Che cosa sono e come funzionano, davvero, i Layer 2 di Ethereum?

Il termine Layer 2 si riferisce a tutte quelle reti costruite al di sopra di una blockchain che la migliorano in termini di scalabilità, ovvero la capacità di processare numero di transazioni più alto e ad un costo minore.

Tuttavia, rispondere in questo modo alla domanda: che cosa sono i layer 2 e come funzionano è riduttivo. Esploriamo come queste soluzioni affrontano il trilemma della scalabilità, le varie tipologie di reti “di secondo livello” e il loro funzionamento.

Sull’exchange di Young Platform è presente il salvadanaio tematico Layer 2, un wallet creato appositamente per mettere da parte le crypto di queste blockchain altamente scalabili senza soffrire la volatilità del mercato.

Layer 2: le caratteristiche principali

I Layer 2 sono network che si appoggiano alle reti esistenti per migliorarne le prestazioni. Non sono però reti completamente esterne, dato che sfruttano la blockchain che sta alla base dell’infrastruttura per la sicurezza. All’atto pratico ciò significa che i dati delle transazioni, gli address e gli smart contract devono essere verificati e confermati dalla rete principale e quindi dal suo algoritmo di consenso e dai suoi nodi validatori.

Questa ultima caratteristica distingue i Layer 2 dalle sidechain che, seppur siano costruite sull’infrastruttura di una rete di primo livello, possiedono i propri nodi validatori e il proprio meccanismo di consenso. Un esempio di sidechain è Polygon, la “casa” del token MATIC, una rete parallela e interconnessa ad Ethereum.

Come funzionano i Layer 2

Dopo aver scoperto le caratteristiche fondamentali di queste reti possiamo scendere più nel dettaglio e capire come funzionano nel concreto i Layer 2. Nonostante sembri un argomento complesso è, in realtà, abbastanza semplice. Le loro infrastrutture sono composte “soltanto” da una rete che elabora le transazioni e da uno smart contract che dialoga con il network sottostante. Questo “contratto intelligente” si occupa di risolvere eventuali anomalie e di registrare le informazioni verificate (lo stato della blockchain) sulla rete di base.

I Layer 2 sono un luogo virtuale in cui è possibile processare transazioni molto velocemente, anche se la modalità in cui questo risultato viene raggiunto può variare dal tipo di rete. In generale però tutti funzionano grazie a delle prove crittografiche che le due reti si scambiano.

Negli ultimi giorni stiamo assistendo alla crescita di Arbitrum (ARB), il Layer 2 di Ethereum ad oggi più utilizzato. La crypto, negli scorsi mesi, ha perso terreno rispetto ad altre, in particolare i Layer 1 come Solana (SOL) e Avalanche (AVAX) ma sembra aver iniziato la sua rimonta, nonstante il ribasso generale dei prezzi.

Blockchain Layer 2: le tipologie più diffuse

Le principali tipologie di reti Layer 2 ad oggi in circolazione sono tre: i Payment Channel e i Rollup che a loro volta si dividono in Zero Knowledge e Optimistic. Ecco il loro funzionamento.

Questo articolo è stato inserito all’interno dell’edizione di gennaio del Journal dei nostri amici di Crypto Entity Crew.

I Rollup

I Rollup, sia quelli Optimistic che quelli Zero-Knowledge, consentono di incrementare il numero di transazioni al secondo e abbattere i costi del gas, prevalentemente grazie all’esecuzione degli smart contract al di fuori della rete principale. Queste vengono inviate e verificate sul Layer-1 in lotti o “batches” in modi diversi a seconda del tipo. In questo modo il costo delle gas fees viene distribuito e ogni utente ne paga soltanto una frazione.

Un’altra peculiarità fondamentale dei Layer 2 è la capacità di eseguire le transazioni off-chain, al di fuori del network principale. Ciò significa che la blockchain di Ethereum viene “interpellata” soltanto per verificare l’attività e memorizzare i dati grezzi. Questo si traduce in meno lavoro e memoria necessari e quindi in una riduzione dei costi totali per transazione.

La differenza tra i due tipi di rollup ad oggi esistenti riguarda le prove o proof. Ovvero in che modo viene provata la validità delle transazioni eseguite sul Layer 2. Questo concetto è fondamentale affinché la blockchain accessoria sia altrettanto sicura di quella su cui è costruita. Le prove crittografiche, come quelle utilizzate nei tribunali per condannare o scagionare un imputato, devono fornire garanzie oggettive e verificabili.

Optimistic Rollup

Questa tecnologia, come si evince dal nome, assume a priori che tutte le transazioni avvenute su blockchain siano valide. La correttezza è quindi verificata a posteriori e solo su richiesta. Le richieste, secondo lo schema anti-frode più classico, prevedono un periodo di tempo massimo entro il quale i nodi del layer 2 possono contestare una transazione, attraverso l’invio di una prova (fraud proof) allo smart contract. Se questo avviene si eseguono off-chain tutte quelle contenute nel rollup e se l’anomalia si ripresenta viene segnalata allo smart contract della blockchain principale che procederà alle dovute modifiche.

In particolare, per spiegare meglio cosa sono e come funzionano gli Optimistic Rollup, la blockchain principale può risolvere la disputa in uno o più round, determinando oggettivamente chi ha ragione tra l’aggregatore che ha creato il blocco e il nodo challenger che ha generato la fraud proof. In caso di un solo round di verifica, sono richieste ulteriori informazioni al layer 2, così da poter processare una ad una le transazioni contenute nel rollup; questo richiede il pagamento di gas fee più elevate. 

In alternativa, i nodi contendenti possono “discutere” in più fasi, specificando al layer 1 la precisa informazione su cui sono in disaccordo. In caso di multi-round, infatti, si procede secondo un “protocollo di bisezione”: il rollup viene diviso in metà sempre più piccole, fino a che lo sfidante riconosce quella che contiene il possibile errore. Se fosse quest’ultimo a vincere la contesa, riceverebbe parte dello stake dell’aggregatore.

In ogni caso, gli utenti devono attendere la conclusione del “challenge period” prima di ritirare i fondi inviati al layer 1, anche se il rollup non riceve obiezioni. La sicurezza dell’intero sistema è difesa dalla possibilità di “critica” in questo periodo. La validità degli optimistic rollup, infatti, si basa sull’esistenza di almeno un nodo onesto: l’aggregatore o l’oppositore che fornisce la fraud proof

Zero Knowledge Rollup

Lo schema di verifica di questo tipo di rollup è invece più semplice. Le blockchain ZK sono una sorta di Layer 2 potenziate, i “supernodi” che la validano sono in grado di aggiungere una delle validity proof ai rollup, che dimostrano con certezza crittografica che tutti i cambiamenti di stato sono corretti. Questo consente di ridurre al minimo la quantità di informazioni immagazzinate su di essi, visto che una prova zero knowledge consente di dimostrare la correttezza di un’affermazione senza rivelare i dati che la compongono.

Infatti, il layer 1 si limita a verificare la validity proof e a cambiare la “root state” dello smart contract, così da riflettere i cambiamenti causati dal rollup. In confronto agli optimistic, quindi, gli zk rollup sono più “leggeri” e finalizzati istantaneamente, perché non hanno bisogno del challenge period; questo permette ai fondi di essere trasferiti su layer 1 e ritirati in brevissimo tempo. Inoltre, le prove zero knowledge possono essere ricorsive, in pratica una validity proof può verificarne altre.

Tuttavia, le validity proof sono di base già complesse da produrre, tanto da richiedere hardware specifici. Questo comporta un rischio di centralizzazione e censura ma, come per gli optimistic rollup, gli aggregatori disonesti sono puniti con lo slashing dei fondi. Inoltre, se un utente sospetta che le sue transazioni non siano state prese in carico, può verificarlo attraverso le Merkle root ed eventualmente inviarle in autonomia al contratto di rollup. 

Un’ultima caratteristica da considerare nell’affrontare cosa sono e come funzionano i rollup, è la loro compatibilità o equivalenza all’Ethereum Virtual Machine (EVM): in pratica, l’ambiente di programmazione di ETH, avente le sue funzioni e linguaggi specifici. I layer 2 EVM-compatible possono accogliere gli smart contract progettati per Ethereum, così da migliorare le loro performance attraverso i rollup. È più semplice sviluppare tecnologie optimistic EVM-compatible, come Optimism e Arbitrum, ma non mancano esempi zero knowledge, come la zkEVM di Polygon e ZKSync.

I canali di pagamento

Il secondo tipo di soluzione di scalabilità prende il nome di “payment channel”. Questo tipo di Layer 2 permette i trasferimenti off-chain attraverso il finanziamento preventivo di un canale. In parole semplici, due o più utenti creano un canale transazionale in cui bloccano preventivamente dei fondi e decidono, attraverso una firma crittografica, la quantità massima trasferibile.

Immaginiamo che Luca e Marta decidano di bloccare 10€ ciascuno all’interno di un canale di pagamento e che firmino una transazione che permette loro di utilizzare i fondi che hanno depositato come meglio credono. Da quel momento in poi potranno effettuare quante transazioni on-chain desiderano in modo pressoché istantaneo e, soprattutto, gratuito.

Questo perché le transazioni che avvengono nel canale non vengono pubblicate sulla blockchain principale fino a quando questo non viene chiuso. Il risultato? Luca e Marta devono cambiare lo stato del Layer 1 (e quindi pagare le commissioni) soltanto per aprire e per chiudere il canale di pagamento. Mentre questo è aperto invece possono essere effettuati milioni di trasferimenti a costo zero estremamente veloci. Questo sistema viene sfruttato, ad esempio, dal Lightning Network, il Layer 2 di Bitcoin più famoso.

Perchè i Layer 2 sono utili? Il trilemma della scalabilità

Fin dalla nascita della Blockchain, avvenuta nel 2008 con il lancio del network di Bitcoin, gli sviluppatori si sono interrogati su come superare i limiti di questa tecnologia, soprattutto in termini di scalabilità. In particolare l’elevato costo delle transazioni e i tempi di approvazione lunghi. 

Il famoso trilemma della scalabilità, teorizzato per la prima volta da Vitalik Buterin, evidenzia come le blockchain debbano sacrificare almeno una proprietà tra sicurezza, decentralizzazione e scalabilità. 

• Scalabilità: Il numero di operazioni al secondo che un network può processare;
• Sicurezza: le risorse necessarie per alterare il meccanismo di consenso;
• Decentralizzazione: il numero di nodi che partecipano al network.

I Layer 2 vogliono essere proprio la soluzione a questo trilemma e fino ad ora sembra stiano riuscendo nel loro intento. Un esempio è Arbitrum, il Layer 2 di Ethereum più utilizzato, che ha scalato la classifica delle blockchain più utilizzate raggiungendo la quarta posizione. Impossibile dire cosa accadrà nei prossimi mesi: queste blockchain di “secondo livello” ruberanno la scena ai Layer 2 più famosi, come Solana e Avalanche, o queste diverse soluzioni conviveranno in armonia in un mondo multichain?

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