازش شوند. یکی از نمونه‌های بارز این روش، بلاکچین سولانا (Solana) است. سولانا از ترکیب الگوریتم اثبات تاریخ (Proof of History) و اثبات سهام (Proof of Stake) استفاده می‌کند تا بتواند بلاک‌هایی با زمان تولید کمتر از یک ثانیه ارائه دهد. این ویژگی باعث شده سولانا به توان عملیاتی بالایی برسد و تا بیش از ۵۰٬۰۰۰ تراکنش در ثانیه (TPS) را پردازش کند. با این حال، چنین سرعت بالایی چالش‌هایی نیز دارد؛ از جمله نیاز به سخت‌افزارهای قوی برای اجرای نودها و احتمال افزایش تمرکز شبکه به دلیل دشواری مشارکت برای نودهای عادی.

3. راه‌اندازی بلاکچین لایه دوم: ایجاد لایه‌های دوم مانند Optimistic Rollups و ZK-Rollups یکی از راهکارهای نوآورانه برای کاهش بار روی لایه اصلی (لایه ۱) است. در این روش، تراکنش‌ها ابتدا روی یک زنجیره جانبی پردازش می‌شوند و سپس نتیجه نهایی به لایه ۱ ارسال می‌گردد. این رویکرد باعث کاهش هزینه‌ها و افزایش سرعت پردازش می‌شود، بدون آن‌که امنیت لایه ۱ به خطر بیفتد. به عنوان مثال، راهکار آربیتروم (Arbitrum) برای شبکه اتریوم از نوع Optimistic Rollup است که بسیاری از اپلیکیشن‌های غیرمتمرکز (dApps) از آن برای اجرای ارزان‌تر و سریع‌تر قراردادهای هوشمند استفاده می‌کنند.

4. استفاده از روش‌هایی مانند شاردینگ که در ادامه توضیح می‌دهیم.

شاردینگ لایه ۱ چیست؟

شاردینگ (Sharding) یک روش برای تقسیم زنجیره بلاکچین به بخش‌های کوچکتر به نام «شارد» است. هر شارد مسئول پردازش بخشی از تراکنش‌ها و داده‌های شبکه است. این کار باعث کاهش بار روی کل شبکه و افزایش سرعت پردازش می‌شود.

در این مدل، تمام نودها نیازی به تأیید تمام تراکنش‌های شبکه ندارند. به عنوان مثال:
ارتقای سگویت (Segregated Witness یا SegWit) در شبکه بیت‌کوین است. این به‌روزرسانی در سال ۲۰۱۷ معرفی شد تا بخشی از داده‌های تراکنش (امضای دیجیتال یا witness data) را از فضای اصلی بلاک جدا کند و در بخشی مستقل ذخیره کند. با این کار، فضای آزاد بیشتری در بلاک‌ها فراهم شد و تعداد بیشتری تراکنش در هر بلاک جا گرفت، بدون آنکه اندازه بلاک رسمی تغییر کند. نتیجه این بهبود، افزایش ظرفیت شبکه بیت‌کوین برای پردازش تراکنش‌ها در واحد زمان و کاهش کارمزدها بود. سگویت همچنین مسیر را برای اجرای راهکارهای لایه دوم مانند شبکه لایتنینگ هموار کرد.

شبکه لایتنینگ

شبکه لایتنینگ (Lightning Network) یک راهکار لایه دوم برای بیت‌کوین است که به کاربران امکان می‌دهد پرداخت‌های سریع و کم‌هزینه انجام دهند. در این شبکه، کانال‌های پرداختی بین دو کاربر باز می‌شود و تراکنش‌ها خارج از زنجیره اصلی انجام می‌گیرند.

فقط در زمان باز و بسته شدن کانال، تراکنش‌ها در بلاکچین اصلی ثبت می‌شوند. این روش باعث می‌شود فشار زیادی از روی زنجیره اصلی برداشته شود و تعداد تراکنش‌های همزمان افزایش یابد.

مقایسه بلاکچین‌های لایه یک با لایه دو

لایه دو (Layer 2) به راهکارهایی گفته می‌شود که روی شبکه لایه ۱ ساخته می‌شوند تا محدودیت‌های آن را رفع کنند، به‌خصوص در زمینه مقیاس‌پذیری و هزینه‌ها. لایه‌های دوم معمولاً بدون تغییر در پروتکل لایه ۱ عمل می‌کنند.

تفاوت‌های کلیدی:

• مستقل بودن: لایه ۱ پروتکل اصلی است، اما لایه ۲ بدون آن کار نمی‌کند.

• مقیاس‌پذیری: لایه ۲ می‌تواند تراکنش‌ها را سریع‌تر و ارزان‌تر پردازش کند.

• امنیت: لایه ۱ امنیت بالاتری دارد زیرا مستقیماً به اجماع شبکه متکی است.

نمونه‌هایی از بلاک چین لایه ۱

1. بیت‌کوین (Bitcoin): اولین بلاکچین عمومی و غیرمتمرکز که بر پایه الگوریتم اثبات کار (PoW) فعالیت می‌کند. هدف اصلی آن ایجاد یک ارز دیجیتال همتا به همتا بود و به عنوان طلای دیجیتال شناخته می‌شود.

2. اتریوم (Ethereum): دومین بلاکچین بزرگ، با قابلیت اجرای قراردادهای هوشمند. از الگوریتم اثبات سهام (PoS) در نسخه جدید خود استفاده می‌کند و بستر اصلی بسیاری از اپلیکیشن‌های غیرمتمرکز (dApps) است.

3. سولانا (Solana): بلاکچینی بسیار سریع با استفاده از الگوریتم اثبات تاریخ (PoH) در کنار PoS. مناسب برای اپلیکیشن‌هایی با نیاز به پردازش بالا مانند بازی‌ها و پلتفرم‌های معاملاتی.

4. کاردانو (Cardano): تمرکز بر تحقیقات دانشگاهی و توسعه تدریجی. از الگوریتم اجماع Ouroboros بهره می‌برد و یکی از پروژه‌هایی است که بر پایه اثبات سهام توسعه یافته است.

5. آوالانچ (Avalanche): پلتفرمی با ساختار چندزنجیره‌ای و الگوریتم اجماع اختصاصی که به سرعت بالای نهایی‌سازی تراکنش‌ها و پشتیبانی از اپلیکیشن‌های DeFi معروف است.

6. آیوتکس (IoTeX): بلاکچینی متمرکز بر اینترنت اشیا (IoT) که با ترکیب اثبات سهام و قابلیت حریم خصوصی، بستری برای اتصال دستگاه‌های هوشمند به بلاکچین فراهم می‌کند.
   

7. کاوا (Kava): پلتفرم لایه ۱ با تمرکز بر امور مالی غیرمتمرکز (DeFi) که قابلیت پشتیبانی از دارایی‌های چند زنجیره‌ای را دارد و با استفاده از Tendermint Core توسعه یافته است.

8. تورچین (THORChain): بلاکچینی لایه ۱ با هدف تسهیل مبادله دارایی‌ها بین زنجیره‌های مختلف به‌صورت غیرمتمرکز و بدون نیاز به پل (bridge).

9. سلو (Celo): شبکه‌ای با تمرکز بر خدمات مالی موبایلی در کشورهای در حال توسعه. از اثبات سهام استفاده می‌کند و کاربران می‌توانند از طریق شماره موبایل به کیف پول‌های خود دسترسی داشته باشند.

10. هارمونی (Harmony): بلاکچینی سریع و مقیاس‌پذیر با استفاده از شاردینگ و الگوریتم FBFT برای پردازش موازی تراکنش‌ها و اپلیکیشن‌های غیرمتمرکز.

11. الروند (Elrond) / MultiversX: بلاکچینی با معماری تطبیق‌پذیر و الگوریتم Adaptive State Sharding که توان عملیاتی بسیار بالا و زمان نهایی‌سازی پایین را فراهم می‌کند. مناسب برای مقیاس‌پذیری در سطح سازمانی.

این پروژه‌ها هر کدام با رویکرد خاص خود سعی در حل چالش‌های بنیادی لایه ۱ دارند؛ از تمرکز بر سرعت و مقیاس‌پذیری گرفته تا حمایت از حریم خصوصی و دسترسی‌پذیری جهانی.

چالش‌های اصلی بلاکچین‌های لایه ۱

بلاکچین‌های لایه ۱ با وجود آن‌که ستون فقرات فناوری بلاکچین به شمار می‌روند، با چالش‌های مهمی مواجه هستند که توسعه و پذیرش آن‌ها را محدود می‌کند. مهم‌ترین چالش‌ها عبارت‌اند از:

1. مقیاس‌پذیری: یکی از بزرگ‌ترین موانع، محدودیت در پردازش تعداد زیاد تراکنش‌ها در واحد زمان است. بلاکچین‌هایی مانند بیت‌کوین و اتریوم در نسخه‌های اولیه خود تنها می‌توانند تعداد کمی تراکنش در ثانیه (TPS) را پردازش کنند که نسبت به سیستم‌های متمرکز مانند ویزا بسیار پایین‌تر است.

2. کارمزد بالا: زمانی که تراکنش‌های زیادی به شبکه ارسال می‌شود و ظرفیت محدود است، رقابت برای گنجانده شدن در بلاک بعدی افزایش می‌یابد و این باعث افزایش هزینه تراکنش‌ها می‌شود. این مشکل در زمان شلوغی شبکه اتریوم به وضوح دیده می‌شود.

3. زمان تأیید تراکنش‌ها: برخی بلاکچین‌ها به زمان طولانی برای تأیید نهایی تراکنش‌ها نیاز دارند. این موضوع در کاربردهای آنی مانند پرداخت‌ها مشکل‌ساز است.

4. تمرکززدایی در مقابل کارایی: دستیابی همزمان به تمرکززدایی، امنیت و مقیاس‌پذیری، که به «سه‌گانه بلاکچین» معروف است، یک چالش اساسی محسوب می‌شود. افزایش مقیاس‌پذیری معمولاً به قیمت کاهش تمرکززدایی یا امنیت تمام می‌شود.

5. سختی ارتقاء پروتکل: اعمال تغییرات در پروتکل‌های لایه ۱ مانند تغییر الگوریتم اجماع یا افزایش ظرفیت بلاک نیازمند اجماع بین توسعه‌دهندگان، نودها و کاربران است. این فرایند ممکن است منجر به اختلاف و حتی فورک‌های سخت شود.

6. مصرف انرژی (برای بلاکچین‌های PoW): بلاکچین‌هایی که از اثبات کار استفاده می‌کنند، مانند بیت‌کوین، انرژی زیادی مصرف می‌کنند که نگرانی‌های زیست‌محیطی ایجاد کرده است.

این چالش‌ها دلیل اصلی توسعه لایه‌های دوم، بلاکچین‌های ماژولار و ارتقاءهای پروتکلی برای حل محدودیت‌های ذاتی لایه ۱ هستند.

جمع‌بندی

بلاکچین‌های لایه ۱ زیربنای اصلی سیستم‌های غیرمتمرکز هستند. آن‌ها امنیت، اجماع و ثبت تراکنش‌ها را فراهم می‌کنند، اما با چالش‌هایی مانند مقیاس‌پذیری روبرو هستند. برای رفع این چالش‌ها، راهکارهایی مانند شاردینگ و لایه ۲ توسعه یافته‌اند. درک کامل ساختار لایه‌ای بلاکچین، گامی اساسی برای طراحی و استفاده مؤثرتر از این فناوری نوین است.