De rol van Layer 1 in blockchain-netwerken

Als je je ooit hebt afgevraagd wat de connectie is tussen Polygon en Ethereum of Polkadot en zijn parachains, helpt vertrouwd raken met Layer 1 en Layer 2 van de blockchain-architectuur die antwoorden te bieden. Deze termen helpen je blockchains, projecten en ontwikkeltools beter te begrijpen.

Basisprincipes

Layer-1-blockchains vormen de basis van veel populaire netwerken, zoals Bitcoin, BNB Chain en Ethereum. Deze netwerken zijn ontworpen om transacties autonoom te valideren en af te ronden zonder een ander netwerk. De schaalbaarheid van layer-1-netwerken vergroten kan echter lastig zijn, zoals we bij Bitcoin hebben gezien. Om dit probleem te omzeilen, ontwikkelen ontwikkelaars vaak layer-2-protocollen die samenwerken met het onderliggende layer-1-netwerk en gebruikers meer snelheid en throughput bieden. Een uitstekend voorbeeld hiervan is het Lightning Network van Bitcoin. Het functioneert als een layer-2-protocol en stelt gebruikers in staat off-chain transacties te doen die later in de hoofdchain worden vastgelegd.

Wat is Layer 1?

Layer 1 verwijst naar de fysieke laag van het OSI-model, die verantwoordelijk is voor het verzenden van ruwe bits over een netwerk. Een layer-1-protocol kan transacties op zijn blockchain verwerken en afwikkelen. Daarnaast heeft ditzelfde protocol doorgaans een eigen token dat wordt gebruikt om transactiekosten te betalen.

Layer-1-netwerken zijn de bouwstenen van blockchain-technologie. Dit omvat BNB Smart Chain, Ethereum, Bitcoin en Solana, onder anderen. Ze worden layer-1 genoemd omdat ze de hoofdnetwerken vormen die de basis van hun respectieve blockchain-ecosystemen vormen. Off-chain- en layer-2-oplossingen worden bovenop de layer-1-protocollen gebouwd. 

Layer 1-schaalvergroting

De schaalbaarheid van layer-1-netwerken, zoals Bitcoin, wordt vaak beperkt door het onderliggende consensusmechanisme, namelijk Proof of Work (PoW). Naarmate de vraag toeneemt, vormt PoW een uitdaging om voldoende transacties tijdig te verwerken, wat leidt tot schaalbaarheidsproblemen. Verschillende oplossingen zijn voorgesteld om de transaction throughput van het netwerk te verhogen, zoals het vergroten van de blokgroottes en het implementeren van sharding.

Helaas zorgen de moeilijkheden van PoW-netwerken om decentralisatie en veiligheid te behouden voor tragere transactiesnelheden en hogere kosten wanneer het aantal transacties hoog is. Dit resulteert in langere wachttijden voor bevestiging en hogere kosten.

Jarenlang is er veel debat geweest over welke schaaloplossing het beste is voor blockchain-technologie. Ontwikkelaars hebben layer-1-schaalopties onderzocht zoals sharding en off-chain-oplossingen. Voor layer-1-scaling worden enkele opties overwogen:

1. Het vergroten van de grootte van elk blok zodat meer transacties gelijktijdig kunnen worden verwerkt.
2. Met de aankomende Ethereum 2.0-update zou het mogelijk zijn het consensusmechanisme te wijzigen.
3. Het implementeren van sharding, een vorm van datapartitionering.

Het doorvoeren van Layer 1-upgrades vereist veel inspanning. Helaas zal niet elke gebruiker van het netwerk hiermee instemmen, wat mogelijk kan leiden tot een splitsing binnen de gemeenschap of zelfs een hard fork, zoals in het geval van Bitcoin en Bitcoin Cash in 2017.

SegWit

Bitcoins SegWit (segregated witness) is een layer-1-oplossing voor schaalvergroting die de veiligheid van het netwerk niet aantast. Het werd geïmplementeerd via een soft fork, waardoor oudere Bitcoin-nodes transacties konden blijven verwerken zonder een update te hoeven installeren. Door te veranderen hoe blokdata is georganiseerd, verwijderde SegWit digitale handtekeningen uit de transactie-ingang en maakte zo meer ruimte vrij, wat de transactiedoorvoer van Bitcoin vergrootte.

Layer-1 Sharding

Layer-1-sharding is een blockchain-schaaltechniek die netwerkblokken opsplitst in kleinere partitities, of "shards", om blokverwerking en transactiedoorvoer te verbeteren.

Sharding is een veelgebruikt layer-1-schaalmechanisme om de transactiedoorvoer te maximaliseren. Deze methode van databasesplitsing wordt vaak toegepast op gedistribueerde grootboeken van blockchains. Het netwerk en zijn nodes worden verdeeld in meerdere shards om de belasting te egaliseren en het transactievolume te verhogen. Elke shard beheert een specifiek netwerksegment en bevat zijn eigen transacties, nodes en blokken.

Sharding elimineert de noodzaak dat elke node een volledige kopie van de blockchain bezit. In plaats daarvan werkt elke node de hoofdchain bij met informatie over hun lokale data, zoals saldi van adressen en andere cruciale metrieken.

Layer 1 VS Layer 2

Veel verbeteringen kunnen niet of moeilijk worden doorgevoerd op layer 1 van het hoofdblockchain-netwerk vanwege technische beperkingen. Daardoor is het implementeren van bepaalde wijzigingen moeilijk of zelfs onmogelijk. Zo duurde het bijvoorbeeld jaren voordat Ethereum de overgang van Proof of Work naar Proof of Stake maakte.

Als een use-case extreem schaalbare toepassingen vereist, is het niet praktisch om deze uitsluitend op layer 1 te laten draaien, zoals bij een blockchain-game. Voor het gebruik van de veiligheid en decentralisatie van layer 1 is het vaak beter een layer-2-oplossing te gebruiken om op het netwerk voort te bouwen. Dit verkort transactietijden en helpt de toepassing zijn potentieel te bereiken.

Lightning Network

Layer-2-oplossingen gebruiken Layer 1 als fundament om transacties af te handelen. Een bekend voorbeeld is het Lightning Network. Wanneer het Bitcoin-netwerk veel activiteit ervaart, kan de verwerking van transacties uren duren. Met het Lightning Network kunnen gebruikers eenvoudig betalingen met hun Bitcoin versturen op een niet-primaire chain. Uiteindelijk wordt het resultaat teruggeplaatst in het originele blok, wat tijd en middelen bespaart. Op die manier worden ieders transacties samengevoegd in één rapport.

Voorbeelden van Layer 1-blockchains

Zodra we begrijpen wat layer 1 is, kunnen we enkele van de vele beschikbare layer-1-blockchains nader bekijken. Deze variëren in gebruiksscenario's en tonen aan dat er alternatieven zijn voor Bitcoin en Ethereum. Verschillende netwerken hebben oplossingen gevonden voor het crypto-trilemma rond decentralisatie, veiligheid en schaalbaarheid.

Elrond

Elrond, opgericht in 2018, is een layer-1-blockchain die sharding gebruikt om zijn schaalbaarheid en prestaties te vergroten. Door het inzetten van zijn unieke Secure Proof of Stake (SPoS) consensusprotocol en Adaptive State Sharding-technologie kan het Elrond-netwerk meer dan 100.000 transacties per seconde (TPS) verwerken.

Adaptive State Sharding maakt het mogelijk een gebalanceerde netwerktopologie te behouden door shard-splits, merges en herallocatie van validators uit te voeren naarmate het aantal gebruikers fluctueert. De volledige blockchain-infrastructuur, inclusief transactierecords, account-saldi en meer, wordt verdeeld in shards om schaalbaarheid te bieden en te voorkomen dat kwaadwillenden een enkele shard domineren.

Het Elrond-netwerk is de enige blockchain die gecertificeerd Carbon Negative is, wat betekent dat het meer CO2-uitstoot compenseert dan wordt geproduceerd door zijn Proof of Stake-consensusmechanisme. Elrond's native token, EGLD, wordt gebruikt voor transactiekosten, het uitrollen van DApps en het belonen van gebruikers die deelnemen aan het valideringsproces.

Harmony

Harmony is een layer-1-blockchain die Effective Proof of Stake (EPoS) gebruikt. Om sharding te ondersteunen heeft het vier shards die parallel functioneren om onafhankelijk nieuwe blokken te creëren en te valideren. Deze shards kunnen in verschillende snelheden werken, waardoor hun respectieve blokhoogtes kunnen variëren.

Harmony zet in op een "Cross-Chain Finance"-strategie om ontwikkelaars en gebruikers aan te trekken. De trustless bridges die het verbinden met Ethereum en Bitcoin zijn hier cruciaal voor, omdat ze gebruikers in staat stellen tokens veilig te swappen zonder de risico's die vaak bij bridges voorkomen. Centraal in Harmony's aanpak voor schaalbaarheid in Web3 staat een focus op DAOs en zero-knowledge proofs.

De toekomst van DeFi lijkt enorme mogelijkheden te bieden, met multi-chain en cross-chain mogelijkheden voorop. Harmony's bridging-diensten zijn in trek vanwege de vooruitstrevende mogelijkheden, met name rond NFT-infrastructuur, DAO-tools en inter-protocol bridges.

De native Harmony-token, ONE, kan worden gebruikt om netwerktransactiekosten te betalen en te staken voor deelname aan het consensusmechanisme en governance. Succesvolle validators kunnen block rewards en transactiekosten verdienen door aan deze processen deel te nemen.

Celo

Opgericht in 2017 is Celo een Layer 1-netwerk gebaseerd op Go Ethereum (Geth). De ontwikkelaars hebben echter meerdere significante aanpassingen doorgevoerd, waaronder de implementatie van Proof of Stake en een ander adresseringssysteem. Het Celo-platform bevat DeFi, NFTs en betalingsoplossingen en telt meer dan honderd miljoen geverifieerde transacties. Op Celo kan iedereen een telefoonnummer of e-mailadres als publieke sleutel gebruiken. De Celo-blockchain is ontworpen om eenvoudig te draaien op gewone computers, waardoor speciale hardware overbodig wordt.

Het primaire token van Celo is CELO, een digitale munt voor transacties, veiligheid en incentives. Het netwerk biedt ook cUSD, cEUR en cREAL als stablecoins. Deze worden gegenereerd door gebruikers en stabiel gehouden met een systeem vergelijkbaar met MakerDAO's DAI. Bovendien kunnen betalingen in Celo-stablecoins worden afgewikkeld met elk ander Celo-asset.

CELO's adresseringssysteem en stablecoins zijn ontworpen om crypto toegankelijker te maken en adoptie te stimuleren. De sterke prijsschommelingen van cryptocurrencies en het feit dat onervaren gebruikers vaak moeten leren hoe crypto werkt, weerhouden veel potentiële gebruikers.

THORChain

THORChain is een layer-1-netwerk aangedreven door de Cosmos SDK en het Tendermint-consensusprotocol. Het streeft ernaar beleggers een veilige, permissionless en gedecentraliseerde manier te bieden om activa over meerdere chains te ruilen zonder pegs of wrapping-mechanismen, die extra risico kunnen introduceren.

THORChain fungeert als een gedecentraliseerde vault-manager die gecentraliseerde tussenpersonen elimineert en veilige liquiditeit creëert. RUNE, het native token van THORChain, wordt gebruikt om transactiekosten te betalen en deel te nemen aan governance, beveiliging en validatieprocessen.

Het basispaar voor THORChain's AMM-model is RUNE, dat kan worden gebruikt om te swappen naar andere ondersteunde assets. Dit project lijkt op Uniswap, waarbij RUNE fungeert als settlement- en beveiligingsasset voor liquidity pools.

Kava

Het Kava Network is een layer-1-blockchain die de razendsnelle snelheid en cross-chain-communicatie van Cosmos combineert met sterke ontwikkelaarssteun van Ethereum. De architectuur omvat een "co-chain", die twee afzonderlijke blockchains creëert: één voor de Ethereum Virtual Machine en één voor de Cosmos Software Development Kit. De ondersteuning van Inter-Blockchain Communication op de Kava co-chain stelt ontwikkelaars in staat dapps te maken die moeiteloos kunnen communiceren en waarde overdragen tussen het Cosmos- en Ethereum-ecosysteem.

Het Kava Network gebruikt het Tendermint PoS-consensusmechanisme om robuuste schaalbaarheid te bereiken voor applicaties op de EVM co-chain. Daarnaast financiert de KavaDAO ontwikkelaarincentives die open en on-chain zijn, en beloont het de top 100 projecten op elke co-chain op basis van gebruik.

Het KAVA-netwerk heeft een native token, KAVA, en een op de Amerikaanse dollar gekoppelde stablecoin, USDX. Validators moeten KAVA staken en ontvangen beloningen uit KAVA-emissies. Bovendien kunnen KAVA-houders hun tokens delegeren aan betrouwbare validators en extra beloningen verdienen naast inflatiebeloningen. Alle netwerkdeelnemers mogen stemmen over voorgestelde wijzigingen in het netwerkprotocol die netwerkparameters beïnvloeden. KAVA kan verder worden gebruikt om transactiekosten te betalen.

IoTeX

IoTeX, opgericht in 2017, is een layer-one-netwerk dat zich richt op het combineren van blockchain-technologie met het Internet of Things. Deze technologie stelt gebruikers in staat volledige controle te hebben over de data die door hun apparaten wordt geproduceerd. Hierdoor kunnen ze "machine-backed DApps, assets en services" bouwen die veilige eigendom van hun persoonlijke gegevens garanderen.

IoTeX combineert hardware en software om een unieke oplossing te bieden aan mensen die hun data en privacy willen beschermen zonder in te leveren op gebruikservaring. Dit systeem heet MachineFi en stelt gebruikers in staat digitale activa te verdienen via hun real-world data.

IoTeX heeft twee opvallende hardwareproducten uitgebracht – de Ucam en de Pebble Tracker. De Ucam is een geavanceerde beveiligingscamera voor thuis die je huis overal en altijd in de gaten kan houden met volledige privacy. De Pebble Tracker is een slimme GPS met 4G-ondersteuning en track-and-trace-functionaliteit. Hij registreert realtime GPS-gegevens en omgevingsdata zoals temperatuur, luchtvochtigheid en luchtkwaliteit.

IoTeX hanteert een multi-layer-architectuur die diverse layer-two-protocollen omvat. Deze architectuur biedt ontwikkelaars veel tools en functies om gespecialiseerde netwerken te bouwen met IoTeX als ruggengraat. Deze aparte sub-chains kunnen ook met elkaar verbonden zijn en data delen via IoTeX. Verder worden gebruikerstransacties, staking, governance-activiteiten en netwerkvalidatie mogelijk gemaakt door de IOTX-token.

Conclusie

Het huidige blockchain-landschap bestaat uit meerdere layer-1-blockchains en layer-2-protocollen, wat in het begin verwarrend kan zijn. Maar zodra je de basisconcepten begrijpt, wordt de algehele structuur en opzet duidelijker. Deze kennis is nuttig bij het onderzoeken van nieuwe blockchain-initiatieven, vooral die gericht zijn op netwerkinteroperabiliteit en atomische swaps tussen chains.