Поглиблений аналіз розширення поза блокчейном

Автор: команда Cobo Ventures

1. Необхідність розширення

Майбутнє блокчейн-технології—це велике бачення: децентралізація, безпека та масштабованість. Але зазвичай блокчейн може реалізувати лише два з цих трьох вимог, а задоволення всіх трьох вимог називається неможливим трикутником блокчейну. Протягом багатьох років люди шукали способи вирішення цієї проблеми, як підвищити пропускну здатність і швидкість транзакцій блокчейну при забезпеченні децентралізації та безпеки, тобто вирішення проблеми масштабування є однією з актуальних тем обговорення у процесі розвитку блокчейн-технологій.

Давайте спочатку загально визначимо децентралізацію, безпеку та масштабованість блокчейну:

• Децентралізація: будь-хто може стати вузлом, беручи участь у виробництві та верифікації блокчейн-системи. Чим більше вузлів, тим вищий ступінь децентралізації, що забезпечує відсутність контролю з боку невеликої групи великих централізованих учасників над мережею.
• Безпека: чим вищі витрати на отримання контролю над системою блокчейну, тим вища безпека, отже, ланцюг може протистояти атакам значної частини учасників.
• Масштабованість: здатність блокчейну обробляти велику кількість транзакцій.

Перший значний хард-форк мережі Біткойн виник через проблему розширення. З ростом кількості користувачів та обсягу транзакцій мережа Біткойн з обмеженням 1 МБ на блок почала стикатися з проблемою заторів; з 2015 року в спільноті Біткойн існували розбіжності щодо розширення, одна сторона, яка підтримувала розширення блоку, була представлена Bitcoin ABC, в той час як інша сторона, яка підтримувала малі блоки, була представлена Bitcoin Core, і вважала, що слід використовувати рішення Segwit для оптимізації структури основного ланцюга. 1 серпня 2017 року Bitcoin ABC самостійно розробив клієнтську систему до 8 МБ, що призвело до появи першого значного хард-форка в історії Біткойн, а також до народження нової монети BCH.

Так само, мережа Ethereum також вибрала пожертвувати частиною масштабованості, щоб забезпечити безпеку та децентралізацію мережі; хоча мережа Ethereum не обмежує обсяг транзакцій, як це робить мережа Bitcoin шляхом обмеження розміру блоку, а натомість опосередковано перетворюється на встановлення верхньої межі на витрати пального, які може вмістити один блок, але мета залишається тією ж: досягнення Trustless Consensus та забезпечення широкого розподілу вузлів ( незалежно від того, чи скасувати, чи підвищити ліміт, це призведе до вимирання багатьох менших вузлів з недостатньою пропускною здатністю, зберіганням та обчислювальною потужністю ).

З 2017 року з CryptoKitties, літа DeFi, а потім виникнення таких застосувань на базі блокчейну, як GameFi та NFT, ринок постійно зростає попит на пропускну здатність, але навіть у повністю функціональному Ethereum може обробляти лише 15~45 транзакцій на секунду ( TPS ), що призводить до постійного зростання витрат на транзакції, збільшення часу розрахунку, більшість Dapps важко витримати витрати на експлуатацію, вся мережа стає повільною та дорогою для користувачів, проблему розширення блокчейну необхідно терміново вирішити. Ідеальний варіант розширення: підвищити швидкість транзакцій блокчейн-мережі ( коротший час завершення ) та пропускну здатність транзакцій ( вищий TPS ) без жертвування децентралізацією та безпекою.

! Глибокий звіт про дослідження на 10 000 слів: комплексний аналіз офчейн-експансії

2. Категорії планів розширення

Ми класифікуємо плани розширення на два основні типи: розширення на основі блокчейну та розширення поза блокчейном, орієнтуючись на стандарт "чи змінюється один рівень основної мережі".

2.1 розширення на ланцюзі

Основна концепція: рішення, яке досягає ефекту розширення шляхом зміни одного рівня протоколу основної мережі, наразі основним рішенням є шардінг.

Існує кілька варіантів розширення в ланцюзі, у цій статті не буде розглянуто детально, нижче коротко наведено два варіанти:

• Варіант перший - розширити блоковий простір, тобто збільшити кількість транзакцій, що упаковуються в кожен блок, але це підвищить вимоги до обладнання високопродуктивних вузлів, підвищить бар'єр для приєднання вузлів, зменшуючи ступінь "децентралізації".
• Варіант два – це шардінг, розподіл блокчейн-реєстру на кілька частин, де не кожен вузол бере участь у всіх записах, а різні шардінги, тобто різні вузли, відповідають за різні записи, паралельні обчислення можуть одночасно обробляти кілька транзакцій; це може знизити навантаження на обчислення вузлів і зменшити бар'єри для входу, підвищити швидкість обробки транзакцій і рівень децентралізації; але це означає, що обчислювальна потужність у всій мережі розподіляється, що знижує "безпеку" всієї мережі.

Зміна коду основного протоколу мережі може призвести до непередбачуваних негативних наслідків, оскільки будь-яка незначна уразливість безпеки на нижньому рівні серйозно загрожує безпеці всієї мережі, що може призвести до необхідності форку або перерви для ремонту та оновлення. Наприклад, інцидент з інфляційною уразливістю Zcash у 2018 році: код Zcash модифіковано на основі коду версії Bitcoin 0.11.2, і в 2018 році інженер виявив, що в його основному коді є небезпечна уразливість, а саме, токени можуть бути безмежно випущені, після чого команда витратила 8 місяців на таємне виправлення, і лише після виправлення уразливості ця подія була оприлюднена.

2.2 поза блокчейном розширення

Ключова концепція: рішення для масштабування, яке не змінює існуючий протокол основної мережі першого рівня.

поза блокчейном рішення для розширення можна поділити на Layer2 та інші рішення:

3. Поза блокчейном розширення рішення

3.1 Державні канали

3.1.1 Загальний огляд

Статевий канал передбачає, що користувачі повинні взаємодіяти з основною мережею тільки під час відкриття, закриття або вирішення суперечок, а взаємодію між користувачами слід здійснювати поза блокчейном, щоб знизити час і витрати на транзакції, а також забезпечити необмежену кількість транзакцій.

Канал стану - це простий P2P протокол, що підходить для "додатків на основі раундів", наприклад, для гри у шахи між двома особами. Кожен канал керується мультипідписним смарт-контрактом, що працює в основній мережі, цей контракт контролює активи, що вносяться в канал, перевіряє оновлення стану та арбітражує спори між учасниками ( відповідно до доказів шахрайства з підписами та мітками часу ). Після розгортання контракту в блокчейн-мережі учасники вносять кошти та блокують їх, після підтвердження підписами обох сторін канал офіційно відкривається. Канал дозволяє учасникам здійснювати необмежену кількість безкоштовних транзакцій поза блокчейном (, поки їх чиста вартість переказів не перевищує загальну суму внесених токенів ). Учасники по черзі надсилають оновлення стану один одному, чекаючи підтвердження підписом з боку іншого. Як тільки інша сторона підтверджує підписом, це оновлення стану вважається завершеним. У нормальних умовах оновлення стану, погоджені обома сторонами, не завантажуються в основну мережу, тільки у разі виникнення спору або закриття каналу вони залежать від підтвердження основної мережі. Коли потрібно закрити канал, будь-який учасник може подати запит на транзакцію в основну мережу, якщо запит на вихід отримав одноголосне схвалення підписів, тоді він негайно виконується на ланцюгу, тобто смарт-контракт розподіляє залишкові заблоковані кошти відповідно до залишків кожного учасника при фінальному стані каналу; якщо інші учасники не дали схвалення підписом, тоді всім потрібно чекати завершення "періоду оскарження", перш ніж отримати залишкові кошти.

Отже, схема каналів стану може значно зменшити обсяги обчислень основної мережі, підвищити швидкість транзакцій і знизити витрати на транзакції.

! Глибокий звіт про дослідження на 10 000 слів: комплексний аналіз масштабування поза мережею

3.1.2 Хронологія

• 2015/02, Джозеф Пун і Тадеуш Дріджа опублікували чернетку білого паперу мережі Lightning.
• 2015/11, Джефф Коулман вперше систематично підсумував концепцію State Channel, запропонувавши, що платіжний канал біткойна є підвипадком концепції State Channel.
• 2016/01, Джозеф Пун та Тадеуш Дріджа офіційно опублікували білу книгу «The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments», в якій запропонували рішення для масштабування біткойн-мережі — Payment Channel( платіжний канал), яке призначене лише для обробки переказів на біткойн-мережі.
• 2017/11, перша специфікація дизайну State Channel на основі фреймворку Payment Channel, що отримала назву Sprites, була представлена.
• 2018/06, Counterfactual запропонував дуже детальний дизайн Генералізованих Державних Каналів, це перший повністю пов'язаний з державними каналами дизайн.
• У жовтні 2018 року в статті «Узагальнені державні мережі каналів» була запропонована концепція державних канальних мереж і віртуальних каналів.
• 2019/02, концепція стану каналу розширена до N-Party Channels, Nitro є першим протоколом, створеним на основі цієї ідеї.
• 2019/10, Pisa для вирішення проблеми постійного онлайн-статусу всіх учасників розширила концепцію Watchtowers.
• 2020/03, Hydra запропонувала Швидкі ізоморфні канали.

3.1.3 Технічні принципи

Основний процес статус-каналів такий:

1. Аліса та Боб через внесення коштів зі своїх EOA на адресу смарт-контракту, ці кошти блокуються в контракті до закриття каналу, після чого залишок повертається користувачеві; після підтвердження підпису обидві сторони офіційно відкривають стан каналу.

2. Аліса та Боб теоретично можуть здійснювати необмежену кількість угод поза блокчейном через цей канал, учасники спілкуються один з одним за допомогою зашифрованих підписаних повідомлень (, а не з мережею блокчейну ). Обидва користувачі повинні підписувати кожну угоду, щоб запобігти зловживанням з подвійними витратами. Через ці повідомлення вони пропонують оновлення стану своїх рахунків і приймають оновлення стану, запропоновані іншою стороною.

3. Якщо Аліса хоче закрити канал та завершити угоду з Бобом, Алісі потрібно подати остаточний стан свого рахунку до контракту. Якщо Боб підпише та затвердить, контракт звільнить заморожені кошти відповідно до остаточного стану. Якщо Боб не відповість на підпис, контракт звільнить заморожені кошти відповідно до остаточного стану після закінчення періоду оскарження.

3.1.4 Переваги та недоліки

Переваги:

• Можна здійснити безмежну кількість угод поза блокчейном
• Швидкість交易 швидка, майже миттєве підтвердження
• Низька вартість交易
• Гарна конфіденційність, тільки при увімкненні каналу дані потрапляють у блокчейн

Недоліки:

• Потрібно заблокувати кошти
• Усі учасники повинні залишатися онлайн
• Транзакцію можна підтвердити в мережі лише тоді, коли канал закритий.
• Обробка великих багатосторонніх угод має високу складність
• Оновлення статусу потребує підпису всіх учасників

3.1.5 Застосування

1. Біткоїн-мережа Lightning

Біткойн-мережа Lightning є каналом для малих платежів у мережі біткойн, який працює через поза блокчейном малих платежів, а потім за допомогою посередників формує мережу транзакцій, що може вирішити проблему масштабування мережі біткойн. Теоретично мережа Lightning може обробляти один мільйон транзакцій на секунду.

Основна часовий графік:

• чернетка білого паперу, опублікована в лютому 2015 року
• Першу версію основної мережі було випущено в березні 2018 року
• У 2021 році Сальвадор прийняв біткойн як законний платіжний засіб та випустив гаманець на базі мережі Lightning
• У 2022 році кілька бірж підтримали мережу Lightning

Екосистема в основному включає: базову мережу BTC, основну інфраструктуру ( рішення Lightning Network, вузли та послуги ліквідності ), а також різні платіжні та фінансові сервісні додатки на верхньому рівні.

2. Мережа блискавки Ethereum

Мережа Raiden - це канал малих платежів, заснований на Ethereum, який дуже схожий на мережу Lightning, і його мета полягає в досягненні майже миттєвих, низьких витрат і масштабованих платежів токенів ERC20 на Ethereum.

Основна хронологія:

• Засновано в 2017 році
• У травні 2020 року випущено перший клієнт основної мережі

Через повільний розвиток технологій наразі не отримав широкого застосування.

3. Мережа Celer

Celer Network по суті є мережою блискавки з доданим шаром стимулів ( токена $CELR), яка може будувати швидкі, зручні, низьковитратні та безпечні високочастотні взаємодії типу блокчейн Dapps, такі як платформи для електронних спортивних змагань, за допомогою технології поза блокчейном та економічної моделі стимулювання.

3.1.6 Порівняння застосувань

Основні відмінності між біткойн-мережею Lightning, мережею Lightning Ethereum та Celer Network:

• Базова мережа: на основі біткоїна, ефіру та мультиблокчейну
• Функція: Мережа Lightning підтримує лише платежі, тоді як мережі Raiden і Celer підтримують більш складні застосування.
• Рівень розвитку: мережа Lightning є найбільш зрілою, мережа Thunder розвивається повільно, Celer знаходиться посередині