Análise Profunda da Expansão fora da cadeia

1. A Necessidade de Escalabilidade

A visão futura da blockchain é alcançar descentralização, segurança e escalabilidade, mas geralmente só é possível satisfazer simultaneamente dois desses aspectos, o que é conhecido como o problema do triângulo impossível da blockchain. Ao longo dos anos, as pessoas têm explorado como aumentar a capacidade de processamento e a velocidade das transações da blockchain, garantindo a descentralização e a segurança, ou seja, resolver o problema da escalabilidade, que é um dos tópicos quentes no desenvolvimento atual da blockchain.

Definição de descentralização, segurança e escalabilidade:

• Descentralização: qualquer pessoa pode se tornar um nó e participar do sistema de blockchain, quanto maior o número de nós, maior o nível de descentralização, garantindo que a rede não seja controlada por um pequeno número de grandes participantes centralizados.

• Segurança: quanto maior o custo de obter o controle do sistema de blockchain, maior a segurança, a cadeia pode resistir a ataques de uma maior proporção de participantes.

• Escalabilidade: a capacidade da blockchain de processar um grande número de transações.

A primeira grande bifurcação do rede Bitcoin originou-se de problemas de escalabilidade. Com o aumento do número de usuários e do volume de transações, a rede Bitcoin, com um limite de bloco de 1MB, começou a enfrentar congestionamentos. Desde 2015, a comunidade Bitcoin começou a ter divergências sobre a questão da escalabilidade, com um lado apoiando a ampliação do bloco e o outro apoiando a utilização de soluções de SegWit para otimizar a estrutura da cadeia principal. Em 1 de agosto de 2017, o lado que apoiava blocos maiores desenvolveu um sistema cliente de 8MB que começou a operar, levando à primeira grande bifurcação do Bitcoin e à criação da nova criptomoeda BCH.

Da mesma forma, a rede Ethereum também opta por sacrificar uma parte da escalabilidade para garantir a segurança e a descentralização da rede, limitando o volume de transações ao estabelecer um teto para as taxas de gás que um único bloco pode acomodar. O objetivo é alcançar um consenso sem confiança e garantir uma ampla distribuição dos nós.

Desde os CryptoKitties de 2017, até o verão DeFi, o surgimento de GameFi e NFTs, a demanda do mercado por profundidade tem aumentado continuamente. No entanto, o Ethereum só consegue processar 15-45 transações por segundo, levando ao aumento dos custos de transação e ao alongamento do tempo de liquidação, tornando a maioria das DApps incapazes de suportar os custos operacionais, e toda a rede tornou-se lenta e cara para os usuários. O problema da escalabilidade da blockchain precisa ser resolvido urgentemente. A solução ideal de escalabilidade é: aumentar a velocidade e a profundidade da rede de blockchain o máximo possível, sem sacrificar a descentralização e a segurança.

2. Tipos de soluções de escalabilidade

Nós classificamos as soluções de escalabilidade em duas categorias principais, a escalabilidade na cadeia e a escalabilidade fora da cadeia, com base no padrão "se altera uma camada da rede principal".

2.1 Expansão em cadeia

Conceito central: uma solução que atinge o efeito de escalabilidade ao alterar uma camada do protocolo da mainnet, sendo a principal solução atual a fragmentação.

A escalabilidade na cadeia tem várias soluções, este artigo não as detalha, mas lista brevemente duas soluções:

• A opção um é expandir o espaço do bloco, ou seja, aumentar o número de transações empacotadas em cada bloco, mas isso aumentará os requisitos dos dispositivos dos nós, elevará a barreira de entrada e reduzirá o nível de descentralização.

• A opção dois é a fragmentação, que divide o livro razão da blockchain em várias partes, sendo que diferentes fragmentos são responsáveis por diferentes registos, permitindo que cálculos em paralelo tratem várias transações ao mesmo tempo; isso pode reduzir a pressão sobre os nós e o limiar de entrada, aumentar a velocidade das transações e o nível de descentralização; mas isso significa que a capacidade de cálculo da rede é dispersa, o que pode reduzir a segurança de toda a rede.

Alterar o protocolo da camada principal da rede pode ter consequências negativas imprevisíveis, pois qualquer falha subtil no nível inferior pode ameaçar gravemente a segurança de toda a rede, podendo a rede ser forçada a bifurcar ou interromper atualizações de reparo. Por exemplo, o incidente da vulnerabilidade de inflação do Zcash em 2018: o código subjacente tinha uma vulnerabilidade de alto risco, permitindo a emissão ilimitada de tokens, e a equipe levou 8 meses a corrigir secretamente, divulgando o incidente apenas após a correção.

2.2 fora da cadeia expansão

Conceito central: solução de escalabilidade que não altera o protocolo da mainnet de camada 1 existente.

A solução de escalabilidade fora da cadeia pode ser subdividida em Layer2 e outras soluções:

• Layer2: Canais de Estado, Sidechains, Plasma, Rollups
• Outros: Validium

3. Profundidade de expansão fora da cadeia

3.1 Canais de Estado

3.1.1 Resumo

Os canais de estado estabelecem que os usuários só precisam interagir com a mainnet ao abrir, fechar ou resolver disputas no canal, realizando interações entre usuários fora da cadeia, a fim de reduzir o tempo e os custos de transação, e permitindo que o número de transações não seja limitado.

Os canais de estado são protocolos P2P simples, adequados para "aplicações baseadas em turnos", como jogos de xadrez para duas pessoas. Cada canal é gerido por um contrato inteligente multi-assinatura que opera na mainnet, e esse contrato controla os ativos depositados no canal, valida as atualizações de estado e arbitra disputas entre os participantes. Após a implementação do contrato, os participantes depositam e bloqueiam fundos, e o canal é oficialmente aberto após a confirmação da assinatura de ambas as partes. O canal permite transações gratuitas fora da cadeia entre os participantes, sem limites de número, desde que o valor líquido da transferência não exceda o total depositado. Os participantes alternam o envio de atualizações de estado um ao outro, aguardando a confirmação da assinatura do outro. Assim que a assinatura do outro lado é confirmada, a atualização de estado é considerada concluída. Normalmente, as atualizações de estado acordadas por ambas as partes não são carregadas na mainnet, sendo apenas dependentes da confirmação da mainnet em caso de disputas ou para fechar o canal. Ao fechar o canal, qualquer participante pode solicitar uma transação na mainnet; se obtiver a aprovação de todas as assinaturas, será executada imediatamente, caso contrário, deverá aguardar o fim do "período de contestação" para receber os fundos remanescentes.

Em suma, a solução de canais de estado pode reduzir significativamente a carga computacional na rede principal, aumentar a velocidade das transações e diminuir os custos das transações.

(# 3.1.2 Linha do tempo

• 2015/02: Joseph Poon e Thaddeus Dryja publicam o rascunho do white paper da Lightning Network.

• 2015/11: Jeff Coleman fez a primeira síntese sistemática do conceito de State Channel, propondo que o Payment Channel do Bitcoin é um subcaso do State Channel.

• 2016/01: Joseph Poon e Thaddeus Dryja publicaram oficialmente o white paper "The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments" propondo a solução de escalabilidade do Bitcoin Lightning Network, o Payment Channel, destinado apenas a processar pagamentos de transferências na rede Bitcoin.

• 2017/11: A primeira especificação de design de State Channel baseada no framework Payment Channel, Sprites, foi proposta.

• 2018/06: Counterfactual apresentou um design detalhado de Canais de Estado Generalizados, que é o primeiro design completamente relacionado a canais de estado.

• 2018/10: O artigo Generalised State Channel Networks introduziu os conceitos de State Channel Networks e Virtual Channels.

• 2019/02: O conceito de canais de estado foi expandido para canais N-Party, Nitro é o primeiro protocolo construído com base nessa ideia.

• 2019/10: A Pisa expandiu o conceito de Watchtowers para resolver o problema de todos os participantes precisarem estar continuamente online.

• 2020/03: Hydra apresentou Canais Isomórficos Rápidos.

)# 3.1.3 Princípios técnicos

Fluxo de trabalho tradicional em cadeia: Alice e Bob interagem com o contrato inteligente implantado na mainnet, e os usuários alteram o estado do contrato inteligente ao enviar transações para a cadeia. A desvantagem é que isso traz problemas de tempo e custo.

Fluxo de trabalho do canal de estado:

1. Alice e Bob transferem fundos de uma EOA pessoal para um endereço de contrato na cadeia, os fundos ficam bloqueados no contrato até que o canal seja fechado e retornem ao usuário; após a confirmação da assinatura dos dois, o canal de estado é oficialmente aberto.

2. Alice e Bob podem realizar transações ilimitadas fora da cadeia, comunicando-se mutuamente através de mensagens assinadas criptograficamente. Ambas as partes devem assinar cada transação para evitar fraudes de gasto duplo. Através dessas mensagens, eles propõem atualizações de estado de suas contas e aceitam as atualizações de estado propostas pela outra parte.

3. Se Alice quiser fechar o canal, deve submeter o estado final da sua conta ao contrato. Se Bob assinar e aprovar, o contrato irá liberar os fundos bloqueados de acordo com o estado final e devolvê-los ao usuário correspondente. Se Bob não responder à assinatura, o contrato liberará os fundos bloqueados de volta ao usuário correspondente após o fim do período de contestação.

Fluxo de trabalho em situações pessimistas:

1. Dois participantes depositam fundos e começam a trocar atualizações de estado.

2. Suponha que em algum momento Bob não responda à assinatura de atualização de estado enviada por Alice. Alice pode apresentar ao contrato seu último estado válido para iniciar um desafio, e esse estado contém a assinatura anterior de Bob.

3. O contrato permite que Bob envie a próxima resposta de estado dentro de um determinado período; se Bob responder, os dois podem continuar a negociar; se Bob não responder, o contrato fechará automaticamente o canal de estado e retornará os fundos a Alice.

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(# 3.1.4 Vantagens e desvantagens

Vantagens:

• Imediata: as transações podem ser concluídas imediatamente, sem esperar pela confirmação do bloco
• Privacidade: apenas a abertura e o fechamento requerem operações na cadeia, outras transações são realizadas fora da cadeia.
• Escalabilidade: o número de transações fora da cadeia não é limitado
• Baixo custo: apenas é necessário pagar taxa de gas para abrir e fechar o canal.

Desvantagens:

• Bloqueio de fundos: é necessário bloquear uma certa quantidade de fundos no canal
• Sempre online: os participantes precisam estar online para responder ao estado mais recente
• Interacção de múltiplas partes limitada: apenas aplicável entre participantes predefinidos
• Complexidade da rede de canais: os fundos precisam encontrar um caminho que conecte as duas partes.
• Não é adequado para cálculos complexos: apenas adequado para cenários de interação simples e frequentes.

)# 3.1.5 Aplicação

Rede Lightning do Bitcoin

Resumo: A Lightning Network é um canal de pagamento de baixo valor na rede Bitcoin, cuja evolução tecnológica passou por: construção de um canal de pagamento unidirecional com 2/2 multi-assinatura, construção de um canal de pagamento bidirecional após a adição de RSMC, e conexão de canais de pagamento para expandir para pagamentos entre múltiplas partes após a adição de HTLC, culminando na construção de uma rede de pagamentos. Através de canais de pagamento de baixo valor fora da cadeia, e utilizando intermediários para formar uma rede de transações, é possível resolver o problema de escalabilidade da rede Bitcoin. O processo que segue "depósito ### para estabelecer canal ### → transação na Lightning Network ( atualizar estado do canal ) → reembolso/liquidação ( encerrar canal )"; teoricamente, pode processar um milhão de transações por segundo.

Linha do tempo:

• Fevereiro de 2015: Joseph Poon e Thaddeus Dryja publicam o rascunho do white paper da Lightning Network
• Janeiro de 2016: lançamento da versão oficial do white paper e fundação da Lightning Labs
• 15 de março de 2018: Lightning Labs lançou a primeira versão da mainnet LND 0.4
• Início de 2021: capacidade pública de cerca de 40 milhões de dólares, aproximadamente 100 mil usuários utilizando
• Junho de 2021: El Salvador adotou o Bitcoin como moeda legal, em setembro lançou a carteira Chivo baseada na Lightning Network.
• 2022: Cash App e 26 plataformas de troca de criptomoedas anunciaram suporte à rede Lightning
• Outubro de 2022: Lightning Labs lançou a versão alpha do protocolo Taro baseado em Taproot ( )
• 23 de novembro de 2022: A rede Lightning tem um total de 76.236 canais de pagamento, com um fundo de canal de 5049 BTC($81.8M)

Desenvolvimento ecológico: O ecossistema da Lightning Network vai de baixo para cima: rede BTC de base --- infraestrutura central --- vários Dapps.

Infraestrutura básica essencial inclui:

• Solução de rede relâmpago: programas de software que permitem a indivíduos e empresas operar e conectar-se à rede relâmpago, com a maior quota de mercado pertencente à Lightning Labs.
• Nós e serviços de liquidez: fornecem uma interface amigável ao usuário para ajudar a gerenciar canais de pagamento relâmpago.

Acima da infraestrutura básica estão vários serviços de pagamento e financeiros, bem como aplicações, como Strike que permitem comprar e vender BTC, gorjetas no Twitter e comerciantes do Shopify aceitarem BTC, entre outros.

Até novembro de 2022, o número de Dapps baseados na rede Lightning aumentou para mais de 20 categorias e mais de 100 aplicações, incluindo pagamentos, carteiras, gestão de nós, extensões de navegador, podcasts e streaming. A camada base tecnológica relacionada à infraestrutura de nós já está basicamente madura, o suporte a carteiras está a aumentar, a integração de serviços financeiros e pagamentos continua a crescer, mais aplicações de entretenimento estão em construção, e o ecossistema está em plena expansão.

Rede Relâmpago Ethereum

Resumo: A Rede Raiden é um canal de pagamento de baixo valor baseado em Ethereum, muito semelhante à Rede Lightning, que também expande as transações na cadeia através da criação de canais de estado, com o objetivo de permitir pagamentos de tokens ERC20 quase instantâneos, de baixo custo e escaláveis no Ethereum.

Linha do tempo:

• 2017