《خارج السلسلة扩容العمق解析》

المؤلف: فريق البحث

1. ضرورة التوسع

مستقبل blockchain هو رؤية عظيمة: اللامركزية، والأمان، وقابلية التوسع؛ ولكن عادةً ما يمكن لـ blockchain تحقيق اثنين فقط من هذه الثلاثة، ويشار إلى تلبية هذه المتطلبات الثلاثة جميعًا بمشكلة المثلث المستحيل لل blockchain. على مر السنين، كان الناس يستكشفون كيفية حل هذه المشكلة، وكيفية تحسين قدرة blockchain على المعالجة وسرعة المعاملات مع ضمان اللامركزية والأمان، أي حل مشكلة التوسع، وهي واحدة من المواضيع الساخنة التي يتم مناقشتها في عملية تطوير blockchain الحالية.

دعونا نحدد بشكل عام اللامركزية والأمان وقابلية التوسع في blockchain:

• اللامركزية: يمكن لأي شخص أن يصبح عقدة للمشاركة في إنتاج والتحقق من نظام blockchain، كلما زاد عدد العقد، زادت درجة اللامركزية، مما يضمن عدم سيطرة مجموعة صغيرة من المشاركين المركزيين على الشبكة.
• الأمان: كلما زادت التكلفة اللازمة للحصول على السيطرة على نظام blockchain، زادت الأمان، وبالتالي يمكن أن تتحمل السلسلة هجمات نسبة أكبر من المشاركين.
• قابلية التوسع: قدرة blockchain على معالجة عدد كبير من المعاملات.

كانت أول عملية انقسام كبيرة في شبكة البيتكوين ناتجة عن مشكلة توسيع السعة. مع تزايد عدد مستخدمي البيتكوين وحجم المعاملات، بدأت شبكة البيتكوين التي حدها الأقصى 1 ميغابايت لكل كتلة تواجه مشكلة الازدحام؛ منذ عام 2015، كانت هناك انقسامات في مجتمع البيتكوين حول مشكلة التوسيع، حيث كانت إحدى المجموعات، التي تمثلها Bitcoin ABC، تدعم توسيع الكتل، بينما كانت المجموعة الأخرى، التي تمثلها Bitcoin Core، تؤيد استخدام خطة Segwit لشهادات العزل لتحسين هيكل السلسلة الرئيسية. في 1 أغسطس 2017، بدأت Bitcoin ABC في تشغيل نظام عميل تم تطويره ذاتيًا بسعة 8 ميغابايت، مما أدى إلى ظهور أول عملية انقسام كبيرة في تاريخ البيتكوين، ومن ثم نشأت العملة الجديدة BCH.

على نفس المنوال، اختار شبكة الإيثيريوم أيضًا التضحية بجزء من القابلية للتوسع لضمان أمان الشبكة واللامركزية؛ على الرغم من أن شبكة الإيثيريوم لم تحدد حجم الكتلة مثل شبكة البيتكوين للحد من حجم المعاملات، بل تحولت بشكل غير مباشر إلى وضع حد أقصى لرسوم الوقود التي يمكن أن تستوعبها كتلة واحدة، ولكن الهدف هو تحقيق الإجماع بدون ثقة وضمان توزيع واسع للنقاط ( سواء تم إلغاء الحد أو زيادته سيؤدي إلى التخلص من العديد من النقاط الصغيرة التي تفتقر إلى النطاق الترددي والتخزين والقدرة الحاسوبية ).

من CryptoKitties في عام 2017، وصيف DeFi، ثم ظهور تطبيقات GameFi و NFT على السلسلة، يزداد الطلب على السعة في السوق، ولكن حتى الإيثيريوم القادر على التيرينغ يمكنه معالجة 15~45 معاملة في الثانية (TPS)، مما يؤدي إلى زيادة تكاليف المعاملات، وزيادة وقت التسوية، مما يجعل معظم Dapps تعاني من تكاليف التشغيل، ويصبح الشبكة بأكملها بطيئة ومكلفة بالنسبة للمستخدمين، الأمر الذي يتطلب حل مشكلة توسيع نطاق blockchain بشكل عاجل. الحل المثالي للتوسيع هو: تحسين سرعة معاملات شبكة blockchain ( وقت إنهاء أقصر ) وسعة معاملات أعلى (TPS) دون التضحية باللامركزية والأمان.

2. فئات خطة التوسع

نحن نصنف خطط التوسع إلى فئتين رئيسيتين: التوسع على السلسلة والتوسع خارج السلسلة، بناءً على معيار "هل يتم تغيير طبقة الشبكة الرئيسية".

2.1 توسيع السلسلة

المفهوم الأساسي: حل لتحقيق تأثير التوسع من خلال تغيير طبقة بروتوكول الشبكة الرئيسية، والخطة الرئيسية الحالية هي التقسيم.

هناك العديد من الحلول لتوسيع الشبكة على السلسلة، لن يتم توسيع هذه المقالة، فيما يلي سرد موجز لحلّين.

• الخيار الأول هو توسيع مساحة الكتلة، أي زيادة عدد المعاملات المعبأة في كل كتلة، لكن هذا سيزيد من متطلبات الأجهزة عالية الأداء للعقد، ويزيد من عتبة انضمام العقد، مما يقلل من درجة "اللامركزية".
• الخيار الثاني هو التجزئة، حيث يتم تقسيم دفتر سجلات البلوكشين إلى عدة أجزاء، حيث لا يشارك كل عقدة في جميع عمليات التسجيل، بل تكون هناك تجزئات مختلفة أي عقد مختلفة مسؤولة عن تسجيلات مختلفة، ويمكن للحسابات المتوازية معالجة معاملات متعددة في نفس الوقت؛ مما يقلل من ضغط الحوسبة على العقد ويخفض من عتبة الانضمام، ويزيد من سرعة معالجة المعاملات ومستوى اللامركزية؛ لكن هذا يعني أن قوة الحوسبة في الشبكة ستتوزع، مما يقلل من "أمان" الشبكة بأكملها.

قد يؤدي تغيير كود بروتوكول الشبكة الرئيسية إلى آثار سلبية يصعب التنبؤ بها، لأن أي ثغرة أمنية طفيفة في الطبقة الأساسية تهدد بشكل خطير أمان الشبكة بأكملها، وقد تضطر الشبكة إلى القيام بعملية انقسام أو توقف لإجراء ترقية تصحيحية. على سبيل المثال، حدث ثغرة التضخم في Zcash في عام 2018: تم تعديل كود Zcash بناءً على كود إصدار Bitcoin 0.11.2، وفي عام 2018 اكتشف أحد المهندسين وجود ثغرة عالية الخطورة في الكود الأساسي، وهي إمكانية إصدار رموز بلا حدود، وعلى الفور قضى الفريق 8 أشهر في إصلاحها سراً، وبعد إصلاح الثغرة تم الإعلان عن هذه الحادثة.

2.2 خارج السلسلة توسيع

المفهوم الأساسي: حل توسيع لا يغير بروتوكول الشبكة الرئيسية من الطبقة الأولى الحالي.

خارج السلسلة توسعة الحلول يمكن تقسيمها إلى Layer2 وحلول أخرى:

3. حلول توسيع خارج السلسلة

3.1 قنوات الدولة

3.1.1 ملخص

تنص قناة الحالة على أن المستخدمين يحتاجون فقط للتفاعل مع الشبكة الرئيسية عند فتح القناة أو إغلاقها أو حل النزاعات، وتتم تفاعلات المستخدمين مع بعضهم البعض خارج السلسلة، مما يقلل من الوقت والتكلفة المالية للمعاملات، ويحقق عدد غير محدود من المعاملات.

قناة الحالة هي بروتوكول بسيط من نظير إلى نظير، مناسب "للتطبيقات القائمة على الأدوار"، مثل لعبة الشطرنج الثنائية. يتم إدارة كل قناة بواسطة عقد ذكي متعدد التوقيع يعمل على الشبكة الرئيسية، والذي يتحكم في الأصول المودعة في القناة، ويحقق تحديثات الحالة، ويحل النزاعات بين المشاركين ( بناءً على دليل الاحتيال مع التوقيعات والطوابع الزمنية ). بعد نشر العقد على شبكة البلوك تشين، يقوم المشاركون بإيداع مبلغ من المال وقفله، وبعد تأكيد توقيع الطرفين، يتم افتتاح القناة رسميًا. تسمح القناة بإجراء معاملات غير محدودة بدون رسوم خارج السلسلة ( طالما أن القيمة الصافية لتحويلاتهم لا تتجاوز إجمالي الرموز المودعة ). يقوم المشاركون بالتناوب في إرسال تحديثات الحالة إلى بعضهم البعض، في انتظار تأكيد توقيع الطرف الآخر. بمجرد تأكيد توقيع الطرف الآخر، تعتبر تحديث الحالة مكتملة. عادةً، لن يتم تحميل تحديثات الحالة المتفق عليها من قبل الطرفين على الشبكة الرئيسية، ولكن فقط في حالة حدوث نزاع أو إغلاق القناة، فإنه سيتم الاعتماد على تأكيد الشبكة الرئيسية. عند الحاجة إلى إغلاق القناة، يمكن لأي مشارك تقديم طلب معاملة على الشبكة الرئيسية، وإذا تم الموافقة على طلب الخروج بتوقيع إجماعي، فسيتم التنفيذ على الفور على السلسلة، أي أن العقد الذكي يوزع الأموال المعلقة المتبقية بناءً على رصيد كل مشارك في حالة القناة النهائية؛ إذا لم يوافق المشاركون الآخرون على التوقيع، يتعين على الجميع الانتظار حتى انتهاء "فترة التحدي" لاستلام الأموال المتبقية.

بناءً على ما سبق، يمكن أن يقلل حل قناة الحالة بشكل كبير من كمية الحسابات على الشبكة الرئيسية، ويعزز سرعة المعاملات، ويقلل من تكاليف المعاملات.

3.1.2 الجدول الزمني

• 2015/02، نشر جوزيف بون وثاديوس دريا مسودة وثيقة البيت الأبيض لشبكة البرق.
• 2015/11، قام جيف كولمان بتلخيص مفهوم قناة الدولة بشكل منهجي لأول مرة، وقدم قناة الدفع الخاصة بالبيتكوين كحالة فرعية من مفهوم قناة الدولة.
• 2016/01، نشر جوزيف بون وثاديوس دريجا رسميًا الورقة البيضاء "شبكة البيتكوين الضوئية: مدفوعات فورية قابلة للتوسع خارج السلسلة" التي اقترحت خطة توسيع شبكة البيتكوين الضوئية Payment Channel( قناة الدفع)، هذه الخطة تستخدم فقط لمعالجة المدفوعات على شبكة البيتكوين.
• 2017/11، تم اقتراح أول معيار تصميم يتعلق بقناة الحالة تحت إطار قناة الدفع Sprites.
• 2018/06, قدمت Counterfactual تصميمًا مفصلًا جدًا لقنوات الحالة العامة، وهو أول تصميم مرتبط بالكامل بقنوات الحالة.
• 2018/10، قدمت المقالة Generalised State Channel Networks مفهوم شبكة القنوات الدولة والقنوات الافتراضية.
• 2019/02، تم توسيع مفهوم قناة الحالة إلى قنوات N-Party، وNitro هو البروتوكول الأول الذي تم إنشاؤه بناءً على هذه الفكرة.
• 2019/10, Pisa لتسهيل استمرار تواجد جميع المشاركين على الإنترنت، وسعت مفهوم Watchtowers.
• 2020/03، قدمت Hydra قنوات متساوية الأبعاد السريعة.

3.1.3 المبادئ التقنية

توضح الصورة 1 سير العمل التقليدي على السلسلة: تتفاعل أليس وبوب مع العقد الذكي المنشور على الشبكة الرئيسية، ويقوم المستخدمون بإرسال المعاملات إلى السلسلة لتغيير حالة العقد الذكي. العيب هو أنه سيؤدي إلى مشاكل الوقت والتكلفة التي تمت مناقشتها أعلاه.

تظهر الصورة 2 سير العمل العام الذي تتبعه معظم بروتوكولات قنوات الحالة: في الحالة المتفائلة، يحتاج أليس وبوب إلى تنفيذ نفس العملية كما في السابق، لكن هذه المرة يستخدمون قناة الحالة، بدلاً من التفاعل مع العقد على السلسلة.

• الخطوة الأولى ، أليس وبوب يتفاعلان من خلال إيداع الأموال من EOA الشخصي الخاص بهما إلى عنوان العقد على السلسلة ( ، حيث يتم قفل هذه الأموال في العقد حتى يتم إرجاع الرصيد إلى المستخدم عند إغلاق القناة ؛ بعد تأكيد توقيع الاثنين ، يتم فتح قناة الحالة بين الاثنين رسميًا.
• الخطوة الثانية، يمكن لأليس وبوب من خلال هذه القناة من الناحية النظرية القيام بعدد غير محدود من المعاملات خارج السلسلة ) خط أزرق متقطع (، حيث يتواصل المشاركون عبر رسائل موقعة مشفرة ) بدلاً من التواصل مع شبكة البلوكشين (. يحتاج كلا الطرفين إلى توقيع كل معاملة لمنع الاحتيال المزدوج. من خلال هذه الرسائل، يقترحون تحديثات حالة حساباتهم، ويقبلون تحديثات الحالة التي يقترحها الطرف الآخر.
• الخطوة الثالثة، إذا أرادت أليس إغلاق القناة وإنهاء المعاملة بينها وبين بوب، تحتاج أليس إلى تقديم الحالة النهائية لحسابها إلى العقد ) تفاعل 3(، إذا وقع بوب ووافق، فسيقوم العقد بإطلاق الأموال المقيدة وفقًا للحالة النهائية وإعادتها للمستخدم المعني ) تفاعل 4،5(. إذا لم يستجب بوب للتوقيع، فسيقوم العقد بإطلاق الأموال المقيدة وإعادتها للمستخدم المعني بعد انتهاء فترة التحدي.

![تقرير عميق بآلاف الكلمات: تحليل شامل لتوسيع خارج السلسلة])https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-ad088ac016d75b1ae0b0eda699e74709.webp(

تظهر الصورة 3 سير العمل لقناة الحالة في حالة التشاؤم: في البداية، يقوم مشاركان بإيداع الأموال ) التفاعل 1، 2(، ثم يبدأان في تبادل تحديثات الحالة ) الخط المتقطع الأزرق (. لنفترض أنه في نقطة زمنية معينة، لم يستجب بوب لتحديث الحالة الموقعة التي أرسلتها أليس ) التفاعل 3(، في هذه الحالة، يمكن لأليس أن تبدأ تحديًا من خلال تقديم حالتها الأخيرة الصالحة إلى العقد ) التفاعل 4(، والتي تتضمن أيضًا توقيع بوب السابق، مما يثبت أن المعاملة الأخيرة قد حصلت على موافقة بوب، وأن الحالة النهائية قد حصلت على تأكيد بوب. بعد ذلك، يسمح العقد لبوب بالاستجابة خلال فترة معينة من خلال تقديم الحالة التالية إلى العقد؛ إذا استجاب بوب، يمكن للطرفين مواصلة التداول في قناة الحالة؛ إذا لم يستجب بوب خلال هذه الفترة، يغلق العقد قناة الحالة تلقائيًا ويعيد الأموال إلى أليس ) التفاعل 5(.

![تقرير بحثي شامل: تحليل كامل لتوسيع خارج السلسلة])https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-815c5eb2bdba725e04eebe67b22d42aa.webp(

)# 3.1.4 المزايا والعيوب

المميزات:

• سرعة تنفيذ المعاملات قوية، مناسبة للدفع الصغير عالي التكرار
• رسوم المعاملات منخفضة
• خصوصية قوية، المعاملات خارج السلسلة لن تعلن
• قابلية التوسع قوية، نظريًا TPS غير محدود

العيوب:

• يجب قفل الأموال
• يتطلب التأكيد على السلسلة عند إغلاق القناة
• يجب على المشاركين البقاء متصلين بالإنترنت
• غير مناسب للتداول بكميات كبيرة أو بشكل منخفض التكرار
• هناك خطر سرقة الأموال

3.1.5 التطبيق

شبكة البرق بيتكوين

نظرة عامة:

شبكة البرق هي قناة مدفوعات صغيرة لشبكة بيتكوين، وقد شهدت التطور التكنولوجي العام التالي: 2/2 بناء قناة دفع أحادية التوقيع، وزيادة RSMC### عقد استحقاق التسلسل القابل للإلغاء( يمكن أن يبني قناة دفع ثنائية الاتجاه، ثم زيادة