《off-chain ekspansi Kedalaman analisis》

Penulis: Tim Peneliti

1. Kebutuhan untuk Memperbesar Kapasitas

Masa depan blockchain adalah visi yang megah: desentralisasi, keamanan, dan skalabilitas; tetapi biasanya blockchain hanya dapat mewujudkan dua di antaranya, sedangkan memenuhi ketiga persyaratan ini disebut sebagai masalah segitiga ketidakmungkinan blockchain. Selama bertahun-tahun, orang telah menjelajahi bagaimana menyelesaikan tantangan ini, bagaimana meningkatkan throughput dan kecepatan transaksi blockchain dengan tetap menjamin desentralisasi dan keamanan, yaitu menyelesaikan masalah skalabilitas, adalah salah satu topik hangat yang dibahas dalam proses pengembangan blockchain saat ini.

Mari kita secara umum mendefinisikan desentralisasi, keamanan, dan skalabilitas blockchain:

• Desentralisasi: Siapa pun dapat menjadi node yang berpartisipasi dalam produksi dan verifikasi sistem blockchain, semakin banyak jumlah node, semakin tinggi tingkat desentralisasi, sehingga memastikan jaringan tidak dikendalikan oleh sekelompok kecil peserta terpusat yang besar.
• Keamanan: Semakin tinggi biaya yang dikeluarkan untuk mendapatkan kontrol atas sistem blockchain, semakin tinggi pula keamanannya, sehingga rantai dapat bertahan dari serangan oleh proporsi peserta yang lebih besar.
• Skalabilitas: kemampuan blockchain untuk memproses sejumlah besar transaksi.

Pemisahan keras yang signifikan pertama di jaringan Bitcoin berasal dari masalah perluasan. Dengan meningkatnya jumlah pengguna dan volume transaksi Bitcoin, jaringan Bitcoin dengan batas maksimum 1MB per blok mulai menghadapi masalah kemacetan; sejak 2015, komunitas Bitcoin memiliki perbedaan pendapat mengenai masalah perluasan, di satu sisi ada pihak yang mendukung perluasan blok yang diwakili oleh Bitcoin ABC, dan di sisi lain ada pihak kecil yang diwakili oleh Bitcoin Core, yang berpendapat bahwa seharusnya menggunakan solusi pemisahan saksi Segwit untuk mengoptimalkan struktur rantai utama. Pada 1 Agustus 2017, Bitcoin ABC mulai menjalankan sistem klien yang dikembangkan sendiri hingga 8MB, yang mengakibatkan munculnya pemisahan keras yang signifikan pertama dalam sejarah Bitcoin, dan melahirkan jenis koin baru BCH.

Demikian pula, jaringan Ethereum juga memilih untuk mengorbankan sebagian dari skalabilitasnya untuk menjaga keamanan dan desentralisasi jaringan; meskipun jaringan Ethereum tidak membatasi jumlah transaksi dengan membatasi ukuran blok seperti jaringan Bitcoin, tetapi secara tidak langsung beralih ke pengaturan batas atas untuk biaya bahan bakar yang dapat ditampung dalam satu blok, tetapi tujuannya tetap untuk mencapai Konsensus Tanpa Kepercayaan dan memastikan distribusi node yang luas ( baik membatalkan maupun meningkatkan batas akan mengeliminasi banyak node kecil yang kekurangan bandwidth, penyimpanan, dan kapasitas komputasi ).

Sejak CryptoKitties pada tahun 2017, musim DeFi, hingga munculnya aplikasi on-chain seperti GameFi dan NFT, permintaan pasar untuk throughput terus meningkat. Namun, bahkan Ethereum yang Turing-complete hanya dapat memproses 15~45 transaksi per detik ( TPS ), yang mengakibatkan biaya transaksi terus meningkat, waktu penyelesaian menjadi lebih lama, dan sebagian besar Dapps kesulitan menanggung biaya operasional. Seluruh jaringan juga menjadi lambat dan mahal bagi pengguna, sehingga masalah skalabilitas blockchain perlu segera diatasi. Solusi skalabilitas yang ideal adalah: mempercepat kecepatan transaksi jaringan blockchain ( waktu finalitas yang lebih pendek ) dan throughput transaksi ( TPS yang lebih tinggi ) tanpa mengorbankan desentralisasi dan keamanan.

2. Jenis Solusi Perluasan

Kami membagi rencana perluasan menjadi dua kategori besar: perluasan on-chain dan perluasan off-chain, berdasarkan standar "apakah ada perubahan pada lapisan jaringan utama".

2.1 ekspansi on-chain

Konsep inti: solusi untuk mencapai efek peningkatan kapasitas dengan mengubah satu lapisan protokol jaringan utama, solusi utama saat ini adalah sharding.

Ada berbagai solusi untuk skalabilitas di on-chain, artikel ini tidak akan membahasnya lebih lanjut, berikut adalah dua solusi yang dijelaskan secara singkat:

• Skema pertama adalah memperluas ruang blok, yaitu meningkatkan jumlah transaksi yang dikemas dalam setiap blok, namun ini akan meningkatkan tuntutan terhadap perangkat node berkinerja tinggi, meningkatkan ambang batas untuk bergabungnya node, dan mengurangi tingkat "desentralisasi".
• Skenario kedua adalah sharding, yang membagi buku besar blockchain menjadi beberapa bagian, tidak lagi setiap node berpartisipasi dalam semua pencatatan, melainkan berbagai sharding atau node yang berbeda bertanggung jawab atas pencatatan yang berbeda, perhitungan paralel dapat memproses beberapa transaksi secara bersamaan; ini dapat mengurangi tekanan perhitungan pada node dan ambang batas untuk bergabung, meningkatkan kecepatan pemrosesan transaksi dan tingkat desentralisasi; tetapi ini berarti daya komputasi di seluruh jaringan terdistribusi, yang akan mengurangi "keamanan" seluruh jaringan.

Mengubah kode protokol jaringan utama dapat menghasilkan dampak negatif yang sulit diprediksi, karena setiap celah keamanan kecil yang mendasari dapat mengancam keamanan seluruh jaringan dengan serius, dan jaringan dapat dipaksa untuk melakukan fork atau menghentikan pemeliharaan. Contohnya, insiden celah inflasi Zcash pada tahun 2018: Kode Zcash didasarkan pada modifikasi kode versi Bitcoin 0.11.2, pada tahun 2018 seorang insinyur menemukan bahwa ada celah berbahaya dalam kode dasar, yaitu token dapat diterbitkan tanpa batas, dan tim menghabiskan waktu 8 bulan untuk memperbaiki secara diam-diam, dan baru setelah perbaikan celah tersebut, insiden ini diumumkan.

2.2 off-chain scaling

Konsep Inti: solusi skalabilitas yang tidak mengubah protokol jaringan utama lapisan satu yang ada.

Solusi ekspansi off-chain dapat dibagi lagi menjadi Layer2 dan solusi lainnya:

3. Solusi ekspansi off-chain

3.1 Saluran Negara

3.1.1 Ringkasan

Saluran status menetapkan bahwa pengguna hanya perlu berinteraksi dengan jaringan utama saat saluran dibuka, ditutup, atau menyelesaikan sengketa, dan melakukan interaksi antar pengguna secara off-chain, untuk mengurangi waktu dan biaya transaksi pengguna, serta memungkinkan jumlah transaksi tidak terbatas.

Saluran status adalah protokol P2P sederhana yang cocok untuk "aplikasi berbasis giliran", seperti permainan catur dua orang. Setiap saluran dikelola oleh kontrak pintar multi-tanda tangan yang berjalan di jaringan utama, yang mengontrol aset yang disimpan dalam saluran, memvalidasi pembaruan status, dan mengadili sengketa antara peserta ( berdasarkan bukti penipuan yang dilengkapi dengan tanda tangan dan cap waktu ). Setelah peserta menerapkan kontrak di jaringan blockchain, mereka menyetor sejumlah dana dan menguncinya, dan setelah kedua belah pihak menandatangani untuk mengonfirmasi, saluran secara resmi dibuka. Saluran memungkinkan peserta untuk melakukan transaksi off-chain gratis tanpa batas antara mereka ( selama nilai bersih transfer mereka tidak melebihi total token yang disetor ). Peserta secara bergiliran mengirimkan pembaruan status satu sama lain, menunggu konfirmasi tanda tangan dari pihak lain. Setelah pihak lain mengonfirmasi dengan tanda tangan, pembaruan status ini dianggap selesai. Dalam keadaan normal, pembaruan status yang disetujui oleh kedua belah pihak tidak akan diunggah ke jaringan utama, hanya dalam kasus sengketa atau penutupan saluran, baru akan bergantung pada konfirmasi jaringan utama. Ketika perlu menutup saluran, salah satu peserta dapat mengajukan permintaan transaksi di jaringan utama, jika permintaan keluar mendapatkan persetujuan tanda tangan konsensus dari semua pihak, maka akan dieksekusi segera di blockchain, yaitu kontrak pintar akan mendistribusikan sisa dana terkunci berdasarkan saldo masing-masing peserta pada status akhir saluran; jika peserta lain tidak memberikan persetujuan tanda tangan, maka semua orang harus menunggu hingga akhir "masa tantangan" untuk menerima sisa dana.

Secara keseluruhan, skema saluran status dapat secara signifikan mengurangi beban komputasi di jaringan utama, meningkatkan kecepatan transaksi, dan menurunkan biaya transaksi.

3.1.2 Garis Waktu

• 2015/02, Joseph Poon dan Thaddeus Dryja menerbitkan draf whitepaper jaringan Lightning.
• 2015/11, Jeff Coleman pertama kali secara sistematis merangkum konsep State Channel, mengusulkan bahwa Payment Channel Bitcoin adalah salah satu sub-kasus dari konsep State Channel.
• 2016/01, Joseph Poon dan Thaddeus Dryja secara resmi menerbitkan makalah putih "The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments" yang mengusulkan solusi skalabilitas untuk jaringan Bitcoin yaitu Payment Channel( saluran pembayaran), solusi ini hanya digunakan untuk memproses pembayaran transfer di jaringan Bitcoin.
• November 2017, desain spesifikasi tentang State Channel yang pertama kali berdasarkan kerangka Payment Channel, Sprites, diusulkan.
• 2018/06, Counterfactual mengusulkan desain Generalized State Channels yang sangat rinci, ini adalah desain pertama yang sepenuhnya terkait dengan saluran status.
• 2018/10, artikel Generalised State Channel Networks mengusulkan konsep State Channel Networks dan Virtual Channels.
• 2019/02, konsep saluran status diperluas menjadi N-Party Channels, Nitro adalah protokol pertama yang dibangun berdasarkan ide tersebut.
• 2019/10, Pisa memperluas konsep Watchtowers untuk mengatasi masalah semua peserta yang perlu terus online.
• 2020/03, Hydra mengajukan Fast Isomorphic Channels.

3.1.3 Prinsip Teknologi

Gambar 1 menunjukkan alur kerja tradisional di rantai: Alice dan Bob berinteraksi dengan kontrak pintar yang dideploy di jaringan utama, pengguna mengubah status kontrak pintar dengan mengirimkan transaksi ke on-chain. Kekurangan dari ini adalah membawa masalah waktu dan biaya yang telah dibahas di atas.

Gambar 2 menunjukkan alur kerja umum yang diikuti oleh sebagian besar protokol saluran status: dalam kasus optimis, Alice dan Bob perlu melakukan operasi yang sama seperti sebelumnya, tetapi kali ini mereka menggunakan saluran status, bukan berinteraksi dengan kontrak on-chain.

• Langkah pertama, Alice dan Bob berinteraksi dengan menyetorkan dana dari EOA pribadi mereka ke alamat kontrak on-chain (, 1,2), dana ini dikunci dalam kontrak sampai saluran ditutup dan saldo dikembalikan kepada pengguna; setelah kedua pihak menandatangani konfirmasi, saluran status resmi dibuka antara mereka.
• Langkah kedua, Alice dan Bob secara teori dapat melakukan transaksi tanpa batas di luar rantai melalui saluran tersebut ( garis putus-putus biru ), para peserta berkomunikasi satu sama lain melalui pesan tanda tangan terenkripsi ( alih-alih berkomunikasi dengan jaringan blockchain ). Kedua pengguna perlu menandatangani setiap transaksi untuk mencegah penipuan ganda. Melalui pesan-pesan ini, mereka mengajukan pembaruan status akun mereka dan menerima pembaruan status yang diajukan oleh pihak lain.
• Langkah ketiga, jika Alice ingin menutup saluran dan menyelesaikan transaksi antara dirinya dan Bob, Alice perlu mengajukan status akhir akunnya kepada kontrak ( interaksi 3), jika Bob menandatangani dan menyetujui, kontrak akan melepaskan dana yang terkunci berdasarkan status akhir kembali kepada pengguna yang sesuai ( interaksi 4,5). Jika Bob tidak merespons tanda tangan, kontrak akan melepaskan dana yang terkunci kembali kepada pengguna yang sesuai setelah periode tantangan berakhir.

Gambar 3 menunjukkan alur kerja saluran status dalam kasus pesimis: Pada awalnya, dua peserta menyetor dana ( interaksi 1,2), lalu mulai bertukar pembaruan status ( garis putus-putus biru ). Misalkan pada suatu titik waktu, Bob tidak merespons tanda tangan pembaruan status yang dikirimkan Alice ( interaksi 3), pada saat ini, Alice dapat memulai tantangan dengan mengajukan status terakhir yang valid ke kontrak ( interaksi 4), status valid ini juga mencakup tanda tangan Bob sebelumnya, sehingga membuktikan bahwa transaksi terakhir telah disetujui oleh Bob dan status terakhir telah diterima dengan konfirmasi Bob. Kemudian, kontrak memungkinkan Bob untuk merespons dalam jangka waktu tertentu dengan mengajukan status berikutnya ke kontrak; jika Bob merespons, maka keduanya dapat melanjutkan transaksi di saluran status; jika Bob tidak merespons dalam periode waktu tersebut, kontrak secara otomatis menutup saluran status dan mengembalikan dana kepada Alice ( interaksi 5).

3.1.4 Kelebihan dan Kekurangan

Kelebihan:

• Transaksi memiliki tingkat kecepatan yang tinggi, cocok untuk pembayaran kecil yang sering.
• Biaya transaksi rendah
• Privasi tinggi, transaksi off-chain tidak akan diumumkan
• Skalabilitas tinggi, secara teoritis tak terbatas TPS

Kekurangan:

• Diperlukan untuk mengunci dana
• Diperlukan konfirmasi on-chain saat saluran ditutup
• Peserta perlu tetap online
• Tidak cocok untuk transaksi besar atau frekuensi rendah
• Ada risiko pencurian dana

3.1.5 Aplikasi

Jaringan Lightning Bitcoin

Ringkasan:

Jaringan Lightning adalah saluran pembayaran kecil di jaringan Bitcoin, evolusi teknologi keseluruhannya melalui: 2/2 multi-tanda tangan membangun saluran pembayaran satu arah, setelah menambahkan RSMC(Kontrak Kematangan Urutan yang Dapat Ditarik) dapat membangun saluran pembayaran dua arah, kemudian ditambahkan