Analisis Kedalaman Perluasan off-chain

Penulis: Ellaine Xu, Hettie Jiang, June Wang, Walon Lin, Yiliu Lin

1. Kebutuhan untuk Memperluas Kapasitas

Masa depan blockchain adalah visi yang megah: desentralisasi, keamanan, dan skalabilitas; tetapi biasanya blockchain hanya dapat mencapai dua dari tiga tersebut, sementara memenuhi ketiga persyaratan ini disebut sebagai masalah segitiga ketidakmungkinan blockchain. Selama bertahun-tahun, orang telah menjelajahi bagaimana menyelesaikan tantangan ini, bagaimana meningkatkan throughput dan kecepatan transaksi blockchain dengan tetap menjamin desentralisasi dan keamanan, yaitu menyelesaikan masalah skalabilitas, adalah salah satu topik hangat yang dibahas dalam proses perkembangan blockchain saat ini.

Mari kita definisikan secara umum desentralisasi, keamanan, dan skalabilitas blockchain:

• Desentralisasi: Siapa pun dapat menjadi node yang berpartisipasi dalam produksi dan verifikasi sistem blockchain, semakin banyak jumlah node, semakin tinggi tingkat desentralisasi, sehingga memastikan jaringan tidak berada di bawah kendali sekelompok kecil peserta terpusat.
• Keamanan: Semakin tinggi biaya yang dikeluarkan untuk menguasai sistem blockchain, semakin tinggi tingkat keamanannya, sehingga rantai dapat menahan serangan dari proporsi peserta yang lebih besar.
• Skalabilitas: Kemampuan blockchain untuk memproses sejumlah besar transaksi.

Fork besar pertama dari jaringan Bitcoin berasal dari masalah perluasan kapasitas. Seiring dengan meningkatnya jumlah pengguna dan volume transaksi Bitcoin, jaringan Bitcoin yang memiliki batas maksimum 1MB per blok mulai menghadapi masalah kemacetan; sejak 2015, komunitas Bitcoin telah memiliki perbedaan pendapat mengenai masalah perluasan kapasitas, satu pihak adalah kelompok yang mendukung perluasan blok yang diwakili oleh Bitcoin ABC, sementara pihak lainnya adalah kelompok blok kecil yang diwakili oleh Bitcoin Core, yang percaya bahwa sebaiknya menggunakan solusi Segregated Witness (Segwit) untuk mengoptimalkan struktur rantai utama. Pada tanggal 1 Agustus 2017, Bitcoin ABC mulai menjalankan sistem klien yang dikembangkan sendiri hingga 8MB, yang menyebabkan munculnya fork besar pertama dalam sejarah Bitcoin, dan juga melahirkan mata uang baru BCH.

Sama halnya, jaringan Ethereum juga memilih untuk mengorbankan sebagian dari skalabilitasnya demi menjaga keamanan dan desentralisasi jaringan; meskipun jaringan Ethereum tidak membatasi jumlah transaksi dengan membatasi ukuran blok seperti jaringan Bitcoin, tetapi secara tidak langsung beralih ke menetapkan batas atas untuk biaya bahan bakar yang dapat ditampung dalam satu blok, namun tujuannya tetap untuk mencapai Konsensus Tanpa Kepercayaan dan memastikan distribusi node yang luas ( baik membatalkan maupun meningkatkan batasan akan menghilangkan banyak node kecil yang kekurangan bandwidth, penyimpanan, dan kapasitas komputasi ).

Dari CryptoKitties pada tahun 2017, musim DeFi, hingga munculnya aplikasi on-chain seperti GameFi dan NFT, permintaan pasar untuk throughput terus meningkat. Namun, bahkan Ethereum yang Turing-complete hanya dapat memproses 15~45 transaksi per detik ( TPS ), yang mengakibatkan biaya transaksi terus meningkat, waktu penyelesaian menjadi lebih lama, dan sebagian besar Dapps sulit untuk menanggung biaya operasional. Seluruh jaringan juga menjadi lambat dan mahal bagi pengguna, sehingga masalah skalabilitas blockchain perlu segera diatasi. Solusi skalabilitas yang ideal adalah: meningkatkan kecepatan transaksi jaringan blockchain ( waktu finalitas yang lebih pendek ) dan throughput transaksi ( TPS yang lebih tinggi ), tanpa mengorbankan desentralisasi dan keamanan.

2. Kategori Rencana Perluasan

Kami membagi rencana perluasan menjadi dua kategori besar, yaitu perluasan on-chain dan perluasan off-chain, berdasarkan standar "apakah mengubah satu lapisan mainnet".

2.1 Skalabilitas on-chain

Konsep inti: solusi untuk mencapai efek skalabilitas dengan mengubah satu lapisan protokol jaringan utama, saat ini solusi utama adalah sharding.

Ekspansi on-chain memiliki berbagai solusi, artikel ini tidak akan membahasnya, berikut adalah dua solusi yang disebutkan secara singkat:

• Rencana satu adalah memperbesar ruang blok, yaitu menambah jumlah transaksi yang dikemas dalam setiap blok, tetapi ini akan meningkatkan persyaratan untuk perangkat node berkinerja tinggi, meningkatkan ambang batas untuk bergabung sebagai node, dan mengurangi tingkat "desentralisasi".
• Rencana kedua adalah sharding, membagi buku besar blockchain menjadi beberapa bagian, tidak lagi setiap node berpartisipasi dalam semua pencatatan, tetapi berbagai sharding yang berbeda atau node yang berbeda bertanggung jawab untuk pencatatan yang berbeda, perhitungan paralel dapat memproses beberapa transaksi secara bersamaan; ini dapat mengurangi tekanan komputasi pada node dan ambang batas untuk bergabung, meningkatkan kecepatan pemrosesan transaksi dan tingkat desentralisasi; tetapi ini berarti bahwa kekuatan komputasi di seluruh jaringan terdistribusi, yang akan mengurangi "keamanan" seluruh jaringan.

Mengubah kode protokol mainnet lapisan satu mungkin memiliki dampak negatif yang tidak terduga, karena setiap celah keamanan kecil di dasar dapat mengancam keamanan seluruh jaringan secara serius, jaringan mungkin terpaksa melakukan fork atau menghentikan pemeliharaan dan pembaruan. Sebagai contoh, insiden celah inflasi Zcash pada tahun 2018: Kode Zcash didasarkan pada modifikasi kode versi Bitcoin 0.11.2, pada tahun 2018 seorang insinyur menemukan celah berbahaya dalam kode dasarnya, yaitu token dapat dicetak tanpa batas, dan tim menghabiskan waktu 8 bulan untuk perbaikan rahasia, insiden ini baru diumumkan setelah celah tersebut diperbaiki.

2.2 off-chain Scaling

Konsep Inti: Solusi penskalaan yang tidak mengubah protokol jaringan utama lapisan satu yang ada.

Solusi ekspansi off-chain dapat dibagi lagi menjadi Layer2 dan solusi lainnya:

3. Solusi untuk Ekspansi off-chain

3.1 Saluran Negara

3.1.1 Ringkasan

Saluran status menetapkan bahwa hanya saat saluran dibuka, ditutup, atau menyelesaikan sengketa, pengguna perlu berinteraksi dengan jaringan utama, dan interaksi antar pengguna dilakukan off-chain, untuk mengurangi waktu dan biaya transaksi pengguna, serta memungkinkan jumlah transaksi tidak terbatas.

Saluran status adalah protokol P2P yang sederhana, cocok untuk "aplikasi berbasis giliran", seperti permainan catur dua orang. Setiap saluran dikelola oleh kontrak pintar multi-tanda tangan yang berjalan di jaringan utama, kontrak tersebut mengontrol aset yang disimpan dalam saluran, memverifikasi pembaruan status, dan mengatur sengketa antara peserta ( berdasarkan bukti penipuan yang dilengkapi dengan tanda tangan dan cap waktu ). Setelah peserta menerapkan kontrak di jaringan blockchain, mereka menyetor dana dan menguncinya, setelah kedua belah pihak menandatangani konfirmasi, saluran secara resmi dibuka. Saluran memungkinkan transaksi gratis off-chain tanpa batas antara peserta ( selama nilai bersih transfer mereka tidak melebihi total token yang disetor ). Peserta secara bergiliran mengirim pembaruan status satu sama lain, menunggu konfirmasi tanda tangan dari pihak lain. Setelah pihak lain menandatangani konfirmasi, pembaruan status ini dianggap selesai. Dalam keadaan normal, pembaruan status yang disetujui oleh kedua belah pihak tidak diunggah ke jaringan utama, hanya dalam kasus sengketa atau penutupan saluran, maka akan bergantung pada konfirmasi jaringan utama. Ketika perlu menutup saluran, salah satu peserta dapat mengajukan permintaan transaksi di jaringan utama, jika permintaan keluar disetujui dengan tanda tangan konsensus, maka eksekusi langsung di jaringan adalah segera, yaitu kontrak pintar mendistribusikan sisa dana yang terkunci berdasarkan saldo setiap peserta dalam status akhir saluran; jika peserta lain tidak menyetujui tanda tangan, maka semua orang harus menunggu berakhirnya "periode tantangan" untuk menerima sisa dana.

Secara keseluruhan, skema saluran status dapat secara signifikan mengurangi beban komputasi jaringan utama, meningkatkan kecepatan transaksi, dan menurunkan biaya transaksi.

3.1.2 Garis Waktu

• 2015/02, Joseph Poon dan Thaddeus Dryja menerbitkan draf buku putih jaringan Lightning.
• 2015/11, Jeff Coleman pertama kali secara sistematis merangkum konsep State Channel, mengusulkan bahwa Payment Channel Bitcoin adalah sub-kasus dari konsep State Channel.
• 2016/01, Joseph Poon dan Thaddeus Dryja secara resmi menerbitkan makalah berjudul "The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments" yang mengusulkan solusi skalabilitas untuk jaringan Bitcoin, Payment Channel( saluran pembayaran), yang hanya digunakan untuk memproses pembayaran transfer di jaringan Bitcoin.
• 2017/11, desain spesifikasi terkait State Channel pertama yang didasarkan pada kerangka Payment Channel, Sprites, diusulkan.
• 2018/06, Counterfactual mengajukan desain Generalized State Channels yang sangat rinci, ini adalah desain pertama yang sepenuhnya terkait dengan saluran status.
• 2018/10, artikel Generalised State Channel Networks mengusulkan konsep State Channel Networks dan Virtual Channels.
• 2019/02, konsep saluran status diperluas menjadi N-Party Channels, Nitro adalah protokol pertama yang dibangun berdasarkan ide tersebut.
• 2019/10, Pisa memperluas konsep Watchtowers untuk menyelesaikan masalah semua peserta yang perlu tetap online.
• 2020/03, Hydra mengajukan Fast Isomorphic Channels.

3.1.3 Prinsip Teknologi

Alur kerja saluran status:

1. Alice dan Bob menyetor dana dari EOA pribadi mereka ke alamat kontrak on-chain, dana ini terkunci dalam kontrak hingga saldo dikembalikan kepada pengguna saat saluran ditutup; setelah kedua pihak menandatangani konfirmasi, saluran status antara keduanya resmi dibuka.

2. Alice dan Bob secara teoritis dapat melakukan transaksi tanpa batas di luar rantai melalui saluran ini, para peserta berkomunikasi satu sama lain melalui pesan tanda tangan terenkripsi ( alih-alih berkomunikasi dengan jaringan blockchain ). Kedua pengguna perlu menandatangani setiap transaksi untuk mencegah penipuan ganda. Melalui pesan-pesan ini, mereka mengajukan pembaruan status akun mereka sendiri dan menerima pembaruan status yang diajukan oleh pihak lain.

3. Jika Alice ingin menutup saluran dan mengakhiri transaksi dengan Bob, Alice perlu mengirimkan status akhir dari akunnya ke kontrak. Jika Bob menandatangani persetujuan, kontrak akan melepaskan dana yang terkunci dan mengembalikannya kepada pengguna yang sesuai berdasarkan status akhir. Jika Bob tidak menanggapi tanda tangan, kontrak akan melepaskan dana yang terkunci dan mengembalikannya kepada pengguna yang sesuai setelah periode tantangan berakhir.

Proses kerja saluran status dalam kondisi pesimis: Awalnya, dua peserta menyetor dana, kemudian mulai bertukar pembaruan status. Misalkan pada suatu titik, Bob tidak merespons tanda tangan pembaruan status yang dikirimkan Alice dalam giliran gilirannya, saat ini, Alice dapat memulai tantangan dengan mengajukan status terakhir yang valid kepada kontrak, status yang valid ini juga mencakup tanda tangan Bob sebelumnya, sehingga membuktikan bahwa transaksi terakhir telah menerima persetujuan dari Bob, dan status terakhir telah menerima konfirmasi dari Bob. Kemudian, kontrak memungkinkan Bob untuk merespons dalam jangka waktu tertentu dengan menyerahkan status berikutnya kepada kontrak; jika Bob merespons, maka keduanya dapat terus melakukan transaksi dalam saluran status; jika Bob tidak merespons dalam jangka waktu tersebut, maka kontrak secara otomatis menutup saluran status dan mengembalikan dana kepada Alice.

3.1.4 Kelebihan dan Kekurangan

Keuntungan:

• Konfirmasi instan, transaksi dapat diselesaikan segera
• Tingkat throughput yang tinggi, secara teori transaksi tak terbatas
• Biaya transaksi rendah, hanya perlu membayar biaya transaksi on-chain saat membuka dan menutup saluran.
• Memiliki privasi yang baik, transaksi off-chain tidak akan dipublikasikan di mainnet

Kekurangan:

• Tingkat pemanfaatan modal rendah, perlu mengunci modal
• Tidak ramah terhadap pengguna, perlu pemantauan saluran secara online terus-menerus
• Membuat saluran cukup rumit
• Sulit untuk merancang saluran status yang umum
• Kurangnya likuiditas, saluran tidak dapat mentransfer dana secara fleksibel

3.1.5 Aplikasi

Jaringan Lightning Bitcoin

Ikhtisar: Jaringan Lightning adalah saluran pembayaran kecil di jaringan Bitcoin, yang mengalami evolusi teknologi keseluruhan sebagai berikut: 2/2 multi-tanda tangan membangun saluran pembayaran satu arah, setelah menambahkan RSMC(Revocable Sequence Maturity Contract) dapat membangun saluran pembayaran dua arah, kemudian setelah menambahkan HTLC(Hash Time Lock Contract) dapat menghubungkan saluran pembayaran untuk memperluas ke pembayaran banyak orang, akhirnya membangun jaringan pembayaran yaitu Jaringan Lightning. Melalui saluran pembayaran kecil off-chain, kemudian dengan bantuan perantara membentuk jaringan transaksi, dapat menyelesaikan masalah perluasan jaringan Bitcoin. Penggunaan keseluruhan Jaringan Lightning mengikuti proses "setoran(membangun saluran)→ transaksi Jaringan Lightning(memperbarui status saluran)→ pengembalian dana/pembayaran(menyelesaikan saluran)"; secara teoritis, Jaringan Lightning dapat memproses satu juta transaksi per detik.

Garis waktu:

• Pada bulan Februari 2015, Joseph Poon dan Thaddeus Dryja merilis draf buku putih jaringan lightning;
• Versi resmi whitepaper dirilis pada Januari 2016 dan didirikan