Глибина аналізу розширення поза блокчейном

1. Необхідність розширення

Майбутнє блокчейн-технології передбачає децентралізацію, безпеку та масштабованість, але зазвичай вдається реалізувати лише два з цих трьох аспектів, що відомо як проблема неможливого трикутника блокчейну. Протягом багатьох років люди досліджують, як підвищити пропускну здатність і швидкість транзакцій блокчейну, забезпечуючи при цьому децентралізацію та безпеку, тобто вирішити проблему масштабування, що є однією з ключових тем розвитку блокчейну сьогодні.

Децентралізація, безпека та масштабованість блокчейну можна просто визначити як:

• Децентралізація: будь-хто може стати вузлом та взяти участь у системі блокчейн, чим більше вузлів, тим вищий рівень децентралізації.
• Безпека: чим вищі витрати на отримання контролю над системою блокчейн, тим вища безпека, що дозволяє протистояти атакам з боку великих учасників.
• Масштабованість: здатність блокчейну обробляти велику кількість транзакцій.

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

Перший значний хард-форк мережі Біткоїн виник через проблему розширення. Зі збільшенням кількості користувачів та обсягом транзакцій, обмеження в 1 МБ на кожен блок призвело до забруднення мережі. З 2015 року в спільноті Біткоїн існували розбіжності щодо питання розширення, що врешті-решт призвело до першого значного хард-форку Біткоїн 1 серпня 2017 року, в результаті якого з'явилася нова монета BCH.

Мережа Ethereum також вибрала пожертвувати частиною масштабованості для забезпечення безпеки та децентралізації. Хоча вона не має обмежень на розмір блоку, як у біткоїна, але фактично обмежує обсяг транзакцій через обмеження плати за паливо для одного блоку, метою яких є досягнення бездоказового консенсусу та забезпечення широкого розподілу вузлів.

Від CryptoKitties 2017 року до пізнішого зростання DeFi, GameFi та NFT, попит на пропускну здатність на ринку постійно зростає, але Ethereum може обробляти лише 15-45 транзакцій на секунду. Це призводить до зростання вартості транзакцій, збільшення часу розрахунків, більшість Dapps важко витримують витрати на експлуатацію, вся мережа стає повільною і дорогою, проблема масштабування блокчейну потребує термінового вирішення. Ідеальним рішенням для масштабування є: максимально підвищити швидкість транзакцій і пропускну здатність без шкоди для децентралізації та безпеки.

2. Категорії планів розширення

Згідно з критерієм "чи змінюється шар основної мережі", ми можемо розділити плани розширення на дві великі категорії: розширення на блокчейні та розширення поза блокчейном.

2.1 Розширення поза блокчейном

Основна концепція: рішення, яке досягає ефекту масштабування шляхом зміни одного з протоколів основної мережі, наразі основне рішення - шардінг.

Існує кілька варіантів розширення в ланцюгу, тут коротко наведено два з них:

• Варіант перший полягає в розширенні блокового простору, збільшенні кількості транзакцій, що пакуються в кожен блок, але це підвищить вимоги до обладнання вузлів і знизить ступінь децентралізації.

• Варіант другий - це шардінг, що розділяє бухгалтерську книгу блокчейну на кілька частин, різні вузли відповідають за різне ведення обліку, а паралельні обчислення можуть одночасно обробляти кілька транзакцій. Це може знизити обчислювальне навантаження на вузли та бар'єри для входу, підвищити швидкість обробки транзакцій і рівень децентралізації, але може знизити загальну безпеку мережі.

Зміна коду основного протоколу мережі може призвести до непередбачуваних негативних наслідків, оскільки будь-яка вразливість у базовому рівні серйозно загрожує безпеці всієї мережі, що може призвести до форку або переривання оновлення. Наприклад, у 2018 році команда Zcash витратила 8 місяців на таємне виправлення інфляційної вразливості, перш ніж зробити це публічним.

2.2 поза блокчейном розширення

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

поза блокчейном розширення можна поділити на Layer2 та інші рішення:

Шар 2:

• Державні канали
• Плазма
• Ролапи
  • Оптимістичні роллапи
  • ZK Rollups

Інше:

• Бічні ланцюги
• Валідіум

3. Поза блокчейном розширення рішення

3.1 Державні Канали

3.1.1 Огляд

Статевий канал передбачає, що користувачі повинні взаємодіяти з основною мережею лише під час відкриття, закриття або вирішення суперечок, а взаємодії між користувачами проводяться поза блокчейном, щоб зменшити час і витрати на транзакції, забезпечуючи необмежену кількість транзакцій.

Статеві канали є простими P2P-протоколами, придатними для "заснованих на раундах додатків", таких як гра в шахи для двох. Кожен канал управляється багатопідписним смарт-контрактом у головній мережі, який контролює внесені активи, перевіряє оновлення стану та арбітражує спори ( відповідно до підписаних і з таймстемпом доказів шахрайства ). Учасники вносять кошти та блокують їх після розгортання контракту в мережі, а після підписання обидвох сторін канал офіційно відкривається. Канал дозволяє учасникам проводити необмежену кількість безкоштовних операцій поза блокчейном (, якщо чиста вартість переказу не перевищує загальну суму внесків ). Учасники по черзі надсилають оновлення стану та чекають підтвердження підпису від іншої сторони. У нормальних умовах оновлення стану, на яких обидві сторони погоджуються, не завантажуються в головну мережу, лише спори або закриття каналу покладаються на підтвердження головної мережі. У момент закриття будь-яка зі сторін може подати запит до головної мережі, якщо всі підписи схвалені, виконання відбувається негайно, інакше необхідно дочекатися завершення "періоду виклику", щоб отримати кошти.

Стан канали можуть значно зменшити обчислювальні навантаження основної мережі, підвищити швидкість транзакцій та 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 Таддеус Дріджа опублікували чернетку білого паперу мережі Lightning
• 2015/11: Джефф Колман вперше систематично підсумував концепцію State Channel
• 2016/01: Офіційно опубліковано білу книгу про мережу Lightning, в якій запропоновано рішення для масштабування каналів платежів Bitcoin.
• 2017/11: Перші специфікації дизайну State Channel на основі Payment Channel були представлені Sprites
• 2018/06: Counterfactual представила детальний дизайн Генералізованих Державних Каналів
• 2018/10: Узагальнені державні канальні мережі пропонують концепцію державних канальних мереж та віртуальних каналів
• 2019/02: Nitro вперше заснував протокол на основі N-Party Channels
• 2019/10: Pisa розширює концепцію Watchtowers для вирішення проблеми постійної онлайн-участі
• 2020/03: Hydra запропонувала Швидкі ізоморфні канали

3.1.3 Технічні принципи

Традиційний робочий процес на блокчейні: користувач змінює стан смарт-контракту, надсилаючи транзакцію на блокчейн, недолік полягає в тому, що це призводить до проблем із часом і витратами.

Процес роботи каналу стану:

1. Аліса і Боб відкривають канали стану, вносячи кошти в контракт на блокчейні.
2. Сторони можуть проводити необмежену кількість угод поза блокчейном, спілкуючись один з одним через підписані повідомлення.
3. Якщо Аліса хоче закрити канал, їй потрібно подати остаточний стан до контракту.
4. Якщо Боб підписав схвалення, контракт розподіляє кошти відповідно до остаточного стану
5. Якщо Bob не відповідає, контракт розподіляє кошти після закінчення періоду оскарження

Робочий процес у песимістичних обставинах:

1. Якщо Bob не відповідає на підпис оновлення статусу, Alice може подати останній дійсний статус до контракту для ініціювання виклику.
2. Контракт дозволяє Бобу реагувати протягом певного часу
3. Якщо Bob відповість, можна продовжувати угоду; якщо не відповість, контракт автоматично закриває канал і повертає кошти.

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

3.1.4 Плюси та мінуси

Переваги:

• Миттєве підтвердження угоди
• надзвичайно низькі комісії за трансакції
• Хороша конфіденційність
• Висока масштабованість

Недоліки:

• Потрібен безперервний моніторинг в режимі онлайн
• Високі початкові витрати
• Низька ефективність використання коштів
• Важко обробляти багатосторонні угоди
• Нестача комбінованості

3.1.5 Застосування

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

Біткоїн-ліхтарна мережа:

• У лютому 2015 року було опубліковано проект білої книги
• Першу версію основної мережі було випущено в березні 2018 року
• У 2021 році Сальвадор прийняв біткойн як законний платіжний засіб, запустивши гаманець Chivo на базі мережі Lightning.
• У листопаді 2022 року було 76,236 платіжних каналів, кошти каналу 5049 BTC

Ефірний громовий мережа:

• Заснований у 2017 році, подібно до мережі Lightning
• У жовтні 2017 року ICO зібрало понад 30 мільйонів доларів США
• Перший Light Client запущено в основній мережі в травні 2020 року
• Наразі поріг входу високий, екосистема розвивається повільно

Мережа Celer:

• По суті це збільшення шару стимулювання мережі Lightning
• Можна будувати швидкі, низькотарифні та безпечні високочастотні інтерактивні Dapps за допомогою технології розширення поза блокчейном та моделей економічних стимулів.
• Запуск на основній мережі Ethereum у липні 2019 року
• Наразі перетворено на платформу агрегації розширення L2, що підтримує крос-ланцюг.

3.1.6 Порівняння застосувань

Біткойн-мережа блискавки:

• Переваги: низькі торгові витрати, хороша конфіденційність
• Недоліки: потрібно заблокувати кошти, складний маршрут

Ефірний громовий мережевий:

• Переваги: підтримка смарт-контрактів
• Недоліки: повільний прогрес у розробці, висока вартість використання

Мережа Celer:

• Переваги: підтримка крос-чейн, вдосконалена механіка стимулювання
• Недолік: високий рівень централізації

3.2 Бічні ланцюги

3.2.1 Огляд

Концепція бічних ланцюгів була вперше представлена в 2012 році в чаті розробників Bitcoin, а в 2014 році дослідник Blockstream написав першу статтю на цю тему. Бічні ланцюги — це форма блокчейну, що виникла для прискорення транзакцій Bitcoin, яка може використовувати більш складні контракти або покращувати механізм консенсусу. Коли результати транзакцій бічного ланцюга врешті-решт передаються назад до основного ланцюга, вони реєструються на стороні валідаторів. Ця модель блокчейну не є новою формою, а є інфраструктурою, що прикріплена до основного ланцюга та допомагає вирішувати проблеми.

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

3.2.2 Часова лінія

• 2012/01: Концепція бічних ланцюгів біткойна була запропонована в чаті
• 2014/10: Опублікована стаття про бокові ланцюги біткоїна, в якій запропоновано Симетричну прив'язку та Асиметричну прив'язку
• 2017/04: Запуск тестової мережі бокового ланцюга POA Network на базі консенсусу PoA Ethereum.
• 2017/10: Запуск Matic Network
• 2017/12: Запуск основної мережі POA Network
• 2018/01: Запуск тестової мережі Skale
• 2018/10: запущено тестову мережу xDai Chain
• 2020/06: Запуск основної мережі Skale
• 2020/06: Запуск основної мережі Matic PoS Chain на стороні Ethereum
• 2021/02: Matic Network змінила назву на Polygon Network
• 2021/02: Запуск основної мережі Ronin, бокової ланцюга гри Axie Infinity
• 2021/12: xDai Chain об'єдналася з Gnosis Dao і утворила Gnosis Chain
• 2022/03: Мережу POA об'єднано з Gnosis Chain

3.2.3 Технічні принципи

Бічний ланцюг головним чином спілкується з основним ланцюгом за допомогою двосторонньої прив'язки та неузгодженої прив'язки.

Двостороннє закріплення ( Симетричне закріплення ):

• Верифікатори основної ланцюга та бокового ланцюга в реальному часі фіксують поточний стан один одного
• Використання двосторонньої технології SPV для передачі інформації
• Токени основного ланцюга, що надсилаються на бічний ланцюг, створюють SPV-Locked Output
• Верифікатори бічного ланцюга розблоковують за допомогою SPV доказів
• Після підтвердження періоду та періоду конкурсу користувач може використовувати новостворені упаковані активи в сторонній ланцюг

Неузгоджене закріплення ( Асиметричне закріплення ):

• Валідаційні вузли бічного ланцюга в реальному часі моніторять активність основного ланцюга
• Торгівля між основним ланцюгом та боковим ланцюгом може бути безпосередньо зафіксована
• Для транзакцій з бічних ланцюгів до основного ланцюга необхідно впровадити механізм сертифікаторів
• Сертифікатори фіксують ключову інформацію та агрегують підписи
• Потрібно закласти активи, щоб не порушити систему

Наразі все більше бічних ланцюгів вибирають використання механізму PoA або релеїв для підтвердження стану блоків основного ланцюга.

Підсумок механізму бічного ланцюга:

• Головна ланка до бічної ланки: головна ланка блокує активи, бічна ланка генерує wrapped asset
• Бічний ланцюг до основного ланцюга: бічний ланцюг знищує wrapped asset, основний ланцюг розблоковує активи

Безпека активів бокового ланцюга залежить від безпеки механізму консенсусу бокового ланцюга.

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

3.2.4 Переваги та недоліки

Переваги:

• Висока гнучкість, можливість налаштування функцій
• Активи основного ланцюга можуть взаємодіяти
• Зменшення навантаження на основний ланцюг
• Знизити витрати на交易

Недоліки:

• Безпека залежить від власного механізму консенсусу
• Потрібен надійний федеративний або уповноважений орган
• Кросчейн交易 складний
• Можливе виникнення розриву ліквідності