Layer 0, layer 1, layer 2: cosa sono e come funzionano

In questa guida parliamo di layer o livelli, delle componenti fondamentali di una blockchain. Spesso sentiamo parlare di layer 1 o layer 2 sopratutto quando si fa riferimento alla scalabilità.

Ma cosa sono allora i layer e come si collocano nel contesto di una blockchain?

Come sapete, per funzionare, le criptovalute hanno bisogno di una infrastruttura. Quella infrastruttura, i cui concetti furono introdotti con Bitcoin, è la Blockchain.

Ogni criptovaluta usa una propria blockchain che può avere strutture, algoritmi e meccanismi diversi. E’ dunque fondamentale cercare di capire come funzionano queste strutture ed i relativi livelli per comprendere a fondo le potenzialità di un progetto o il suo funzionamento generale.

Possiamo immaginare dunque un sistema blockchain come costruito a “strati” in cui alla base abbiamo il livello 0, e salendo avremo il livello (layer 1), layer 2 e così via.

Cerchiamo di capire strato per strato dunque cosa sono i layer e come funzionano.

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Che cos’è un layer nella blockchain ?

La blockchain non è altro che è un database o registro distribuito su più nodi (o computer) in rete, in cui vengono archiviate delle transazioni.

A livello logico, e semplificando, la blockchain prevede vari livelli:

  • un livello di infrastruttura hardware
  • un livello di dati
  • un livello di rete o networking
  • un livello di consenso
  • un livello applicativo

Potremmo poi pensare anche ad ad altri livelli come quello dei contratti intelligenti (smart contract) o livello di attivazione. Ad esempio, Ethereum ha introdotto con i contratti intelligenti e le applicazioni ulteriori modifiche alle strutture introdotte da Bitcoin. La tecnologia come sappiamo evolve.

Possiamo dunque definire un blockchain layer come un componente dell’architettura che si occupa di svolgere un determinato compito nella blockchain, come può essere ad esempio la convalida delle transazioni, l’esecuzione di applicazioni o fornire l’infrastruttura di base.

Blockchain Layer

Per mantenere la decentralizzazione, la blockchain deve essere progettata per garantire sicurezza e scalabilità. Ed è proprio la scalabilità ed il crescere del numero di utenti che ha fatto nascere l’esigenza di migliorare la velocità delle transazioni.

Se i layer 0 forniscono le basi e consentono di costruire altre blockchain ad un livello superiori, i layer 2 sono nati proprio per esigenze di scalabilità. Non è detto che in futuro non arrivino altri livelli ancora superiori, tutto dipende da come evolveranno i progetti e la tecnologia.

Ci sarebbe anche un layer 3 dedicato all’interoperabilità che potrebbe essere usato in futuro ma per ora ci concentreremo sui principali.

Analizziamoli allora uno per uno cercando di capirne le caratteristiche. Partiamo dalla base.

👍 Cosa èComponente dell’architettura che si occupa di svolgere un determinato compito nella blockchain come può essere ad esempio la convalida delle transazioni, l’esecuzione di applicazioni o fornire l’infrastruttura di base.
✅ TipologieLayer 0, 1, 2, 3
🌐 Esempi Layer 0Cosmos / Polkadot
🌐 Esempi Layer 1Bitcoin / Ethereum / Cardano / Solana
🌐 Esempi Layer 2Bitcoin Lightning Network / Arbitrum / Optimism / Polygon
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NOTA: In questa tabella negli esempi vedete nomi di criptovalute. Ci stiamo riferendo non alla coin bensì al protocollo.

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Layer 0: cos’è e cosa serve

Alla base della piramide abbiamo il livello 0 che si occupa dell’infrastruttura di base. I layer 0 si occupano dei trasferimenti di dati e rappresentano il livello di base che consente l’integrazione della blockchain con le reti tradizionali.

In generale un layer 0 si occupa di queste funzionalità:

  1. Infrastruttura: fornisce cioè un framework di base che consente di sviluppare semplicemente le componenti di livello superiore come i protocolli di consenso, le applicazioni e tutto il resto.
  2. Sicurezza: fornisce gli elementi legati alla messa in sicurezza di una blockchain
  3. Interoperabilità: consente l’integrazione con il mondo tradizionale e la comunicazione tra blockchain “diverse” attraverso lo scambio dei dati

Gli aspetti importanti che ha introdotto la tecnologia blockchain sono la sicurezza, la trasparenza, l’immutabilità e la decentralizzazione.

I layer 0 si occupano proprio di questi aspetti di basso livello. L’esempio più famoso di Layer 0 è probabilmente Cosmos.

Anche Polkadot viene considerato spesso come una blockchain layer 0 in quanto la sua mainnet fornisce la sicurezza necessaria al funzionamento delle sue parachain.

In pratica è possibile sfruttare i layer 0 per costruirci sopra altre blockchain e sfruttando la sicurezza dello strato sottostante.

Esempio Layer 0: Cosmos

Cosmos è un layer0 che presenta una architettura modulare fatta da zone e hub:

  • zone: che non sono altro che blockchain eterogenee tradizionali
  • hub: cioè blockchain speciali che consentono di collegare le varie zone tra loro. Il primo hub lanciato per la costruzione della rete si chiama Cosmos Hub ed ATOM è il suo token.

Le comunicazioni tra queste componenti vengono ottimizzate attraverso connessioni IBC.

Cosmos è in grado di fornire un architettura modulare:

  • A livello base abbiamo le componenti di rete e di consenso Cosmos utilizza il framework Tendermint, che impacchetta componenti di consenso e di rete in un motore generico e replicabile. In questo modo gli sviluppatori si possono concentrare sullo sviluppo di applicazioni senza impazzire con i complessi protocolli sottostanti
  • Nello strato centrale abbiamo un livello applicativo ovvero abbiamo l’Application Blockchain Interface
  • Ed infine in cima, il Cosmos SDK, un framework che permette lo sviluppo di creare blockchain senza dover conoscere i livelli sottostanti
Cosmos Architettura

Progetti come Crypto.com, Terra e la Cronos Chain, ad esempio sono stati realizzati proprio grazie al network di Cosmos.

Possiamo pensare dunque ad un layer 0 come la base solida di tutto su cui possiamo costruire sopra altre applicazioni.

Naturalmente per gli sviluppatori conviene utilizzare un livello sicuro e funzionante invece di partire da zero.Molte blockchain costruite sui layer 0 ne sfruttano dunque la sicurezza e l’affidabilità.

Come avrete capito un layer 0 da solo è inutile. Ma costituisce la base per la costruzione di altre chain.

Per approfondimenti potete consultare un video sul funzionamento di Cosmos sul nostro canale YouTube in cui abbiamo spiegato proprio i concetti alla base dell’architettura di rete.

I layer 0 hanno anche una propria coin. Ad esempio Cosmos ha come criptovaluta ATOM. Per avere senso, queste coin devono avere casi di utilizzo. E’ necessario naturalmente sviluppare delle applicazioni, degli ecosistemi in grado di dare valore ed un senso alla loro esistenza.

Layer1: cos’è

Il layer 1 rappresenta probabilmente il livello più noto per quanto riguarda la blockchain. Bitcoin è nato ad esempio come blockhain di livello 1 e dunque ne consegue che ci possono essere dei progetti che non hanno bisogno di un layer 0.

Il layer 1 dunque si occupa principalmente di alcuni aspetti:

  • la gestione dei dati (come sono composti i vari blocchi), la crittografia e via dicendo
  • il livello di networking e di rete, cioè come i protocolli e nodi comunicano tra loro
  • i protocolli di consenso per l’attivazione dei blocchi di una blockchain
  • la gestione dell’esecuzione ed attivazione delle transazioni

Molte delle criptovalute nate agli inizi e che conosciamo oggi rappresentano di fatto delle blockchain di tipo layer1.

Le blockchain di livello 1 più note sono ad esempio: Bitcoin, Ethereum, Solana, Ripple, Cardano e tante altre.

Il layer 1 dunque è fondamentale per il funzionamento, senza di esso nessuna funzione può essere eseguita.

Mentre le soluzioni che adottano un livello 0 come sottostante possono non preoccuparsi degli aspetti tecnologici, i layer 1 invece richiedono delle modifiche strutturali.

Quando ad esempio si vogliono modificare i protocolli di consenso o aumentare la capacità dei blocchi è necessario intervenire sul software.

I classici esempi di Hard Fork e Soft Fork sono degli esempi di modifica alle regole di consenso. I layer 1 dunque spesso necessitano di modifiche al codice che vengono approvate tramite proposte dalle varie community di sviluppatori che si mettono d’accordo per introdurre modifiche.

Ad esempio con SegWit sono state ridotte le dimensioni occupate dalle transazioni di Bitcoin consentendo di aumentare la capacità dei blocchi. Molto spesso le modifiche ai protocolli consentono di migliorare le prestazioni a scapito però della decentralizzazione.

Esempio di Layer1: Ethereum

Prendiamo come esempio Ethereum, per capire perché oggi è nata l’esigenza dei layer 2. Ci servirà per chiarire alcuni aspetti fondamentali.

Abbiamo detto che i livelli di dati e di networking sono l’architettura di base della blockchain.

Il livello dati funge da struttura dati della blockchain. Il livello di rete si riferisce alla rete P2P distribuita che coinvolge tutti i nodi della blockchain. In questa rete distribuita, una volta che un nodo ha creato un nuovo blocco, trasmette le informazioni a diversi nodi vicini attraverso un meccanismo di trasmissione. Alla fine, il blocco viene ufficialmente aggiunto alla blockchain quando la maggior parte dei nodi del sistema lo ha verificato.

A livello di architettura i vari livelli lavorano insieme. A livello di consenso i meccanismi più conosciuti sono la Proof of work (PoW) di Bitcoin, la Proof of stake (POS) a cui passerà Ethereum con il merge, più altre innovative introdotte da altre Blockchain.

Ethereum ha introdotto il concetto di blockchain programmabile con l’introduzione degli smart contract con varie funzioni e DApps lavorano insieme per costituire il livello applicativo.

Le blockchain layer 1 hanno però dei limiti, uno di questi è dato dalla scalabilità.

Il fondatore di Ethereum, Vitalik Buterin, ha parlato per anni del famoso trilemma:

Blockchain Trilemma

cioè di un triangolo impossibile da risolvere per la blockchain “ideale” e che comprende scalabilità, decentralizzazione e sicurezza.

Se aumentiamo la scalabilità si influisce sulla decentralizzazione e così via. Insomma con le soluzioni tecnologiche attuali sembra impossibile risolvere questo problema.

Ethereum ha utilizzato per anni il mining e la Proof of Work come modelli di consenso. Avendo introdotto le applicazioni è diventata poi una chain popolare portando alla creazione della finanza decentralizzata (Defi).

Dunque Ethereum ha oggi un volume di scambi enorme che porta ad alcuni problemi:

  • congestione della rete
  • commissioni elevate
  • esperienza d’uso negativa da parte degli utenti costretti a pagare costi elevati e ad attese prolungate

Per questo motivo a Settembre 2022 è previsto il passaggio di Ethereum al consenso Proof of Stake. Attenzione, questo non porterà ad una riduzione delle commissioni o ad un’improvvisa velocità. In cantiere, infatti, nella roadmap sono previste soluzioni che ne aumenteranno la velocità e la scalabilità.

Per risolvere questi problemi sono nate delle soluzioni di scaling:

  • scaling on-chain: ovvero si interviene sul livello 1 modificandone blocchi e protocolli (ad esempio SegWit per Bitcoin).
  • scaling off-chain: ovvero si introducono i layer 2, un concetto nuovo introdotto proprio da Ethereum

I layer 2 nascono quindi come soluzione al problema di scaling e mirano a non stravolgere la blockchain di sottostante.

Layer 2: come funzionano

Un layer 2 è quindi una soluzione di scaling di tipo off-chain ovvero avviene al di fuori della catena principale.

Senza un layer 1, un layer 2 non può funzionare in quanto questo livello si appoggia ed utilizza l’infrastruttura della blockchain sottostante. Ne sfrutta quindi la sicurezza, i meccanismi di validazione di consenso e l’infrastruttura aggiungendo nuove funzionalità ed alleggerendo i compiti che la chain principale deve fare evitando così di congestionarla.

Esempi di layer 2 noti sono ad esempio Lightining Network per Bitcoin che consente di fare pagamenti sulla rete con BTC oppure Polygon, Arbitrum ed Optimism per Ethereum.

Se il layer 1 dunque si concentra sulla sicurezza, il layer 2 è rivolto alla ricerca delle massime prestazioni ed efficienza.

Un layer 2 ha l’obiettivo di massimizzare l’efficienza e le prestazioni di una blockchain layer 1 sfruttandone la sicurezza e la decentralizzazione.

Per quanto riguarda Ethereum ci sono varie soluzioni di Layer2:

  • Side chain: un classico esempio è Polygon che sfrutta una chain parallela
  • Plasma chain: una soluzione che consente di prevenire gli attacchi di cui soffrono le side chain sfruttando delle sotto catene
  • Rollups: con soluzioni come ZK Rollup, Optimistic Rollup, Arbitrum in cui le transazioni del layer 2 sono impacchettate, aggregate ed inviate al layer 1
  • State Channels: in cui due parti creano un canale firmando le rispettive transazioni bloccando i fondi (utilizzato nei pagamenti e nel gaming)

Insomma ci sono varie soluzioni di Layer 2 che meritano approfondimenti ulteriori che faremo in altre guide.

Qui sotto vedete una roadmap con il passaggio di Ethereum alla Proof of Stake:

Ethereum Roadmap

e negli anni a venire è prevista anche l’introduzione dello sharding, una soluzione di scaling che adottano già altre Blockchain come ad esempio Elrond.

Ci sono poi chain ultra efficienti come Solana o Hedera Hashgraph in grado di processare migliaia di transazioni al secondo già oggi.

Per Ethereum però lo sviluppo procede al rilento anche a causa delle dimensioni della chain e della complessità stessa dei protocolli che richiedono molta attenzione.

Quando fra qualche anno verranno implementate tutte queste funzionalità i layer 2 cesseranno di esistere? Secondo lo stesso Vitalik Buterin e gli analisti gli utenti si saranno talmente abituati ad utilizzare i layer 2 che sarà impossibile fare un passo indietro. Ethereum quindi si occuperà solo delle operazioni di basso livello ma in modo più efficiente e green rispetto ad oggi.

Layer 0, Layer 1 e Layer 2 [Video]

Per concludere questa guida abbiamo preparato un video tutorial che spiega come funzionano i layer e come si classificano le blockchain in base a questi:

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The video was uploaded on 5/8/2022.

You can view the video here.

The video lasts for 16 minutes and 56 seconds.

Layer 0, Layer 1 e Layer 2: le domande frequenti

Cosa sono i layer 0, layer 1, layer 2 ?

Si tratta di componenti dell’architettura che si occupa di svolgere un determinato compito nella blockchain come può essere ad esempio la convalida delle transazioni, o l’esecuzione di applicazioni o fornire l’infrastruttura di base.

A cosa serve un layer 2?

Un layer 2 nasce con l’esigenza di migliorare le prestazioni e la scalabilità dei layer 1.

Che cos’ è un Layer 0?

Un layer 0 fornisce i servizi di base per la costruzione di altre blockchain fornendo un livello sottostante che facilita lo sviluppo di meccanismi di consenso, networking e applicazioni. Esempi sono Cosmos e Polkadot.

Che cos’è un Layer 1?

Il layer 1 rappresenta il livello più noto per quanto riguarda la blockchain. Si occupa di gestione di dati, networking, protocolli di consenso e attivazione, esecuzione di transazioni. Esempi di layer 1 sono Bitcoin, Ethereum, Solana, Ripple, Cardano.

Blockchain Layer 0,1,2: riepilogo

Conclusioni

In questa guida abbiamo visto cos’è un layer e quali sono le principali caratteristiche di layer 0, layer 1 e layer 2.

In generale abbiamo visto come il layer 0 funziona da supporto alle blockchain layer 1 occupandosi degli aspetti tecnici per facilitare lo sviluppo di blockchain interoperabili,

Le blockchain layer 1 invece definiscono i protocolli di sicurezza e di consenso, si occupano del livello dei dati a supporto delle applicazioni decentralizzate. Queste blockchain di livello 1 hanno un proprio ecosistema, una propria struttura ed una propria coin.

I layer 2 sono nati, invece, come soluzioni di scaling alle blockchain layer 1 nell’ottica di migliorare l’efficienza, la velocità e l’esperienza d’uso da parte degli utenti. Probabilmente saranno il futuro delle criptovalute.

Ricordiamo che siamo in un settore giovane ed in via di sviluppo. Se ci pensiamo, anche i protocolli Internet hanno poi introdotto il concetto di stratificazione e ci hanno messo degli anni per arrivare dove siamo ora.

La comprensione di questa architettura a livelli può essere molto utile per capire le potenzialità dei singoli progetti focalizzando l’attenzione su quelli innovativi in grado di fornire reale valore e casi d’uso.

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