Глубина анализа вне блокчейна

1. Необходимость расширения

Будущее блокчейна видится в децентрализации, безопасности и масштабируемости, но обычно можно достичь только двух из этих целей, что называется проблемой невозможного треугольника блокчейна. На протяжении многих лет люди исследуют способы повышения пропускной способности и скорости транзакций блокчейна при обеспечении децентрализации и безопасности, то есть решения проблемы масштабирования, что является одной из актуальных тем в развитии блокчейна.

Децентрализация, безопасность и масштабируемость блокчейна можно определить как:

• Децентрализация: любой может стать узлом и участвовать в системе блокчейна; чем больше узлов, тем выше уровень децентрализации, что обеспечивает защиту сети от контроля со стороны немногих централизованных участников.

• Безопасность: Чем выше стоимость получения контроля над системой блокчейна, тем выше безопасность, и цепочка может противостоять атакам значительной доли участников.

• Масштабируемость: способность блокчейна обрабатывать большое количество транзакций.

! Подробный исследовательский отчет из 10 000 слов: всесторонний анализ расширения вне сети

Первый значительный жесткий форк сети Биткойн возник из-за проблемы масштабируемости. С увеличением числа пользователей и объема транзакций сеть Биткойн с лимитом блока в 1 МБ начала сталкиваться с перегрузкой. С 2015 года в сообществе Биткойн существовали разногласия по вопросу масштабируемости: одна сторона поддерживала увеличение блока, другая выступала за использование SegWit для оптимизации структуры основной цепи. 1 августа 2017 года сторонники масштабирования самостоятельно разработали блокчейн на 8 МБ, что привело к первому значительному жесткому форку Биткойна и появлению новой валюты BCH.

Сеть Ethereum также выбрала жертву части глубины для обеспечения безопасности и децентрализации, ограничивая объем транзакций через пределы комиссий за топливо. С момента появления CryptoKitties в 2017 году и роста DeFi, GameFi и NFT, спрос на пропускную способность на рынке постоянно увеличивается, но Ethereum может обрабатывать лишь 15-45 транзакций в секунду, что приводит к росту стоимости транзакций и увеличению времени расчета, делая большую часть DApp труднопереносимыми по затратам на эксплуатацию, и вся сеть становится медленной и дорогой, что требует срочного решения проблемы масштабирования. Идеальное решение для масштабирования — это максимальное увеличение скорости и пропускной способности без жертвы децентрализации и безопасности.

2. Категории решений по масштабированию

Мы можем разделить варианты масштабирования на две большие категории: масштабирование на блокчейне и вне блокчейна, в зависимости от того, изменяется ли уровень основной сети.

2.1 Масштабирование на блокчейне

Основная концепция: решение, которое достигает эффекта масштабирования за счет изменения слоя протокола основной сети, в настоящее время основное решение — шардирование.

Существует множество решений для масштабирования в блокчейне, здесь кратко перечислены два из них:

• Решение первое заключается в расширении пространства блоков, увеличении количества транзакций, упакованных в каждый блок, но это повысит требования к высокопроизводительным узловым устройствам и снизит степень "децентрализации".

• Решение два - это шардирование, которое разделяет блокчейн-реестр на несколько частей, каждая из которых отвечает за свою запись, а параллельные вычисления могут обрабатывать несколько транзакций одновременно. Это может снизить вычислительную нагрузку на узлы и порог входа, повысить скорость обработки транзакций и степень децентрализации, но это означает, что вычислительная мощность сети будет распределена, что снизит общую "безопасность" сети.

Изменение протокола основного сетевого уровня может привести к непредсказуемым негативным последствиям; любые мелкие уязвимости безопасности на нижнем уровне могут серьезно угрожать безопасности всей сети, которая может быть вынуждена к форку или прерыванию для исправления и обновления.

2.2 вне блокчейна расширение

Основная концепция: решение для масштабирования, которое не изменяет существующий протокол первого уровня.

вне блокчейна расширение решения можно разделить на Layer2 и другие решения:

Уровень 2:

• Государственные каналы
• Плазма
• Роллы
  • Оптимистические свертки
  • ZK Роллапы

Другие:

• Сайдчейны
• Валидиум

! Подробный исследовательский отчет из 10 000 слов: всесторонний анализ расширения вне сети

3. Решение для расширения вне блокчейна

3.1 Государственные каналы

3.1.1 Обзор

Согласно протоколу состояния канала, пользователям необходимо взаимодействовать с основной сетью только при открытии, закрытии или разрешении споров по каналу, а взаимодействие между пользователями происходит вне блокчейна, чтобы снизить время и стоимость транзакций и обеспечить неограниченное количество транзакций.

Состояние канала — это простой P2P-протокол, подходящий для "приложений на основе раундов", таких как шахматы для двух человек. Каждый канал управляется многофункциональным смарт-контрактом в основной сети, который контролирует активы канала, проверяет обновления состояния и разрешает споры ( на основе доказательства мошенничества с подписью и временной меткой ). После развертывания контракта участники вносят средства и блокируют их, канал официально открывается после подписания обеими сторонами. Канал позволяет неограниченное количество бесплатных транзакций вне блокчейна (, при условии, что чистая стоимость не превышает общей суммы депозита ). Участники поочередно отправляют обновления состояния и ждут подтверждения подписи от другой стороны. В нормальных условиях обновления состояния не загружаются в основную сеть, они полагаются на подтверждение основной сети только в случае спора или закрытия канала. При закрытии канала любая сторона может сделать запрос в основной сети, и если все подписи будут одобрены, он будет немедленно выполнен, в противном случае необходимо дождаться окончания "периода оспаривания".

Каналы состояния могут значительно сократить вычислительную нагрузку на основную сеть, повысить скорость транзакций и снизить их стоимость.

! Подробный исследовательский отчет из 10 000 слов: всесторонний анализ масштабирования вне сети

3.1.2 Хронология

• 2015/02: Джозеф Пун и Таддеус Драйджа опубликовали черновик белой книги сети Lightning.

• 2015/11: Джефф Коулман впервые систематически обобщил концепцию State Channel и предложил, что Bitcoin Payment Channel является подкатегорией State Channel.

• 2016/01:Joseph Poon и Thaddeus Dryja официально опубликовали белую книгу по сети Lightning для биткойнов, предложив решение по расширению канала платежей.

• 2017/11: Первые спецификации дизайна State Channel на основе Payment Channel были предложены Sprites.

• 2018/06: Counterfactual представил детальный дизайн обобщенных каналов состояния, первый полностью связанный дизайн.

• 2018/10: Предложены концепции State Channel Networks и Virtual Channels.

• 2019/02: статус-канал расширен до N-Party Channels, Nitro является первым протоколом, основанным на этой идее.

• 2019/10: Pisa расширяет концепцию Watchtowers, решая проблему необходимости постоянного онлайн-присутствия участников.

• 2020/03: Hydra предложила Быстрые Изоморфные Каналы.

3.1.3 Технические принципы

Традиционный рабочий процесс на блокчейне: пользователи изменяют состояние смарт-контрактов, отправляя транзакции на блокчейн, что приводит к проблемам с временем и затратами.

Рабочий процесс канала состояния:

1. Пользователь переводит средства с EOA на контракт в блокчейне, блокируя их до закрытия канала.
2. Пользователи могут проводить неограниченное количество транзакций вне блокчейна, используя зашифрованные сообщения для связи.
3. При закрытии канала окончательное состояние отправляется в контракт, если другая сторона подписала и одобрила, то немедленно выполняется, в противном случае ожидается период оспаривания.

В пессимистичном сценарии, если одна сторона не отвечает, другая сторона может подать вызов, представив последнее действительное состояние контракта. Контракт позволяет другой стороне ответить в течение определенного времени. Если ответа нет, контракт автоматически закроет канал и вернет средства.

! Подробный исследовательский отчет на 10 000 слов: всесторонний анализ масштабирования вне сети

3.1.4 Плюсы и минусы

Преимущества:

• Мгновенное подтверждение, быстрая торговля
• Низкие комиссии
• Конфиденциальность
• Высокая пропускная способность

Недостатки:

• Необходимо постоянно онлайн-мониторинг
• Необходимо заблокировать средства
• Не подходит для низкочастотной торговли
• Ограниченная емкость канала
• Не поддерживаются универсальные смарт-контракты

3.1.5 Приложение

Биткойн сеть Lightning:

• это канал малых платежей в сети биткойн
• Создание сети сделок через небольшие платежные каналы вне блокчейна и посредников для решения проблемы масштабируемости
• Следуйте процессу "Депозит → Транзакция через сеть Lightning → Возврат/Расчет"
• Теоретически можно обрабатывать миллион транзакций в секунду
• К концу 2021 года TVL составил около 40 миллионов долларов, около 100 тысяч пользователей
• В ноябре 2022 года было 76 236 платежных каналов, 5049 BTC средств ($81.8M)

Эфириум Лайтнинг сеть:

• Микроплатежный канал на основе Эфириума, аналогичный сети Lightning
• Цель состоит в том, чтобы реализовать почти мгновенные, недорогие и масштабируемые платежи токенов ERC20
• Основана в 2017 году, в октябре 2017 года ICO собрала 30 миллионов долларов США
• Первый Light Client запущен в мае 2020 года
• В настоящее время не получил широкого распространения, причины включают высокие барьеры для входа, появление более совершенных технологий масштабирования и т. д.
• Команда преобразует его для работы в сети Ethereum Layer2 Rollup

Сеть Celer:

• Суть заключается в увеличении уровня стимулов сети Lightning
• Построение быстрых, удобных, низкозатратных и безопасных высокочастотных интерактивных DApps с помощью технологии вне блокчейна и стимулирующей экономической модели
• Подходит для высокочастотных интерактивных приложений, таких как платформы электронной спортивной игры
• Используйте OAT(Переводчик адресов вне блокчейна) для уникального сопоставления адреса вне блокчейна с умным контрактом на блокчейне.
• Состоит из трех уровней: cChannel, cRoute и cOS
• Основана в 2018 году, токен $CELR выпущен в марте 2019 года
• В настоящее время были выпущены DeFi-протокол Layer2.finance, межсетевой протокол информации Celer IM и мост для передачи активов cBridge

3.1.6 Сравнение приложений

Биткойн сети второго уровня:

• Для оплаты BTC
• Двусторонний платежный канал
• Объем торговли большой
• Экологическое развитие довольно хорошее

Эфириум Лайтнинг Сеть:

• Для платежей ETH и ERC20
• Двусторонний платежный канал
• Объем торгов небольшой
• Замедленное развитие экосистемы

Сеть Celer:

• Поддержка различных активов
• Широкий канал состояния
• Объем торгов средний
• Экосистема развивается в сторону кросс-цепочки

! Подробный исследовательский отчет на 10 000 слов: всесторонний анализ масштабирования вне сети

3.2 Сайдчейны

3.2.1 Обзор

Концепция сайдчейна была впервые предложена в 2012 году в чате разработчиков Bitcoin, а первая статья по этой теме была опубликована в 2014 году. Сайдчейн — это форма блокчейна, появившаяся для ускорения транзакций Bitcoin, которая может использовать более сложные контракты или улучшать механизмы консенсуса. Когда результаты транзакций сайдчейна в конечном итоге передаются обратно в основную цепь, они фиксируются на стороне валидаторов. Эта модель является инфраструктурой, прикрепленной к основной цепи и помогающей решать проблемы.

3.2.2 Временная шкала

• 2012/01: Концепция побочных цепочек Биткойна была предложена в чате
• 2014/10: Публикация статьи о побочных цепочках Биткойна: Симметричное обеспеченное и Ассиметричное обеспеченное
• 2017/04: Запуск тестовой сети побочной цепи POA Network на основе консенсуса PoA Ethereum
• 2017/10: Запуск сети Matic Network
• 2017/12: Запуск основной сети POA Network
• 2018/01:Запуск тестовой сети Skales
• 2018/10:Запуск тестовой сети xDai Chain
• 2020/06:Запуск основной сети Skale
• 2020/06: Запуск основной сети PoS Chain Matic на стороне Ethereum.
• 2021/02:Matic Network был переименован в Polygon Network
• 2021/02: Запуск основной сети Ronin для игры Axie Infinity
• 2021/12:xDai Chain объединился с Gnosis Dao и стал Gnosis Chain
• 2022/03: POA Network объединился с Gnosis Chain

3.2.3 Технический принцип

Сайдчейн использует два способа взаимодействия с основной цепочкой: двустороннюю привязку ( Symmetric Pegged ) и некоординированную привязку ( Asymmetric Pegged ).

Симметричный привязанный:

• Основной валидатор побочной цепи в реальном времени записывает текущее состояние друг друга ( информация заголовка блока )
• Использование двусторонней технологии SPV для передачи информации
• При отправке токенов основной цепи на побочную цепь создается SPV-заблокированный выход
• Проверка боковой цепи с использованием SPV для разблокировки
• После ожидания периода подтверждения и периода конкурса, новые выпущенные активы могут быть использованы на сайдчейне.

Ассиметричная привязка:

• Валидаторы побочной цепи в реальном времени следят за активностью основной цепи
• Основная цепочка при переводе на побочную цепочку побочная цепочка активно записывает (forward transaction)
• При переводе средств с сайдчейна на основной цепочке вводится механизм сертифицирующих.
• Certifiers записывают ID контракта, ID валидатора, списки передачи и другую информацию
• Сертификаторы обеспечивают безопасность через стекинг и подпись

В настоящее время большинство сайдчейнов используют механизм PoA или промежуточный слой Relayers для подтверждения состояния блоков основной цепи.

Сводка механизма сайдчейна:

• Основная цепь → Побочная цепь: Основная цепь блокирует активы, побочная цепь генерирует обернутый актив
• Боковая цепь→Основная цепь: уничтожение обернутого актива на боковой цепи, разблокировка актива на основной цепи

Безопасность активов в побочной цепи зависит от безопасности побочной цепи, то есть от механизма консенсуса побочной цепи.

![万字Глубина研报：全面解析вне блокчейна](