Il ruolo del Layer 1 nelle reti blockchain

Se ti sei mai chiesto qual è la connessione tra Polygon ed Ethereum o tra Polkadot e le sue parachain, familiarizzare con Layer 1 e Layer 2 dell'architettura blockchain può aiutarti a trovare le risposte. Questi termini possono aiutarti a comprendere meglio le blockchain, i progetti e gli strumenti di sviluppo.

Nozioni di base

Le blockchain Layer-1 sono la base di molte reti popolari, come Bitcoin, BNB Chain ed Ethereum. Queste reti sono progettate per finalizzare e convalidare le transazioni in modo autonomo, senza dipendere da un altro network. Tuttavia, aumentare la scalabilità delle reti layer-1 può essere difficile, come abbiamo visto con Bitcoin. Per superare questo problema, gli sviluppatori spesso creano protocolli layer-2 che lavorano sopra la rete layer-1 sottostante, offrendo agli utenti maggiore velocità e throughput. Un esempio emblematico è il Lightning Network di Bitcoin, che funziona come protocollo layer-2 permettendo transazioni off-chain registrate successivamente sulla chain principale.

Cos'è il Layer 1?

Il Layer 1 si riferisce allo strato fisico nel modello OSI, responsabile della trasmissione di bit grezzi attraverso una rete. Un protocollo layer-1 può processare e concludere le transazioni sulla propria blockchain. Inoltre, questo protocollo ha solitamente un token nativo utilizzato per il pagamento delle commissioni di transazione.

Le reti Layer-1 sono i mattoni fondamentali della tecnologia blockchain. Tra queste troviamo BNB Smart Chain, Ethereum, Bitcoin e Solana, tra le altre. Sono chiamate layer-1 perché rappresentano le reti principali che formano la base dei rispettivi ecosistemi blockchain. Soluzioni off-chain e layer-2 vengono costruite sopra questi protocolli layer-1. 

Scalabilità del Layer 1

La scalabilità delle reti layer-1, come Bitcoin, è spesso limitata dal meccanismo di consenso sottostante, in particolare il Proof of Work (PoW). Con l'aumento della domanda, PoW mostra limiti nel processare un numero sufficiente di transazioni in tempi rapidi, causando problemi di scalabilità. Sono state proposte diverse soluzioni per aumentare il throughput delle transazioni della rete, come l'aumento della dimensione dei blocchi e l'implementazione dello sharding.

Sfortunatamente, la difficoltà per le reti PoW di mantenere decentralizzazione e sicurezza porta a velocità di transazione più lente e commissioni più elevate quando il numero di transazioni è alto. Ciò si traduce in tempi di attesa prolungati per le conferme e costi maggiori.

Per molti anni si è dibattuto molto su quale sia la migliore soluzione di scaling per la tecnologia blockchain. Gli sviluppatori hanno esplorato opzioni di scalabilità layer-1 come lo sharding e soluzioni off-chain. Per la scalabilità layer-1, alcune opzioni considerate sono:

1. Aumentare la dimensione di ogni blocco per permettere che più transazioni siano processate simultaneamente.
2. Con l'aggiornamento Ethereum 2.0, sarebbe possibile modificare il meccanismo di consenso.
3. Implementare lo sharding, un tipo di partizionamento dei dati.

Implementare aggiornamenti al Layer 1 richiede un notevole sforzo. Sfortunatamente, non è detto che tutti gli utenti della rete siano d'accordo, con il rischio di creare una frattura nella comunità o addirittura di generare un hard fork, come avvenuto tra Bitcoin e Bitcoin Cash nel 2017.

SegWit

SegWit (segregated witness) di Bitcoin è una soluzione layer-1 per lo scaling che non compromette la sicurezza della rete. È stato implementato tramite un soft fork, permettendo ai nodi Bitcoin più vecchi di continuare a processare transazioni senza aggiornamenti obbligatori. Modificando l'organizzazione dei dati nel blocco, SegWit ha rimosso le firme digitali dall'input delle transazioni liberando spazio e aumentando così il throughput delle transazioni di Bitcoin.

Sharding layer-1

Lo sharding layer-1 è una tecnica di scalabilità blockchain che divide i blocchi della rete in partizioni più piccole, o “shard”, per migliorare la velocità di elaborazione dei blocchi e il tasso di throughput delle transazioni.

Lo sharding è un approccio molto utilizzato per massimizzare il throughput delle transazioni. Questo metodo di suddivisione del database è spesso impiegato nei ledger distribuiti blockchain. La rete e i suoi nodi vengono frazionati in più shard per bilanciare il carico e aumentare il numero di transazioni elaborate. Ogni shard si occupa di uno specifico segmento di rete, contenendo le proprie transazioni, i nodi e i blocchi.

Lo sharding elimina la necessità che ogni nodo possieda una copia completa della blockchain. Invece, ogni nodo aggiorna la chain principale con informazioni sui propri dati locali, come il saldo degli indirizzi e altre misure essenziali.

Layer 1 VS Layer 2

Molte migliorie non possono essere applicate direttamente sul layer 1 della rete principale a causa di limiti tecnici, rendendo difficoltosa o impossibile l'implementazione di certi cambiamenti. Per esempio, Ethereum ha impiegato diversi anni per passare dal Proof of Work al Proof of Stake.

Se un caso d'uso richiede un'applicazione su larga scala, eseguirla esclusivamente su layer 1, come un gioco blockchain, non è pratico. Per preservare la sicurezza e la decentralizzazione del layer 1, la soluzione migliore è impiegare un layer-2 che si costruisca sopra la rete. Questo ridurrà i tempi di transazione e aiuterà l'applicazione a raggiungere il suo potenziale ottimale.

Lightning Network

Le soluzioni layer-2 utilizzano Layer 1 come base per completare le transazioni. Un caso famoso è il Lightning Network. Quando la rete Bitcoin è molto trafficata, l'elaborazione delle transazioni può richiedere ore. Con il Lightning Network, gli utenti possono inviare pagamenti in Bitcoin su canali non principali in modo rapido. Infine, il risultato viene riconciliato e riportato sulla chain originale, risparmiando tempo e risorse. In questo modo, le transazioni vengono aggregate in un unico resoconto.

Esempi di blockchain Layer 1

Una volta compreso cosa sia il layer 1, possiamo esaminare da vicino alcune delle numerose blockchain layer-1 disponibili. Queste offrono soluzioni per diversi scenari d'uso, dimostrando che esistono alternative a Bitcoin ed Ethereum. Diverse reti hanno trovato risposte al crypto trilemma, che ruota attorno a decentralizzazione, sicurezza e scalabilità.

Elrond

Fondata nel 2018, Elrond è una rete blockchain layer-1 che sfrutta lo sharding per aumentare la scalabilità e le prestazioni. Impiegando il suo protocollo di consenso Secure Proof of Stake (SPoS) e la tecnologia Adaptive State Sharding, la rete Elrond è in grado di processare più di 100.000 transazioni al secondo (TPS).

Adaptive State Sharding permette di mantenere una topologia di rete bilanciata tramite divisioni, fusioni e riallocazioni dei validatori man mano che il numero di utenti varia. L'intera infrastruttura blockchain, comprese le registrazioni delle transazioni, i saldi degli account e altro, viene suddivisa in shard per offrire scalabilità e impedire che attori malevoli dominino un singolo shard.

La rete Elrond è l'unica blockchain certificata Carbon Negative, il che significa che compensa più emissioni di CO2 di quante ne produca dal suo meccanismo Proof of Stake. Il token nativo di Elrond, EGLD, può essere usato per commissioni di transazione, deployment di DApp e per premiare gli utenti che partecipano ai processi di validazione della rete.

Harmony

Harmony è una rete layer-1 che utilizza l'Effective Proof of Stake (EPoS). Per supportare lo sharding, dispone di quattro shard che operano in parallelo per creare e validare nuovi blocchi in modo indipendente. Questi shard possono lavorare a velocità diverse, quindi le altezze dei blocchi possono variare tra di loro.

Harmony sta adottando una strategia di “Cross-Chain Finance” per attrarre sviluppatori e utenti. I bridge trustless che la collegano a Ethereum e Bitcoin sono fondamentali, permettendo lo scambio di token in modo sicuro, senza i rischi tipici di alcuni bridge. Al centro della visione di Harmony per scalare il Web3 vi è l'attenzione su DAO e prove a conoscenza zero (zero-knowledge proofs).

Il percorso della DeFi sembra promettere grandi potenzialità, con capacità multi-chain e cross-chain in prima linea. I servizi di bridging di Harmony sono molto richiesti per le possibilità progressive, in particolare per infrastrutture NFT, strumenti DAO e bridge inter-protocollo.

Il token nativo di Harmony, ONE, può essere usato per pagare le commissioni di rete e per lo staking nel meccanismo di consenso e governance. I validatori possono guadagnare ricompense di blocco e commissioni partecipando a questi processi.

Celo

Fondata nel 2017, Celo è una rete Layer 1 basata su Go Ethereum (Geth). Tuttavia, i suoi sviluppatori hanno introdotto diversi cambiamenti significativi, incluso l'implementazione del Proof of Stake e un sistema di indirizzi differente. La piattaforma Celo comprende DeFi, NFT e soluzioni di pagamento, vantando oltre cento milioni di transazioni verificate. Su Celo, chiunque può usare un numero di telefono o un indirizzo email come chiave pubblica. La blockchain Celo è progettata per funzionare facilmente su computer comuni, rendendo non necessarie attrezzature specializzate.

Il token principale di Celo è CELO, una moneta digitale usata per transazioni, sicurezza e incentivi. La rete Celo offre anche cUSD, cEUR e cREAL, che fungono da stablecoin. Queste sono generate dagli utenti e mantenute stabili tramite un sistema simile a quello di MakerDAO con DAI. Inoltre, i pagamenti effettuati nelle stablecoin di Celo possono essere saldati usando qualsiasi altro asset Celo.

Il sistema di indirizzi di CELO e le sue stablecoin sono progettati per rendere la criptovaluta più accessibile e favorirne l'adozione. I prezzi volatili delle criptovalute e il fatto che gli utenti inesperti debbano spesso imparare come funziona il settore sono fattori che scoraggiano molti potenziali investitori.

THORChain

THORChain è una rete layer-1 basata su Cosmos SDK e sul protocollo di consenso Tendermint. Mira a offrire agli investitori una piattaforma sicura, permissionless e decentralizzata per scambiare asset tra più chain senza meccanismi di pegging o wrapping, che possono introdurre rischi.

THORChain è un gestore decentralizzato di vault che elimina gli intermediari centralizzati e crea liquidità sicura. RUNE, il token nativo di THORChain, viene usato per pagare le commissioni di transazione e partecipare a governance, sicurezza e processi di validazione.

La coppia base per il modello AMM di THORChain è RUNE, utilizzabile per scambiare altri asset supportati. Il progetto è simile a Uniswap, con RUNE che agisce come asset di regolamento e sicurezza per i pool di liquidità.

Kava

La Kava Network è una blockchain layer-1 che fonde la rapidità e la comunicazione cross-chain di Cosmos con il forte supporto per sviluppatori di Ethereum. La sua architettura include una “co-chain”, che crea due blockchain distinte: una per l'Ethereum Virtual Machine e una per il Cosmos Software Development Kit. Il supporto di Inter-Blockchain Communication sulla co-chain di Kava permette agli sviluppatori di creare dapp in grado di comunicare e trasferire valore tra gli ambienti Cosmos ed Ethereum senza soluzione di continuità.

La Kava Network utilizza il meccanismo di consenso Tendermint PoS per ottenere una solida scalabilità per le applicazioni sulla co-chain EVM. Inoltre, la KavaDAO finanzia incentivi per sviluppatori in modo aperto e on-chain, premiando i primi 100 progetti su ciascuna co-chain in base all'utilizzo.

La rete KAVA ha un token nativo, KAVA, e una stablecoin ancorata al dollaro USA, USDX. I validatori devono mettere in stake KAVA e ricevono remunerazioni dalle emissioni KAVA. Inoltre, i detentori di KAVA possono delegare i loro token a validatori affidabili e guadagnare ricompense oltre alle emissioni inflazionarie di KAVA. Tutti i membri della rete possono votare proposte di modifica al protocollo che influenzano i parametri di rete. KAVA può essere inoltre usato per pagare le commissioni di transazione.

IoTeX

Fondata nel 2017, IoTeX è una rete layer-1 specializzata nell'integrazione della tecnologia blockchain con l'Internet of Things. Questa tecnologia permette agli utenti di avere il pieno controllo sui dati generati dai propri dispositivi. Di conseguenza, possono costruire “DApp, asset e servizi supportati dalle macchine” che garantiscono la proprietà sicura delle informazioni personali.

IoTeX combina hardware e software per offrire una soluzione distinta a chi desidera proteggere i propri dati e la privacy senza compromettere l'esperienza utente. Questo sistema è chiamato MachineFi e consente agli utenti di guadagnare asset digitali tramite i loro dati del mondo reale.

IoTeX ha lanciato due hardware notevoli: Ucam e Pebble Tracker. Ucam è una telecamera di sicurezza domestica avanzata che consente di monitorare la casa da qualsiasi luogo con totale privacy. Pebble Tracker è un GPS intelligente con supporto 4G e funzione di tracciamento. Registra informazioni GPS in tempo reale e dati ambientali come temperatura, umidità e qualità dell'aria.

IoTeX incorpora un'architettura multilivello che include vari protocolli layer-two. Questa struttura offre numerosi strumenti e funzionalità che permettono agli sviluppatori di costruire reti specializzate avendo IoTeX come backbone. Queste sub-chain distintive possono anche essere interconnesse e condividere dati tramite IoTeX. Inoltre, le transazioni degli utenti, lo staking, le attività di governance e la validazione della rete sono facilitate dal token IOTX.

Conclusione

L'ecosistema blockchain odierno è composto da molteplici blockchain layer-1 e protocolli layer-2, cosa che all'inizio può risultare confusa. Tuttavia, una volta acquisiti i concetti di base, la struttura e il design complessivi risultano più chiari. Questa conoscenza è utile quando si studiano nuovi progetti basati su blockchain, in particolare quelli focalizzati sulla comunicabilità tra reti e sugli atomic swap tra chain.