تقرير بحثي عن العمق: تحليل شامل لخارج السلسلة

المؤلفون: إلين شيو، هاتي جيانغ، يونيو وانغ، والون لين، ييليو لين

1. ضرورة التوسع

مستقبل سلسلة الكتل هو رؤية عظيمة: اللامركزية، والأمان، والقابلية للتوسع؛ لكن عادةً ما يمكن لسلسلة الكتل تحقيق اثنين فقط من هذه المتطلبات، ويطلق على تلبية هذه المتطلبات الثلاثة معًا اسم مشكلة مثلث الاستحالة في سلسلة الكتل. على مر السنين، كانت هناك جهود لاستكشاف كيفية حل هذه المعضلة، وكيفية زيادة قدرة سلسلة الكتل وسرعة المعاملات دون المساس باللامركزية والأمان، أي حل مشكلة التوسع، وهي واحدة من الموضوعات الساخنة للنقاش في عملية تطوير سلسلة الكتل الحالية.

دعنا نحدد بشكل عام اللامركزية والأمان والقابلية للتوسع 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 الكبار على الشبكة.
• الأمان: كلما زادت التكلفة اللازمة للحصول على السيطرة على نظام blockchain، زادت الأمان، وبالتالي يمكن للسلسلة مقاومة نسبة أكبر من المشاركين الذين يهاجمونها.
• القابلية للتوسع: قدرة blockchain على معالجة عدد كبير من المعاملات.

أول انقسام كبير في شبكة البيتكوين نشأ نتيجة لمشكلة توسيع السعة. مع زيادة عدد مستخدمي البيتكوين وحجم المعاملات، بدأت شبكة البيتكوين التي تحد من كل كتلة إلى 1 ميغابايت تواجه مشكلة الازدحام; منذ عام 2015، كان هناك انقسام في مجتمع البيتكوين حول مشكلة التوسع، حيث كان هناك جانب يدعم توسيع الكتلة ممثلاً بـ Bitcoin ABC، بينما كان الجانب الآخر يمثله Bitcoin Core ويدعو إلى استخدام عزل الشهادة Segwit لتحسين هيكل السلسلة الرئيسية. في 1 أغسطس 2017، بدأ نظام العميل الذي طورته Bitcoin ABC والذي يصل إلى 8 ميغابايت في العمل، مما أدى إلى ظهور أول انقسام كبير في تاريخ البيتكوين، وأدى هذا أيضًا إلى ظهور عملة جديدة BCH.

وبالمثل، فإن شبكة الإيثيريوم أيضاً اختارت التضحية بجزء من القابلية للتوسع من أجل ضمان أمان الشبكة واللامركزية؛ على الرغم من أن شبكة الإيثيريوم لم تحدد حجم الكتلة كما فعلت شبكة البيتكوين لتقييد حجم المعاملات، بل تحولت بشكل غير مباشر إلى وضع حد أقصى لرسوم الوقود التي يمكن أن تحتويها كتلة واحدة، ولكن الغرض هو تحقيق التوافق بدون ثقة وضمان توزيع واسع للعقد. سواء تم إلغاء أو زيادة الحد الأقصى، سيؤدي ذلك إلى استبعاد العديد من العقد الصغيرة التي تفتقر إلى النطاق الترددي والتخزين والحوسبة.

من CryptoKitties في عام 2017، صيف DeFi، وصولًا إلى ظهور تطبيقات السلسلة مثل GameFi وNFT، تزداد الحاجة إلى السعة في السوق باستمرار، ولكن حتى الإيثيريوم، الذي يتمتع بقدرة حسابية كاملة، لا يمكنه معالجة أكثر من 15~45 معاملة في الثانية ( TPS )، مما يؤدي إلى زيادة تكاليف المعاملات، وطول أوقات التسوية، وصعوبة تحمل معظم Dapps تكاليف التشغيل، مما يجعل الشبكة بأكملها بطيئة ومكلفة للمستخدمين، وبالتالي فإن مشكلة توسيع سلسلة الكتل بحاجة ماسة إلى حل. الحل المثالي للتوسع هو: زيادة سرعة معاملات شبكة البلوكتشين ( وقت الحسم الأقصر ) وسعة المعاملات ( TPS أعلى ) دون التضحية باللامركزية والأمان.

2. فئات خطة التوسع

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

2.1 التوسيع على السلسلة

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

هناك العديد من الحلول لتوسيع السلسلة، هذه المقالة لن تتوسع في ذلك، وفيما يلي نذكر بإيجاز حلين:

• الخيار الأول هو توسيع مساحة الكتلة، أي زيادة عدد المعاملات المعبأة في كل كتلة، لكن هذا سيزيد من متطلبات الأجهزة عالية الأداء للنقاط، مما يرفع من عتبة الانضمام للنقاط، ويقلل من درجة "اللامركزية".
• الخيار الثاني هو تقسيم، حيث يتم تقسيم دفتر الحسابات الخاص بسلسلة الكتل إلى عدة أجزاء، بدلاً من أن يشارك كل عقدة في تسجيل الحسابات، فإن أجزاء مختلفة أي عقد مختلفة مسؤولة عن تسجيل حسابات مختلفة، يمكن تنفيذ الحسابات المتوازية لمعالجة عدة معاملات في نفس الوقت؛ وهذا يمكن أن يقلل من ضغط الحسابات على العقد ويخفف من عتبة الانضمام، ويزيد من سرعة معالجة المعاملات ودرجة اللامركزية؛ لكن هذا يعني أن قوة الحوسبة في الشبكة بأكملها تتوزع، مما يقلل من "أمان" الشبكة بالكامل.

قد يؤدي تغيير كود بروتوكول الشبكة الرئيسية إلى آثار سلبية يصعب توقعها، حيث إن أي ثغرة أمنية دقيقة في الطبقة الأساسية تهدد بشكل خطير أمان الشبكة بالكامل، وقد تضطر الشبكة إلى إجراء انقسام أو توقف لإصلاح الترقية. على سبيل المثال، حادثة ثغرة التضخم في Zcash عام 2018: تم تعديل كود Zcash استنادًا إلى كود النسخة 0.11.2 من بيتكوين، وفي عام 2018 اكتشف أحد المهندسين ثغرة خطيرة في الكود الأساسي، وهي إمكانية إصدار الرموز بلا حدود، وعلى إثر ذلك قضى الفريق 8 أشهر في إصلاح الثغرة سرًا، ولم يتم الكشف عن الحادثة إلا بعد إصلاح الثغرة.

2.2 خارج السلسلة التوسع

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

يمكن تقسيم حلول توسيع خارج السلسلة إلى Layer2 وحلول أخرى:

3. خطة توسيع خارج السلسلة

( 3.1 قنوات الدولة

3.1.1 ملخص

تنص قناة الحالة على أنه يجب على المستخدمين التفاعل مع الشبكة الرئيسية فقط عند فتح القناة أو إغلاقها أو حل النزاعات، ويجب أن تتم التفاعلات بين المستخدمين خارج السلسلة، وذلك لتقليل الوقت والتكاليف المالية لمعاملات المستخدمين، ولتحقيق عدد غير محدود من المعاملات.

قناة الحالة هي بروتوكول بسيط من نوع P2P، مناسب لتطبيقات "المبنية على الأدوار"، مثل لعبة الشطرنج الدولية لشخصين. يتم إدارة كل قناة بواسطة عقد ذكي متعدد التوقيع يعمل على الشبكة الرئيسية، حيث يتحكم العقد في الأصول المودعة في القناة، ويحقق تحديثات الحالة، ويقوم بتحكيم النزاعات بين المشاركين ) بناءً على إثبات الاحتيال الموقعة والموقوتة ###. بعد نشر العقد على شبكة البلوكشين، يقوم المشاركون بإيداع مبلغ من المال وقفله، وبعد تأكيد توقيع الطرفين، يتم فتح القناة رسميًا. تتيح القناة للمشاركين إجراء معاملات مجانية غير محدودة خارج السلسلة ( طالما أن صافي تحويلاتهم لا يتجاوز إجمالي الرموز المودعة ). يقوم المشاركون بالتناوب على إرسال تحديثات الحالة إلى بعضهم البعض، في انتظار تأكيد توقيع الطرف الآخر. بمجرد تأكيد توقيع الطرف الآخر، يعتبر هذا التحديث قد اكتمل. تحت الظروف العادية، لن يتم تحميل تحديثات الحالة التي يوافق عليها الطرفان على الشبكة الرئيسية، وستعتمد فقط على تأكيد الشبكة الرئيسية في حالة حدوث نزاع أو إغلاق القناة. عند الحاجة لإغلاق القناة، يمكن لأي مشارك تقديم طلب معاملة على الشبكة الرئيسية، وإذا تم الموافقة على طلب الخروج بتوقيع جماعي، يتم التنفيذ على الفور على الشبكة، أي أن العقد الذكي يوزع الأموال المقفلة المتبقية بناءً على رصيد كل مشارك في حالة القناة النهائية؛ إذا لم يوافق المشاركون الآخرون بالتوقيع، يجب على الجميع الانتظار حتى انتهاء "فترة التحدي" لاستلام الأموال المتبقية.

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

3.1.2 الجدول الزمني

• 2015/02، نشر جوزيف بون وثاديوس دريجا مسودة ورقة بيضاء لشبكة البرق.
• 2015/11، قام جيف كولمان بتلخيص مفهوم قناة الحالة بشكل منهجي للمرة الأولى، واقترح أن قناة الدفع الخاصة ببتكوين هي حالة فرعية من مفهوم قناة الحالة.
• 2016/01، قدم جوزيف بون وتاديوس دريجا رسميًا الورقة البيضاء بعنوان "شبكة البيتكوين الضوئية: مدفوعات فورية قابلة للتوسع خارج السلسلة" التي تقترح خطة توسيع شبكة البيتكوين من خلال قناة الدفع ( قناة الدفع )، وهذه الخطة تستخدم فقط لمعالجة المدفوعات على شبكة البيتكوين.
• 2017/11، تم اقتراح أول مواصفات تصميم تتعلق بقناة الدولة تحت إطار قناة الدفع Sprites.
• 2018/06, Counterfactual قدم تصميمًا مفصلاً للغاية لقنوات الحالة العامة، وهو أول تصميم مرتبط تمامًا بقنوات الحالة.
• 2018/10، قدمت المقالة Generalised State Channel Networks مفهوم شبكات قنوات الحالة وقنوات افتراضية.
• 2019/02، تم توسيع مفهوم قنوات الحالة إلى قنوات N-Party، و Nitro هو أول بروتوكول تم إنشاؤه بناءً على هذه الفكرة.
• 2019/10، قامت Pisa بتوسيع مفهوم Watchtowers لحل مشكلة الحاجة إلى استمرار تواجد جميع المشاركين على الإنترنت.
• 2020/03، قدمت Hydra قنوات متطابقة سريعة.

3.1.3 المبادئ التقنية

سير العمل العام لقناة الحالة:

1. أليس وبوب قاما بإيداع الأموال من EOA الشخصية إلى عنوان العقد على السلسلة، حيث يتم قفل هذه الأموال في العقد حتى يتم إعادة الرصيد إلى المستخدم عند إغلاق القناة؛ بعد تأكيد التوقيع من الطرفين، يتم فتح قناة الحالة بشكل رسمي بينهما.

2. يمكن لأليس وبوب theoretically إجراء عدد غير محدود من المعاملات خارج السلسلة من خلال هذه القناة، حيث يتواصل المشاركون من خلال رسائل توقيع مشفرة ( بدلاً من التواصل مع شبكة البلوكشين ). يحتاج كلا المستخدمين إلى توقيع كل معاملة لمنع إساءة استخدام الإنفاق المزدوج. من خلال هذه الرسائل، يقترحون تحديثات حالة حساباتهم، ويقبلون تحديثات الحالة التي يقترحها الآخر.

3. إذا كانت أليس تريد إنهاء القناة والتجارة مع بوب، تحتاج أليس إلى تقديم الحالة النهائية لحسابها إلى العقد، وإذا وافق بوب بتوقيعه، فسوف يقوم العقد بإطلاق الأموال المقيدة بناءً على الحالة النهائية وإعادتها إلى المستخدم المعني. إذا لم يستجب بوب للتوقيع، فسوف يقوم العقد بإطلاق الأموال المقيدة وإعادتها إلى المستخدم المعني بعد انتهاء فترة التحدي.

3.1.4 المزايا والعيوب

المميزات:

• تأكيد فوري
• تكلفة منخفضة
• خصوصية عالية
• لا حاجة للاعتماد على طرف ثالث

العيوب:

• يحتاج إلى التواجد على الإنترنت عدة مرات
• غير قادر على معالجة عمليات الخروج الكبيرة
• يحتاج إلى تأمين الأموال مسبقًا
• غير مناسب للتطبيقات المعقدة

3.1.5 التطبيق

شبكة البرق بيتكوين

ملخص: شبكة البرق هي قناة مدفوعات صغيرة في شبكة البيتكوين، وقد مرت بتطور تقني شامل: 2/2 بناء قناة مدفوعات أحادية التوقيع، إضافة RSMC ( عقد استحقاق التسلسل القابل للإلغاء ) يمكن بناء قناة مدفوعات ثنائية الاتجاه، ثم إضافة HTLC ( عقد قفل الوقت التجزئة ) يمكن توصيل قناة المدفوعات لتمتد إلى مدفوعات متعددة، وأخيراً بناء شبكة المدفوعات، وهي شبكة البرق. من خلال قنوات المدفوعات الصغيرة خارج السلسلة، ثم بمساعدة الوسطاء لتشكيل شبكة المعاملات، يمكن حل مشكلة توسيع شبكة البيتكوين. الاستخدام الشامل لشبكة البرق يتبع "إيداع ( إنشاء قناة ) → معاملات شبكة البرق ( تحديث حالة القناة ) → استرداد / تسوية ( إنهاء القناة )". نظريًا، يمكن لشبكة البرق معالجة مليون معاملة في الثانية.

الخط الزمني:

• في فبراير 2015، تم إصدار مسودة الورقة البيضاء
• في يناير 2016، تم إصدار النسخة الرسمية من الوثيقة البيضاء وتأسيس Lightning Labs
• مارس 2018, إصدار النسخة الأولى من الشبكة الرئيسية
• في عام 2021، دعمت العديد من البورصات، السلفادور اعتمدت
• عام 2022، تطوير النظام البيئي بشكل أكبر

التنمية البيئية:

• الطبقة الأساسية: شبكة BTC
• البنية التحتية الأساسية: حلول شبكة البرق، العقد، وخدمات السيولة
• التطبيقات العليا: المدفوعات والخدمات المالية وغيرها من التطبيقات

شبكة لايتنينغ إيثريوم

نظرة عامة: شبكة雷电 هي قناة دفع صغيرة الحجم تعتمد على الإيثيريوم، تشبه شبكة闪电، وتهدف إلى تحقيق مدفوعات ERC20 الفورية تقريبًا، بتكاليف منخفضة وقابلية للتوسع.

الخط الزمني:

• تأسست في عام 2017
• ICO في أكتوبر 2017
• تم إطلاق الشبكة الرئيسية في مايو 2020
• في نهاية عام 2021 ، أزالت العديد من البورصات الرموز المميزة

حاليًا لا يتم استخدامه على نطاق واسع، والأسباب تشمل: 1( استخدام عتبة عالية 2) ظهر سابقاً