Поглиблений аналіз розширення поза блокчейном

1. Необхідність розширення

Майбутнє блокчейну полягає в децентралізації, безпеці та масштабованості, але зазвичай можна досягти лише двох з цих трьох аспектів, що називається проблемою неможливого трикутника блокчейну. Протягом багатьох років люди вивчають, як підвищити пропускну здатність та швидкість транзакцій блокчейну, забезпечуючи децентралізацію та безпеку, тобто вирішити проблему масштабування, що є однією з актуальних тем у розвитку блокчейну сьогодні.

Децентралізацію, безпеку та масштабованість блокчейну можна визначити як:

• Децентралізація: будь-хто може стати вузлом для участі в системі блокчейн, чим більше вузлів, тим вищий рівень децентралізації, що забезпечує відсутність контролю з боку невеликої кількості централізованих учасників.

• Безпека: Чим вищі витрати на отримання контролю над системою блокчейн, тим вища безпека, ланцюг може протистояти атакам значної частини учасників.

• Масштабованість: здатність блокчейну обробляти велику кількість транзакцій.

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

Перше значне жорстке розгалуження мережі біткойн виникло через проблеми з масштабуванням. Зі збільшенням кількості користувачів та обсягу транзакцій мережа біткойн з обмеженням блоку 1 МБ почала стикатися з заторами. З 2015 року в біткойн-спільноті існували розбіжності щодо проблеми масштабування: одна сторона підтримувала розширення блоку, інша – використовувала SegWit для оптимізації структури основного ланцюга. 1 серпня 2017 року, сторона, що підтримує масштабування, самостійно розробила блокчейн на 8 МБ, що призвело до першого значного жорсткого розгалуження біткойна та народження нової криптовалюти BCH.

Мережа Ethereum також обрала жертвувати частиною масштабованості для забезпечення безпеки та децентралізації, обмежуючи обсяг транзакцій через верхню межу плати за паливо. Від CryptoKitties 2017 року до зростання DeFi, GameFi та NFT, попит на пропускну здатність на ринку постійно зростає, але Ethereum може обробляти лише 15-45 транзакцій на секунду, що призводить до зростання витрат на транзакції і збільшення часу розрахунків; більшість DApp важко витримують витрати на експлуатацію, і вся мережа стає повільною та дорогою, що вимагає термінового вирішення проблеми масштабування. Ідеальним рішенням масштабування є максимальне підвищення швидкості транзакцій та пропускної здатності без жертвування децентралізацією та безпекою.

2. Категорії планів розширення

Ми можемо поділити плани розширення на дві великі категорії: розширення на основному ланцюгу та розширення поза блокчейном, згідно з принципом "чи змінюємо ми один рівень основної мережі".

2.1 Розширення на ланцюзі

Основна концепція: рішення, яке досягає ефекту масштабування шляхом зміни одного з протоколів основної мережі, наразі основним рішенням є шардінг.

поза блокчейном розширення має багато варіантів, тут коротко наведено два з них:

• Варіант перший - це розширення блочного простору, збільшення кількості транзакцій, що пакуються в кожному блоці, але це підвищить вимоги до обладнання високопродуктивних вузлів і знизить рівень "децентралізації".

• Варіант два - це шардінг, який розділяє бухгалтерську книгу блокчейна на кілька частин, де різні шардінги несуть відповідальність за різні обліки, паралельні обчислення можуть одночасно обробляти кілька транзакцій. Це може знизити обчислювальне навантаження на вузли та поріг входження, підвищити швидкість обробки транзакцій та рівень децентралізації, але це означає, що обчислювальна потужність всієї мережі буде розподілена, що знизить "безпеку" всієї мережі.

Зміна протоколу основної мережі може мати непередбачувані негативні наслідки, будь-яка незначна вразливість у безпеці на нижньому рівні може серйозно загрожувати безпеці всієї мережі, мережа може бути змушена розгалужуватися або призупинити оновлення.

2.2 поза блокчейном розширення

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

поза блокчейном розширення може бути поділено на Layer2 та інші рішення:

Шар 2:

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

Інше:

• Бокові ланцюги
• Валідіум

! Звіт про глибоке дослідження на 10 000 слів: комплексний аналіз офчейн-експансії

3. Позаблокчейном розширення

3.1 Державні канали

3.1.1 Загальний огляд

Статевий канал передбачає, що користувачам потрібно взаємодіяти з основною мережею лише під час відкриття, закриття або вирішення суперечок каналу, а взаємодію між користувачами здійснювати поза блокчейном, щоб знизити час та витрати на транзакції, досягти необмеженої кількості транзакцій.

Стан каналу — це простий P2P протокол, що підходить для "заснованих на чергах додатків", таких як шахи для двох осіб. Кожен канал управляється багаторазовим смарт-контрактом на основній мережі, який контролює активи каналу, перевіряє оновлення стану та вирішує спори ( відповідно до підписаних і датованих доказів шахрайства ). Після розгортання контракту учасники вносять кошти та блокують їх, і після підписання обома сторонами канал офіційно відкривається. Канал дозволяє необмежену кількість безкоштовних угод поза блокчейном (, за умови, що чиста вартість не перевищує загальну суму депозиту ). Учасники по черзі надсилають оновлення стану та чекають підпису підтвердження від іншої сторони. У нормальних умовах, оновлення стану не завантажуються на основну мережу, лише у разі суперечки або закриття каналу покладаються на підтвердження основної мережі. При закритті каналу будь-яка зі сторін може подати запит на основну мережу, якщо отримано схвалення всіх підписів, то запит виконується негайно, інакше потрібно чекати закінчення "періоду оскарження".

Стан каналів може значно зменшити обсяги обчислень основної мережі, підвищити швидкість транзакцій та знизити витрати на транзакції.

3.1.2 Хронологія

• 2015/02: Джозеф Пун та Таддеус Дріджа опублікували проект білого паперу для мережі Lightning.

• 2015/11: Джефф Коулман вперше систематично узагальнив концепцію State Channel, запропонувавши, що Bitcoin Payment Channel є підвипадком State Channel.

• 2016/01: Джозеф Пун і Таддеус Дріджа офіційно опублікували білий папір мережі Lightning для біткойна, запропонувавши рішення для розширення платіжних каналів.

• 2017/11: Перші специфікації дизайну State Channel на основі Payment Channel були представлені Sprites.

• 2018/06: Counterfactual запропонував детальний дизайн Generalized State Channels, перший повністю релевантний дизайн.

• 2018/10: запропоновано концепції State Channel Networks та Virtual Channels.

• 2019/02: статус-канали розширено до N-Party Channels, Nitro є першим протоколом, заснованим на цій ідеї.

• 2019/10: Pisa розширює концепцію Watchtowers, вирішуючи проблему постійної онлайн присутності учасників.

• 2020/03:Hydra запропонував Швидкі Ізоморфні Канали.

3.1.3 Технічні принципи

Традиційний робочий процес на основі блокчейну: користувач змінює стан смарт-контракту, надсилаючи транзакції на блокчейн, але це викликає проблеми з часом і витратами.

Робочий процес каналів стану:

1. Користувач вносить кошти з EOA в смарт-контракт, вони блокуються до закриття каналу.
2. Користувач може здійснювати необмежену кількість транзакцій поза блокчейном, використовуючи зашифровану підписану повідомлення для зв'язку.
3. Під час закриття каналу подайте остаточний стан до контракту, якщо підписано схвалення іншою стороною, то виконуйте негайно, інакше чекайте періоду виклику.

У ситуації песимізму, якщо одна сторона не відповідає, інша сторона може подати останній дійсний стан до контракту для оскарження, контракт дозволяє другій стороні відповісти протягом певного часу. Якщо відповіді немає, контракт автоматично закриває канал і повертає кошти.

3.1.4 Переваги та недоліки

Переваги:

• Миттєве підтвердження, швидка торгівля
• Низькі витрати
• Приватність
• Висока пропускна здатність

Недоліки:

• Потрібен безперервний моніторинг в режимі онлайн
• Потрібно заблокувати кошти
• Не підходить для низькочастотної торгівлі
• Обмежена ємність каналу
• Не підтримуються універсальні смарт-контракти

3.1.5 Застосування

Біткойн-мережа Lightning:

• це канал мікроплатежів у мережі біткойн
• Створення торговельної мережі за допомогою поза блокчейном малих платіжних каналів та посередників, що вирішує проблему масштабування
• Дотримуйтесь процесу "депозит→транзакція по мережі Lightning→відшкодування/урегулювання"
• Теоретично можна обробляти мільйон транзакцій на секунду
• На кінець 2021 року TVL становило приблизно 40 мільйонів доларів США, близько 100 тисяч користувачів
• У листопаді 2022 року було 76,236 платіжних каналів, 5049 BTC фондів ($81.8M)

Ефірний громовий мережа:

• Канал малих платежів на базі Ethereum, подібний до мережі Lightning
• Мета полягає в досягненні майже миттєвих, низьковитратних та масштабованих платежів токенами ERC20
• Заснована в 2017 році, у жовтні 2017 року ICO зібрало 30 мільйонів доларів США
• Перший Light Client запущено в травні 2020 року
• В даний час не отримав широкого застосування, причини включають високий поріг використання, появу більш просунутих технологій масштабування тощо
• Команда проводить реконструкцію для запуску в мережі Ethereum Layer2 Rollup

Мережа Celer:

• Суть полягає в збільшенні шару стимулів у мережі Lightning
• Створення швидких, зручних, недорогих та безпечних високочастотних інтерактивних DApps за допомогою технології розширення поза блокчейном та стимулюючої економічної моделі.
• Придатний для високочастотних інтерактивних додатків, таких як платформи електронного спорту
• Використовуйте OAT(Off-chain Address Translator) для унікального відображення адреси поза блокчейном на смарт-контракт в мережі.
• складається з трьох рівнів: cChannel, cRoute та cOS
• Засновано в 2018 році, в березні 2019 року випущено токен $CELR
• Наразі запущено DeFi протокол Layer2.finance, інформаційний крос-ланцюговий протокол Celer IM та крос-ланцюговий міст активів cBridge

3.1.6 Порівняння застосувань

Біткойн-мережа блискавки:

• Для платежів BTC
• Двосторонній платіжний канал
• Великий обсяг торгів
• Екологічний розвиток досить добрий

Ефірний громовий мережа:

• Для оплати ETH та ERC20
• Двосторонній платіжний канал
• Невеликий обсяг торгівлі
• Екологічний розвиток повільний

Мережа Celer:

• Підтримка різних активів
• Широкі канали стану
• обсяг торгівлі середній
• Екосистема розвивається в напрямку крос-чейн

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

3.2 Бічні ланцюги

3.2.1 Резюме

Концепція бічного ланцюга вперше була запропонована в чаті розробників Bitcoin у 2012 році, а перша стаття на цю тему була опублікована в 2014 році. Бічний ланцюг є формою блокчейну, що з'явилася для прискорення транзакцій Bitcoin і може використовувати більш складні контракти або покращувати механізм консенсусу. Коли результати транзакцій бічного ланцюга в кінцевому підсумку передаються назад до основного ланцюга, вони записуються на стороні валідатора. Ця модель є інфраструктурою, що прикріплюється до основного ланцюга та допомагає вирішити проблеми.

3.2.2 Хронологія

• 2012/01: Концепція бічного ланцюга біткойна була запропонована в чаті
• 2014/10: Опубліковано статтю про біткойн-бічні ланцюги: Симетричне та Асиметричне закріплення
• 2017/04: Запуск тестової мережі бокового ланцюга POA Network на основі PoA консенсусу Ethereum
• 2017/10: Запуск Matic Network
• 2017/12: Запуск основної мережі POA Network
• 2018/01:Запуск тестової мережі Skales
• 2018/10:Запуск тестової мережі xDai Chain
• 2020/06:Запуск основної мережі Skale
• 2020/06: Запуск основної мережі Matic PoS Chain на стороні Ethereum
• 2021/02: Matic Network перейменовано в Polygon Network
• 2021/02: Запуск основної мережі Ronin, бічної мережі 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 Технічний принцип

Бічний ланцюг використовує два способи зв'язку з основним ланцюгом: двостороннє закріплення ( Symmetric Pegged ) та несинхронне закріплення ( Asymmetric Pegged ).

Симетричний прив'язаний:

• Головні валідатори побічного ланцюга в реальному часі фіксують поточний стан один одного ( інформація про заголовок блоку )
• Використання двосторонньої технології SPV для передачі інформації
• Основна ланцюгова токен відправляється до бічного ланцюга, створюючи SPV-Locked Output
• Валідація бічного ланцюга використовує SPV для розблокування
• Після очікування періоду підтвердження та періоду конкурсу нові випущені активи можна використовувати в бічній мережі

Асиметричний прив'язаний:

• Валідатори бічного ланцюга в режимі реального часу моніторять активність основного ланцюга
• Головний ланцюг при переказі на бічний ланцюг активно фіксує (forward transaction)
• При переведенні з бічного ланцюга на головний ланцюг запроваджується механізм сертифікаторів
• Certifiers записують ID контракту, ID валідатора, список передачі та іншу інформацію
• Certifiers забезпечують безпеку через стейкінг та підпис

Наразі більшість бічних ланцюгів використовують механізм PoA або посередницький шар Relayers для підтвердження стану блоків основного ланцюга.

Підсумок механізму бічної ланцюга:

• Головний ланцюг→бічний ланцюг: головний ланцюг блокує активи, бічний ланцюг генерує wrapped asset
• Бічний ланцюг → Головний ланцюг: знищення обгорнутого активу на бічному ланцюзі, розблокування активу на головному ланцюзі

Безпека активів на боковій ланці залежить від безпеки бокової ланки, а саме від механізму консенсусу бокової ланки.

![万字Глибина研报：全面解析поза блокчейном扩容](