تحليل العمق لتوسيع خارج السلسلة

المؤلفون: إيلاين شو، هيتي جيانغ، يونيو وانغ، والون لين، ييليو لين

1. ضرورة التوسع

مستقبل blockchain هو رؤية عظيمة: اللامركزية والأمان والقابلية للتوسع؛ لكن عادةً ما يمكن لـ blockchain تحقيق اثنين فقط من هذه المتطلبات، بينما يُعرف تلبية هذه المتطلبات الثلاثة بمشكلة مثلث الاستحالة في blockchain. على مر السنين، كان الناس يستكشفون كيفية حل هذه المشكلة، وكيفية زيادة سعة blockchain وسرعة المعاملات مع ضمان اللامركزية والأمان، أي حل مشكلة التوسع، وهي واحدة من الموضوعات الساخنة التي يتم مناقشتها في عملية تطوير blockchain الحالية.

دعنا نعرف بشكل عام لامركزية blockchain والأمان وقابلية التوسع:

• اللامركزية: يمكن لأي شخص أن يصبح عقدة ويشارك في إنتاج والتحقق من نظام blockchain، كلما زاد عدد العقد، زادت درجة اللامركزية، مما يضمن أن الشبكة ليست تحت سيطرة مجموعة صغيرة من المشاركين المركزيين.
• الأمان: كلما زادت التكلفة اللازمة للحصول على السيطرة على نظام blockchain، زادت الأمان، وبالتالي يمكن أن تتحمل السلسلة هجمات نسبة أكبر من المشاركين.
• القابلية للتوسع: قدرة البلوكشين على معالجة عدد كبير من المعاملات.

أول انقسام كبير في شبكة البيتكوين نتج عن مشكلة التوسع. مع زيادة عدد مستخدمي البيتكوين وحجم المعاملات، بدأت شبكة البيتكوين التي تبلغ سعتها القصوى 1 ميغابايت لكل كتلة تواجه مشكلة الازدحام؛ منذ عام 2015، كانت هناك خلافات في مجتمع البيتكوين حول مشكلة التوسع، حيث كان هناك جانب يدعمه Bitcoin ABC يتمثل في تعزيز حجم الكتل، بينما كان الجانب الآخر، الذي يمثله Bitcoin Core، يفضل استخدام خطة Segwit لتحسين هيكل السلسلة الرئيسية. في 1 أغسطس 2017، بدأ نظام عميل Bitcoin ABC الذي تم تطويره ذاتيًا بسعة 8 ميغابايت في العمل، مما أدى إلى ظهور أول انقسام كبير في تاريخ البيتكوين، كما أدى ذلك إلى ولادة عملة جديدة BCH.

وبالمثل، فإن شبكة الإيثريوم أيضًا تختار التضحية بجزء من القابلية للتوسع من أجل ضمان أمان الشبكة ولامركزيتها؛ على الرغم من أن شبكة الإيثريوم لم تقم بتحديد حجم الكتلة مثل شبكة البيتكوين للحد من حجم المعاملات، بل تحولت بشكل غير مباشر إلى وضع حد أعلى لرسوم الوقود التي يمكن أن تستوعبها كتلة واحدة، إلا أن الهدف هو تحقيق توافق الثقة وضمان توزيع واسع النطاق للعقد ( سواء تم إلغاء الحدود أو رفعها، ستتخلص من العديد من العقد الصغيرة التي تفتقر إلى النطاق الترددي والتخزين والقدرة الحاسوبية ).

من CryptoKitties في عام 2017، وDeFi الصيف، إلى ظهور تطبيقات GameFi وNFT في وقت لاحق، تزداد حاجة السوق لزيادة السعة، ولكن حتى الإيثريوم القابل للتطوير تمامًا لا يمكنه معالجة أكثر من 15~45 معاملة في الثانية(TPS)، مما يؤدي إلى ارتفاع تكاليف المعاملات وزيادة زمن التسوية، مما يجعل معظم Dapps غير قادرة على تحمل تكاليف التشغيل، ويصبح الشبكة بأكملها بطيئة ومكلفة للمستخدمين، مما يجعل مشكلة توسيع blockchain بحاجة ملحة إلى الحل. الحل المثالي للتوسع هو: زيادة سرعة معاملات شبكة blockchain( زمن نهائي أقصر) وسعة معاملات أعلى( TPS) دون التضحية باللامركزية والأمان.

2. فئات خطة التوسع

نحن نصنف خطط التوسع إلى فئتين رئيسيتين: التوسع على السلسلة والتوسع خارج السلسلة، وذلك بناءً على معيار "هل سيتم تغيير طبقة الشبكة الرئيسية".

2.1 التوسع على السلسلة

المفهوم الأساسي: حل يهدف إلى تحقيق تأثير التوسع من خلال تغيير بروتوكول الشبكة الرئيسية، والخطة الرئيسية الحالية هي التجزئة.

هناك العديد من الحلول لتوسيع السلسلة، هذه المقالة لا تتطرق إليها، وفيما يلي نذكر بإيجاز حلين:

• الخيار الأول هو توسيع مساحة الكتلة، أي زيادة عدد المعاملات المعبأة في كل كتلة، ولكن هذا سيزيد من متطلبات الأجهزة عالية الأداء للعقد، مما يزيد من عتبة انضمام العقد، ويقلل من درجة "اللامركزية".
• الخيار الثاني هو التجزئة، حيث يتم تقسيم دفتر حسابات blockchain إلى عدة أجزاء، لم يعد كل عقدة تشارك في جميع عمليات التسجيل، بل يتم تعيين مسؤوليات التسجيل المختلفة لعقد مختلفة أي تجزئات، يمكن أن تتم معالجة عدة معاملات في وقت واحد من خلال الحوسبة المتوازية؛ هذا يمكن أن يقلل من ضغط الحساب على العقدة وحواجز الانضمام، ويزيد من سرعة معالجة المعاملات ودرجة اللامركزية؛ ولكن هذا يعني أن قوة الحوسبة في الشبكة بأكملها تتوزع، مما يقلل من "الأمان" للشبكة بأكملها.

قد يؤدي تغيير كود بروتوكول الشبكة الرئيسية إلى آثار سلبية غير متوقعة، لأن أي ثغرة أمنية طفيفة في الطبقة الأساسية قد تهدد بشكل خطير أمان الشبكة بأكملها، وقد تضطر الشبكة إلى إجراء انقسام أو تحديث لإصلاح العطل. على سبيل المثال، حدث ثغرة التضخم في Zcash عام 2018: كان كود Zcash مستندًا إلى تعديل كود النسخة 0.11.2 من بيتكوين، واكتشف أحد المهندسين في عام 2018 وجود ثغرة خطيرة في الكود الأساسي، وهي إمكانية إصدار رموز بلا حدود، وعلى إثر ذلك قضى الفريق 8 أشهر في إصلاحها سراً، ولم يتم الكشف عن هذه الحادثة إلا بعد إصلاح الثغرة.

2.2 خارج السلسلة التوسع

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

خارج السلسلة توسعة الحلول يمكن تقسيمها إلى Layer2 وغيرها من الحلول:

3. حلول 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 إجراء التفاعلات بين المستخدمين خارج السلسلة، وذلك لتقليل الوقت وتكاليف المال للمستخدمين، وتحقيق عدد غير محدود من المعاملات.

قناة الحالة هي بروتوكول بسيط P2P، مناسب "للتطبيقات القائمة على الجولات"، مثل لعبة الشطرنج الدولية لشخصين. تُدار كل قناة بواسطة عقد ذكي متعدد التوقيع يعمل على الشبكة الرئيسية، حيث يتحكم هذا العقد في الأصول المودعة في القناة، ويحقق في تحديثات الحالة، ويفصل في النزاعات بين المشاركين ( بناءً على دليل الاحتيال المرفق بالتوقيع والطابع الزمني ). بعد أن يقوم المشاركون بنشر العقد على شبكة البلوكشين، يودعون مبلغًا من المال ويقومون بقفله، وبعد تأكيد توقيع كلا الطرفين، تفتح القناة رسميًا. تتيح القناة للمشاركين إجراء معاملات خارج السلسلة غير محدودة مجانًا ( طالما أن صافي قيمة تحويلاتهم لا يتجاوز إجمالي الرموز المودعة ). يقوم المشاركون بالتناوب في إرسال تحديثات الحالة إلى بعضهم البعض، في انتظار تأكيد توقيع الطرف الآخر. بمجرد أن يؤكد الطرف الآخر التوقيع، تعتبر تحديث الحالة مكتملة. في الوضع الطبيعي، فإن تحديثات الحالة المتفق عليها من قبل الطرفين لا تُرفع إلى الشبكة الرئيسية، فقط في حالة حدوث نزاع أو إغلاق القناة، تعتمد على تأكيد الشبكة الرئيسية. عند الحاجة إلى إغلاق القناة، يمكن لأي مشارك تقديم طلب معاملة على الشبكة الرئيسية، وإذا تم الموافقة على طلب الخروج بتوقيع جماعي، فسيتم التنفيذ على السلسلة على الفور، أي أن العقد الذكي يقوم بتوزيع الأموال المتبقية المقفلة بناءً على رصيد كل مشارك في حالة القناة النهائية؛ إذا لم يوافق المشاركون الآخرون على التوقيع، يتعين على الجميع الانتظار حتى انتهاء "فترة التحدي" لاستلام الأموال المتبقية.

بناءً على ما سبق، يمكن أن تقلل حلول قناة الحالة بشكل كبير من حجم الحسابات على الشبكة الرئيسية، وتعزز سرعة المعاملات، وتقلل من تكاليف المعاملات.

3.1.2 الجدول الزمني

• 2015/02، نشر جوزيف بون و ثاديوس دريجا مسودة ورقة بيضاء لشبكة البرق.
• 2015/11، قام جيف كولمان بتلخيص مفهوم قناة الدولة بشكل منهجي لأول مرة، واقترح أن قناة الدفع في البيتكوين هي حالة فرعية من مفهوم قناة الدولة.
• 2016/01، قدم جوزيف بون وثاديوس دريجا الورقة البيضاء "شبكة بيتكوين لايتنينغ: مدفوعات فورية قابلة للتوسع خارج السلسلة" التي اقترحت خطة لتوسيع شبكة بيتكوين من خلال قناة الدفع (، وهذه الخطة تستخدم فقط لمعالجة مدفوعات التحويل على شبكة بيتكوين.
• في نوفمبر 2017، تم تقديم أول مواصفات تصميم لـ State Channel بناءً على إطار Payment Channel والذي يسمى Sprites.
• 2018/06, Counterfactual قدم تصميمًا مفصلًا جدًا لقنوات الحالة العامة، وهذا هو التصميم الأول المرتبط تمامًا بقنوات الحالة.
• 2018/10، المقالة الشبكات العامة لقنوات الحالة قدمت مفهوم قنوات الحالة وقنوات افتراضية.
• 2019/02، تم توسيع مفهوم قنوات الحالة إلى قنوات N-Party، وNitro هو البروتوكول الأول الذي تم إنشاؤه استنادًا إلى هذه الفكرة.
• 2019/10، Pisa لتلبية احتياجات جميع المشاركين في البقاء متصلين باستمرار، وسعت مفهوم Watchtowers.
• 2020/03، قدمت Hydra قنوات إيزومورفية سريعة.

3.1.3 المبادئ التقنية

سير عمل قنوات الحالة:

1. أليس وبوب يقومان بإيداع الأموال من EOA الشخصي إلى عنوان عقد خارج السلسلة، حيث تُقفل هذه الأموال في العقد حتى يتم إعادة الرصيد إلى المستخدم عند إغلاق القناة؛ بعد تأكيد توقيع الاثنين، يتم فتح قناة الحالة رسميًا بينهما.

2. يمكن لأليس وبوب من خلال هذه القناة إجراء معاملات غير محدودة خارج السلسلة نظريًا، حيث يتواصل المشاركون عبر رسائل توقيع مشفرة ) بدلاً من التواصل مع شبكة البلوكشين (. يحتاج كل من المستخدمين إلى توقيع كل معاملة لمنع حدوث أي أعمال احتيالية. من خلال هذه الرسائل، يقدمون تحديثات حالة حساباتهم، ويقبلون التحديثات التي يقترحها الآخر.

3. إذا أرادت أليس إنهاء القناة والمعاملات بينها وبين بوب، تحتاج أليس إلى تقديم الحالة النهائية لحسابها إلى العقد، وإذا قام بوب بتوقيع الموافقة، فسوف يقوم العقد بإطلاق الأموال المقيدة وفقًا للحالة النهائية وإعادتها إلى المستخدم المعني. إذا لم يرد بوب على التوقيع، فسوف يقوم العقد بإطلاق الأموال المقيدة بعد انتهاء فترة التحدي وإعادتها إلى المستخدم المعني.

سير العمل لقناة الحالة في حالة التشاؤم: في البداية، يقوم المشاركان بإيداع الأموال، ثم يبدأان في تبادل تحديثات الحالة. افترض أنه في نقطة معينة، لم يستجب Bob لتحديث الحالة الموقعة الذي أرسلته Alice في دوره، في هذه الحالة، يمكن لـ Alice بدء التحدي من خلال تقديم آخر حالة صالحة لها إلى العقد، وهذه الحالة الصالحة تحتوي أيضًا على توقيع Bob السابق، مما يثبت أن الصفقة الأخيرة قد حصلت على موافقة Bob، وأن الحالة النهائية قد تم تأكيدها من قبل Bob. بعد ذلك، يسمح العقد لـ Bob بالاستجابة خلال فترة زمنية معينة عن طريق تقديم الحالة التالية إلى العقد؛ إذا استجاب Bob، يمكن للطرفين الاستمرار في إجراء المعاملات داخل قناة الحالة؛ إذا لم يستجب Bob خلال هذه الفترة الزمنية، يغلق العقد قناة الحالة تلقائيًا ويعيد الأموال إلى Alice.

![تقرير بحثي عميق: تحليل شامل لتوسيع خارج السلسلة])https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-ad088ac016d75b1ae0b0eda699e74709.webp(

3.1.4 المزايا والعيوب

المميزات:

• تأكيد فوري، يمكن إتمام الصفقة على الفور
• سعة عالية، معاملات غير محدودة نظريًا
• رسوم المعاملات منخفضة، فقط عند فتح وإغلاق القناة يتعين دفع رسوم خارج السلسلة
• خصوصية جيدة، المعاملات خارج السلسلة لن يتم الكشف عنها على الشبكة الرئيسية

العيوب:

• انخفاض معدل استخدام الأموال، يتطلب قفل الأموال
• غير ودود للمستخدم، يحتاج إلى مراقبة مستمرة للقناة
• إنشاء القناة معقدة
• من الصعب تصميم قناة حالة عامة
• نقص السيولة، لا يمكن للقنوات نقل الأموال بمرونة

3.1.5 التطبيق

شبكة البرق البيتكوين

نظرة عامة: شبكة البرق هي قناة المدفوعات الصغيرة لشبكة البيتكوين، وقد شهدت تطورًا تقنيًا عامًا: 2/2 بناء قناة دفع أحادية التوقيع، بعد إضافة RSMC) عقد استحقاق تسلسل قابل للإلغاء( يمكن بناء قناة دفع ثنائية الاتجاه، ثم بعد إضافة HTLC) عقد قفل الوقت الهاش( يمكن توصيل قنوات الدفع لتوسيع المدفوعات متعددة الأطراف، وفي النهاية يتم بناء شبكة الدفع وهي شبكة البرق. من خلال قنوات الدفع الصغيرة خارج السلسلة، ثم بمساعدة وسطاء يتم تشكيل شبكة المعاملات، يمكن حل مشكلة توسيع شبكة البيتكوين. الاستخدام العام لشبكة البرق يتبع "الإيداع) إنشاء القناة( → معاملات شبكة البرق) تحديث حالة القناة( → استرداد/تسوية) إنهاء القناة(" العملية؛ نظريًا يمكن لشبكة البرق معالجة مليون معاملة في الثانية.

الخط الزمني:

• في فبراير 2015، نشر جوزيف بون وثاديوس دريجا مسودة ورقة بيضاء لشبكة Lightning.
• تم إصدار النسخة الرسمية من الورقة البيضاء في يناير 2016 وتم تأسيسها