Análise aprofundada das soluções de escalabilidade fora da cadeia: dos canais estatais ao Layer2

Explicação Profunda da Expansão fora da cadeia

1. A Necessidade de Expansão

A visão futura da blockchain é a descentralização, segurança e escalabilidade, mas geralmente apenas dois desses aspectos podem ser realizados ao mesmo tempo, o que é conhecido como o problema do triângulo impossível da blockchain. Ao longo dos anos, as pessoas têm explorado maneiras de resolver esse dilema, como aumentar a taxa de transferência e a velocidade das transações da blockchain, garantindo a descentralização e a segurança, ou seja, resolver o problema da escalabilidade, que é um dos tópicos quentes no processo de desenvolvimento atual da blockchain.

A descentralização, a segurança e a escalabilidade da blockchain são definidas da seguinte forma:

  • Descentralização: qualquer pessoa pode tornar-se um nó para participar na produção e verificação do sistema de blockchain, quanto maior o número de nós, maior o grau de descentralização, garantindo assim que a rede não esteja sob o controle de um pequeno grupo de grandes participantes centralizados.

  • Segurança: quanto maior o custo para obter o controle do sistema de blockchain, maior será a segurança, permitindo que a cadeia resista a uma maior proporção de participantes que a atacam.

  • Escalabilidade: a capacidade da blockchain de processar um grande número de transações.

A primeira grande bifurcação do sistema Bitcoin ocorreu devido a problemas de escalabilidade. Com o aumento do número de usuários e do volume de transações do Bitcoin, a rede, que tem um limite de 1MB por bloco, começou a enfrentar problemas de congestionamento; a partir de 2015, havia divergências na comunidade Bitcoin sobre a questão da escalabilidade, com um lado representado pelo Bitcoin ABC, que apoia a expansão do bloco, e o outro lado representado pelo Bitcoin Core, que é a facção dos blocos pequenos, acreditando que a solução Segwit deveria ser utilizada para otimizar a estrutura da cadeia principal. Em 1º de agosto de 2017, o sistema cliente desenvolvido pelo Bitcoin ABC, com capacidade de 8MB, começou a operar, resultando na primeira grande bifurcação da história do Bitcoin e dando origem à nova criptomoeda BCH.

Da mesma forma, a rede Ethereum também optou por sacrificar uma parte da escalabilidade para garantir a segurança e a descentralização da rede; embora a rede Ethereum não tenha limitado o volume de transações como a rede Bitcoin fazendo restrições no tamanho do bloco, mas sim tenha transformado indiretamente em um limite para as taxas de gás que um único bloco pode acomodar, o objetivo é o mesmo: alcançar um consenso sem confiança e garantir uma ampla distribuição dos nós (. Tanto a remoção quanto o aumento do limite eliminariam muitos nós menores que têm largura de banda, armazenamento e capacidade de computação insuficientes ).

Desde os CryptoKitties de 2017, o verão do DeFi, até o surgimento posterior de aplicações em cadeia como GameFi e NFT, a demanda do mercado por maior profundidade tem aumentado continuamente. No entanto, mesmo o Ethereum, que é Turing completo, só consegue processar de 15 a 45 transações por segundo ( TPS ), o que resulta em custos de transação crescentes, tempos de liquidação mais longos e a maioria das Dapps não consegue suportar os custos operacionais. Para os usuários, toda a rede se tornou lenta e cara, e o problema de escalabilidade da blockchain precisa ser resolvido urgentemente. O plano ideal de escalabilidade é: aumentar a velocidade das transações da rede blockchain ( um tempo de finalização mais curto ) e um throughput de transação ( um TPS mais alto ), sem sacrificar a descentralização e a segurança.

Relatório de Pesquisa Profundidade: Análise Completa da expansão fora da cadeia

2. Tipos de soluções de escalabilidade

Nós classificamos os planos de expansão em duas categorias principais: expansão na cadeia e expansão fora da cadeia, com base no critério "se altera um nível da mainnet".

2.1 expansão na cadeia

Conceito central: solução para aumentar a capacidade ao alterar uma camada do protocolo da mainnet, a principal solução atual é a fragmentação.

A escalabilidade em cadeia tem várias soluções, este artigo não será aprofundado, a seguir estão brevemente listadas duas soluções:

  • A opção um é expandir o espaço do bloco, ou seja, aumentar o número de transações empacotadas em cada bloco, mas isso aumentará as exigências de desempenho para os dispositivos de nós, elevando a barreira de entrada para os nós e diminuindo o grau de "descentralização".

  • A segunda opção é a fragmentação, que divide o livro-razão da blockchain em várias partes, em que não é necessário que cada nó participe de todos os registos, mas sim que diferentes fragmentos, ou seja, diferentes nós, sejam responsáveis por diferentes registos, permitindo que os cálculos em paralelo processem múltiplas transações simultaneamente; isso pode reduzir a pressão computacional sobre os nós e o limiar de entrada, aumentando a velocidade de processamento de transações e o nível de descentralização; no entanto, isso significa que a capacidade de computação da rede é dispersa, o que pode reduzir a "segurança" de toda a rede.

Modificar o código de um protocolo de rede principal pode ter consequências negativas imprevisíveis, uma vez que qualquer pequena vulnerabilidade de segurança subjacente pode ameaçar seriamente a segurança de toda a rede, que pode ser forçada a realizar um fork ou a interromper a atualização de reparo. Por exemplo, o incidente de vulnerabilidade de inflação do Zcash em 2018: o código do Zcash é baseado na modificação do código da versão 0.11.2 do Bitcoin, e em 2018 um engenheiro descobriu uma vulnerabilidade crítica no código subjacente, que permitia a emissão infinita de tokens; a equipe passou 8 meses a realizar reparos em segredo e só divulgou o incidente após a correção da vulnerabilidade.

2.2 fora da cadeia expansão

Conceito central: solução de escalabilidade que não muda o protocolo da mainnet de camada um existente.

O plano de escalabilidade fora da cadeia pode ser subdividido em Layer2 e outras soluções:

  • Layer2: canais de estado, cadeias laterais, Plasma, Rollups

  • Outros: Validium, Volition

Relatório de Pesquisa Profunda: Análise Completa da Expansão fora da cadeia

3. Profundidade da solução de expansão fora da cadeia

3.1 canais de estado (State Channels )

3.1.1 Resumo

Os canais de estado estipulam que os usuários só precisam interagir com a rede principal quando o canal está aberto, fechado ou em resolução de disputas, e que a interação entre os usuários deve ser realizada fora da cadeia, a fim de reduzir o tempo e os custos monetários das transações dos usuários, além de possibilitar um número ilimitado de transações.

Os canais de estado são protocolos P2P simples, adequados para "aplicações baseadas em turnos", como, por exemplo, um jogo de xadrez entre duas pessoas. Cada canal é gerido por um contrato inteligente multi-assinatura que opera na rede principal, que controla os ativos depositados no canal, verifica atualizações de estado e arbitra disputas entre os participantes ( com base em provas de fraude que possuem assinatura e carimbo de data/hora ). Após os participantes implantarem o contrato na rede blockchain, depositam uma quantia de fundos e os bloqueiam; após a confirmação com assinatura de ambas as partes, o canal é oficialmente aberto. O canal permite que os participantes realizem transações gratuitas fora da cadeia sem limite de vezes (, desde que o valor líquido de suas transferências não exceda o total de tokens depositados ). Os participantes se revezam enviando atualizações de estado um ao outro, aguardando a confirmação de assinatura do outro. Uma vez que a outra parte confirme com assinatura, esta atualização de estado é considerada concluída. Normalmente, as atualizações de estado acordadas por ambas as partes não são enviadas para a rede principal; somente em caso de disputa ou fechamento do canal é que se dependerá da confirmação da rede principal. Quando for necessário fechar o canal, qualquer um dos participantes pode fazer um pedido de transação na rede principal; se o pedido de saída receber a aprovação unânime das assinaturas, será executado imediatamente na cadeia, ou seja, o contrato inteligente distribuirá os fundos bloqueados restantes com base no saldo de cada participante no estado final do canal; se outros participantes não aprovarem a assinatura, todos devem aguardar o término do "período de contestação" para receber os fundos restantes.

Em suma, a solução de canais de estado pode reduzir significativamente a carga computacional na rede principal, aumentar a velocidade das transações e diminuir os custos das transações.

Relatório de pesquisa em profundidade: Análise completa da expansão fora da cadeia

3.1.2 Linha do tempo

  • Em fevereiro de 2015, Joseph Poon e Thaddeus Dryja publicaram o rascunho do white paper da rede Lightning.

  • Em novembro de 2015, Jeff Coleman fez a primeira síntese sistemática do conceito de State Channel, propondo que o Payment Channel do Bitcoin é um subconjunto do conceito de State Channel.

  • Em janeiro de 2016, Joseph Poon e Thaddeus Dryja publicaram oficialmente o white paper "The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments", propondo o esquema de escalabilidade da rede Lightning do Bitcoin Payment Channel( canal de pagamento), que é utilizado apenas para processar pagamentos de transferência na rede Bitcoin.

  • Em novembro de 2017, foi proposta a primeira especificação de design sobre State Channel baseada na estrutura Payment Channel, chamada Sprites.

  • Em junho de 2018, a Counterfactual apresentou um design muito detalhado de Canais de Estado Generalizados, que é o primeiro design totalmente relacionado a canais de estado.

  • Em outubro de 2018, o artigo Generalised State Channel Networks apresentou os conceitos de State Channel Networks e Virtual Channels.

  • Em fevereiro de 2019, o conceito de canais de estado foi expandido para canais N-partidos, Nitro é o primeiro protocolo estabelecido com base nessa ideia.

  • Em outubro de 2019, Pisa expandiu o conceito de Watchtowers para resolver o problema de que todos os participantes precisam estar continuamente online.

  • Março de 2020, a Hydra apresentou Canais Isomórficos Rápidos.

3.1.3 Princípios Técnicos

O fluxo de trabalho do canal de estado é o seguinte:

  1. Alice e Bob depositam fundos de suas contas EOA pessoais para um endereço de contrato na cadeia, esses fundos são bloqueados no contrato até que o canal seja fechado, momento em que o saldo é devolvido ao usuário; após a confirmação das assinaturas, o canal de estado entre os dois é oficialmente aberto.

  2. Alice e Bob podem teoricamente realizar transações ilimitadas fora da cadeia através deste canal, os participantes se comunicam por meio de mensagens assinadas criptograficamente ( em vez de se comunicarem com a rede blockchain ). Ambos os usuários precisam assinar cada transação para evitar fraudes de gasto duplo. Através dessas mensagens, eles propõem atualizações de estado de suas contas e aceitam as atualizações de estado propostas pelo outro.

  3. Se Alice quiser fechar o canal e terminar a transação com Bob, Alice precisa submeter o estado final da sua conta ao contrato. Se Bob assinar para aprovar, o contrato irá liberar os fundos bloqueados de acordo com o estado final e retorná-los ao usuário correspondente. Se Bob não responder à assinatura, o contrato liberará os fundos bloqueados de volta ao usuário correspondente após o fim do período de contestação.

Se em algum momento, Bob não responder à assinatura da atualização de estado enviada por Alice durante sua vez, Alice pode iniciar um desafio submetendo ao contrato seu último estado válido, que também contém a assinatura anterior de Bob, provando assim que a última transação recebeu a aprovação de Bob e que o estado final foi confirmado por Bob. Em seguida, o contrato permite que Bob responda dentro de um determinado período, submetendo o próximo estado ao contrato; se Bob responder, os dois podem continuar a negociar dentro do canal de estado; se Bob não responder dentro desse período, o contrato fecha automaticamente o canal de estado e devolve os fundos a Alice.

Relatório de pesquisa profunda: Análise completa da expansão fora da cadeia

3.1.4 Vantagens e desvantagens

Vantagens:

  • Imediata: as atualizações de estado são quase imediatas, não sendo necessário esperar pela confirmação do bloco
  • Privacidade: apenas o estado final será colocado na cadeia, os estados intermediários são privados.
  • Escalabilidade: teoricamente pode ser expandida indefinidamente, desde que os fundos dos participantes sejam suficientes
  • Baixo custo: transações fora da cadeia não precisam pagar taxas de gás

Desvantagens:

  • Eficiência de capital baixa: é necessário bloquear capital
  • Requisitos online: os participantes precisam monitorar continuamente online
  • Tempo de saída longo: é necessário aguardar o período de contestação ao fechar o canal
  • Dependência de nós centralizados: requer serviços de monitoramento de terceiros ( como Watchtowers )
  • Estado de explosão: N usuários precisam de N(N-1)/2 canais
  • Liquidez limitada: fundos estão bloqueados em canais específicos

3.1.5 Aplicação

Rede Lightning do Bitcoin

Resumo: A Lightning Network é um canal de pagamentos de baixo valor na rede Bitcoin, cuja evolução técnica geral inclui: a construção de um canal de pagamento unidirecional com 2/2 múltiplas assinaturas, a adição de RSMC(Revocable Sequence Maturity Contract) permite a construção de um canal de pagamento bidirecional, e a adição de HTLC(Hash Time Lock Contract) expande os canais de pagamento para pagamentos em grupo, formando finalmente uma rede de pagamento chamada Lightning Network. Através de canais de pagamento fora da cadeia, e utilizando intermediários para formar uma rede de transações, pode-se resolver o problema de escalabilidade da rede Bitcoin. O uso geral da Lightning Network segue o processo "depósito(estabelecer canal)→transação na Lightning Network(atualizar estado do canal)→reembolso/liquidação(encerrar canal)"; teoricamente, a Lightning Network pode processar um milhão de transações por segundo.

Linha do tempo:

  • Em fevereiro de 2015, Joseph Poon e Thaddeus Dryja publicaram o rascunho do white paper da Lightning Network;
  • A versão oficial do white paper foi lançada em janeiro de 2016 e a Lightning Labs foi fundada;
  • 15 de março de 2018, a Lightning Labs lançou a primeira versão da mainnet da rede Lightning, Lightning Network Daemon (LND) versão 0.4.
  • No início de 2021, a capacidade pública da Lightning Network (TVL) era de apenas cerca de 40 milhões de dólares, com cerca de 100 mil usuários a utilizar a Lightning Network.
  • Junho de 2021, Salvar
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Comentário
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ImpermanentPhilosophervip
· 07-20 20:36
Eu nunca consegui entender o problema do triângulo.
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MevHuntervip
· 07-20 20:20
Quem é que ainda não entendeu o dilema triangular?
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LowCapGemHuntervip
· 07-20 20:18
A expansão ainda está longe de se concretizar.
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AirdropworkerZhangvip
· 07-20 20:14
É muito difícil, não consigo entender.
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