Поглиблений аналіз розширення поза блокчейном

Автор: Cobo Ventures

1. Необхідність розширення

Майбутнє блокчейну – це грандіозна візія: децентралізація, безпека та масштабованість; однак зазвичай блокчейн може реалізувати лише два з цих вимог, і задовольнити всі три вимоги одночасно називається проблемою неможливого трикутника блокчейну. Протягом багатьох років люди досліджують, як вирішити цю проблему, як підвищити пропускну здатність блокчейну та швидкість транзакцій за умови забезпечення децентралізації та безпеки, тобто вирішення проблеми масштабування є однією з актуальних тем обговорення в процесі розвитку блокчейну.

Давайте спочатку загально визначимо децентралізацію, безпеку та масштабованість блокчейну:

• Децентралізація: будь-хто може стати вузлом і брати участь у виробництві та верифікації в системі блокчейн, чим більше вузлів, тим вищий рівень децентралізації, що забезпечує захист мережі від контролю невеликої групи великих централізованих учасників.

• Безпека: Чим вищі витрати на отримання контролю над системою блокчейн, тим вища безпека, отже, ланцюг може протистояти атакам значної частини учасників.

• Масштабованість: здатність блокчейну обробляти велику кількість транзакцій.

Перша значна жорстка форк мережі Біткойн виникла через проблему розширення. Зі збільшенням кількості користувачів Біткойна та обсягу транзакцій, мережа Біткойн з обмеженням в 1 МБ на блок почала стикатися з проблемою заторів; з 2015 року в спільноті Біткойн існували розбіжності щодо розширення, одна сторона, представлена Bitcoin ABC, підтримувала розширення блоків, тоді як інша сторона, представлена Bitcoin Core, виступала за використання рішення Segwit для оптимізації структури основного ланцюга. 1 серпня 2017 року клієнтська система Bitcoin ABC, що була розроблена до 8 МБ, почала працювати, що призвело до виникнення першого значного жорсткого форка в історії Біткойна, а також до появи нової криптовалюти BCH.

Так само і мережа Ethereum обрала жертвувати частиною своєї масштабованості для забезпечення безпеки та децентралізації мережі; хоча мережа Ethereum не обмежує обсяг транзакцій, як це робить мережа Bitcoin шляхом обмеження розміру блоку, а натомість перетворюється на встановлення верхньої межі на плату за паливо для одного блоку, проте мета залишається такою ж – досягнення Trustless Consensus та забезпечення широкого розподілу вузлів ( незалежно від того, чи скасувати, чи підвищити ліміт, буде усунено багато менших вузлів, які не мають достатньої ширини каналу, пам'яті та обчислювальної потужності ).

Від CryptoKitties 2017 року, через літо DeFi, до пізнішого зростання таких ланцюгових застосувань, як GameFi та NFT, ринок постійно збільшує попит на пропускну спроможність. Проте навіть Turing-досконалий Ethereum може обробити лише 15~45 транзакцій на секунду ( TPS ), що призводить до постійного зростання вартості транзакцій, подовження часу розрахунків, більшість Dapps не можуть витримати витрати на експлуатацію, а вся мережа стає повільною і дорогою для користувачів. Проблема розширення блокчейну терміново потребує вирішення. Ідеальний варіант розширення: підвищити швидкість транзакцій блокчейн-мережі ( коротший час завершення ) та пропускну здатність ( вищий TPS ) без жертвування децентралізацією та безпекою.

2. Категорії планів розширення

Ми розділили плани розширення на дві основні категорії: розширення на основному ланцюгу та розширення поза блокчейном, керуючись критерієм "чи змінюється один рівень основної мережі".

2.1 розширення на ланцюзі

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

Розширення блокчейну має кілька варіантів, у цій статті не буде розгорнуто, нижче коротко перераховані два варіанти:

• Варіант перший - це розширення простору блоків, тобто збільшення кількості транзакцій, які упаковуються в кожному блоці, але це призведе до підвищення вимог до обладнання високопродуктивних вузлів, підвищення порогу входження для вузлів та зниження рівня "децентралізації".

• Варіант два - це шардінг, розділення бухгалтерської книги блокчейну на кілька частин, більше не кожен вузол бере участь у всьому обліку, а різні шардінги, тобто різні вузли, відповідають за різний облік, паралельні обчислення можуть обробляти кілька транзакцій одночасно; це може знизити обчислювальне навантаження на вузли та бар'єри для входу, підвищити швидкість обробки транзакцій і рівень децентралізації; але це означає, що обчислювальна потужність по всій мережі розподілена, що знижує "безпеку" всієї мережі.

Зміна коду основного протоколу мережі може призвести до непередбачуваних негативних наслідків, оскільки будь-які незначні вразливості безпеки на нижньому рівні можуть серйозно загрожувати безпеці всієї мережі, що може змусити мережу до розподілу або переривання ремонту та оновлення. Наприклад, інцидент з інфляцією Zcash у 2018 році: код Zcash був змінений на основі коду версії Bitcoin 0.11.2, у 2018 році один інженер виявив серйозну вразливість у його базовому коді, а саме, токени могли безмежно випускатися, після чого команда витратила 8 місяців на секретне виправлення, і лише після виправлення вразливості ця подія була опублікована.

2.2 поза блокчейном розширення

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

поза блокчейном розширення може бути додатково поділено на Layer2 та інші рішення:

! Звіт про глибоке дослідження на 10 000 слів: комплексний аналіз офчейн-експансії

3. Поза блокчейном розширення.

3.1 Державні канали

3.1.1 Огляд

Статус-канал передбачає, що лише під час відкриття, закриття або вирішення суперечок користувачам потрібно взаємодіяти з основною мережею, а взаємодію між користувачами здійснювати поза блокчейном, щоб зменшити час та фінансові витрати на транзакції, а також забезпечити необмежену кількість транзакцій.

Статевий канал – це простий P2P протокол, що підходить для "заснованих на раундах додатків", наприклад, для гри в шахи між двома особами. Кожен канал управляється мультипідписаним смарт-контрактом, що працює в основній мережі, який контролює активи, що вносяться в канал, перевіряє оновлення статусу та арбітрує спори між учасниками ( на основі доказу шахрайства з підписами та часовими мітками ). Після розгортання контракту в блокчейн-мережі учасники вносять кошти та блокують їх, і після підтвердження підписами обох сторін канал офіційно відкритий. Канал дозволяє учасникам здійснювати необмежену кількість безкоштовних транзакцій поза блокчейном ( за умови, що їхня чиста вартість передачі не перевищує загальну суму внесених токенів ). Учасники по черзі надсилають оновлення статусу один одному, чекаючи підтвердження підписом іншої сторони. Як тільки інша сторона підтверджує підписом, це оновлення статусу вважається завершеним. У нормальних умовах оновлення статусу, на якому погоджуються обидві сторони, не завантажується в основну мережу, лише у випадку суперечки або закриття каналу буде покладено на основну мережу для підтвердження. Коли потрібно закрити канал, будь-який учасник може подати запит на транзакцію в основну мережу, якщо запит на вихід отримує одноголосне схвалення підписом, то він негайно виконується в мережі, тобто смарт-контракт розподіляє залишкові заблоковані кошти відповідно до залишків кожного учасника на основі остаточного стану каналу; якщо інші учасники не підписали схвалення, то всім потрібно чекати закінчення "періоду оскарження", перш ніж отримати залишкові кошти.

Отже, схема каналів стану може значно зменшити обчислювальне навантаження основної мережі, підвищити швидкість транзакцій та знизити витрати на транзакції.

3.1.2 Часова шкала

• 2015/02, Джозеф Пун і Таддеус Дрідя опублікували проект білого паперу про мережу Lightning.

• 2015/11, Джефф Коулман вперше систематично підсумував концепцію State Channel, запропонувавши, що Payment Channel біткойна є підкатегорією концепції State Channel.

• 2016/01, Джозеф Пун і Таддеус Дріджа офіційно опублікували технічний документ «The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments», в якому запропонували рішення для масштабування біткоїн-мережі - Payment Channel( платіжний канал), це рішення використовується виключно для обробки переказів на біткоїн-мережі.

• 2017/11, перша специфікація дизайну State Channel на основі рамки Payment Channel, відома як Sprites, була запропонована.

• 2018/06, Counterfactual запропонував дуже детальний дизайн Generalized State Channels, це перший повністю пов'язаний з каналами стану дизайн.

• У жовтні 2018 року в статті «Узагальнені мережі державних каналів» були запропоновані концепції державних канальних мереж і віртуальних каналів.

• 2019/02, концепція статус-каналів була розширена до N-Party Channels, Nitro є першим протоколом, створеним на основі цієї ідеї.

• 2019/10, Pisa для вирішення проблеми постійної онлайн присутності всіх учасників розширила концепцію Watchtowers.

• 2020/03, Hydra запропонувала Швидкі ізоморфні канали.

3.1.3 Технічні принципи

Основний робочий процес каналів стану є наступним:

1. Аліса та Боб через внесення коштів з особистого EOA до адреси контракту на блокчейні, ці кошти блокуються в контракті, поки канал не буде закритий, після чого залишок повертається користувачу; після підписання підтвердження обидві сторони офіційно відкривають стан каналу.

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

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

3.1.4 Плюси та мінуси

Переваги:

• Миттєве підтвердження угоди, швидкість угоди висока
• Низькі комісії за транзакції
• Висока приватність, проміжний стан не публікується
• Гарна масштабованість, теоретично підтримує безмежну кількість транзакцій

Недоліки:

• Потрібно заблокувати кошти
• Всі учасники повинні бути постійно онлайн
• Обмежена доступність каналів, нерегульоване розподілення коштів
• Не можна обробляти транзакції між великою кількістю користувачів

3.1.5 Додаток

Основні застосування включають мережу Lightning для Bitcoin, мережу Lightning для Ethereum та Celer Network тощо.

Наприклад, на основі біткойн-мережі Lightning:

• концепція запропонована в лютому 2015 року
• Першу версію основної мережі було випущено у березні 2018 року
• У червні 2021 року Сальвадор прийняв біткойн як законний платіжний засіб і використовував гаманці на основі мережі Lightning.
• У листопаді 2022 року в мережі Lightning було 76 236 платіжних каналів, капітал каналів 5049 BTC( приблизно $81.8M)

Екосистема блискавичних мереж від нижнього рівня до верхнього виглядає наступним чином: базова мережа BTC, основна інфраструктура, різні застосунки. Наразі існує понад 100 застосунків, які охоплюють платіжні системи, гаманці, управління вузлами та інші категорії.

3.1.6 Порівняння застосунків

Біткоїн-мережа Lightning, мережа Lightning Ethereum та Celer Network мають деякі відмінності в дизайні, сценаріях застосування та ступені розвитку:

• Мережева блискавка зосереджена на малих платежах біткойнами
• Мережа Lightning підтримує платежі токенами ERC20 на Ethereum
• Celer Network більш універсальний, підтримує платежі та складні інтеракції смарт-контрактів

Взагалі, технологія каналів стану все ще перебуває на стадії розвитку, і в майбутньому вона може знайти більш широке застосування в таких сценаріях, як малі високочастотні платежі.

3.2 Бічні ланцюги

3.2.1 Огляд

Бічний ланцюг з'явився для прискорення транзакцій біткоїна, він може використовувати більш складні контракти або покращити механізм консенсусу (, як-от PoS ), або параметри блоку, щоб бічний ланцюг відповідав певним функціям. Результати транзакцій бічного ланцюга в кінцевому підсумку записуються на стороні валідаторів під час передачі назад на головний ланцюг. Ця модель блокчейну не є новою формою блокчейну, а є інфраструктурою, яка прикріплена до головного ланцюга і допомагає головному ланцюгу вирішувати проблеми.

3.2.2 Хронологія

• 2012/01, концепція бічних ланцюгів біткойна була представлена в чаті
• 2014/10, вперше опубліковано статтю про бокові ланцюги біткоїнів: Симетричний прив'язаний та асиметричний прив'язаний
• 2017/04, POA Network основана на консенсусі Proof of Authentication на базі Ethereum.