Analisis Kedalaman Perluasan off-chain

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

1. Kebutuhan untuk Perluasan

Masa depan blockchain adalah visi yang luar biasa: desentralisasi, keamanan, dan skalabilitas; tetapi biasanya blockchain hanya dapat memenuhi dua di antaranya, dan memenuhi ketiga persyaratan ini disebut sebagai masalah segitiga ketidakmungkinan blockchain. Selama bertahun-tahun, orang telah mengeksplorasi bagaimana menyelesaikan tantangan ini, bagaimana meningkatkan throughput dan kecepatan transaksi blockchain dengan menjamin desentralisasi dan keamanan, yaitu menyelesaikan masalah skalabilitas, yang merupakan salah satu topik hangat yang dibahas dalam proses pengembangan blockchain saat ini.

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

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

Fork keras pertama dari jaringan Bitcoin muncul dari masalah skalabilitas. Seiring dengan meningkatnya jumlah pengguna dan volume transaksi Bitcoin, jaringan Bitcoin dengan batas maksimum 1MB per blok mulai menghadapi masalah kemacetan; sejak 2015, komunitas Bitcoin telah memiliki perbedaan pendapat mengenai masalah skalabilitas, satu pihak diwakili oleh Bitcoin ABC yang mendukung perluasan blok, sementara pihak lainnya diwakili oleh Bitcoin Core yang mendukung blok kecil, berpendapat bahwa sebaiknya menggunakan solusi Segwit untuk mengoptimalkan struktur rantai utama. Pada 1 Agustus 2017, Bitcoin ABC mulai menjalankan sistem klien yang dikembangkan sendiri hingga 8MB, yang menyebabkan munculnya fork keras besar pertama dalam sejarah Bitcoin dan melahirkan jenis koin baru BCH.

Demikian pula, jaringan Ethereum juga memilih untuk mengorbankan sebagian dari skalabilitasnya untuk menjaga keamanan dan desentralisasi jaringan; meskipun jaringan Ethereum tidak membatasi volume transaksi dengan membatasi ukuran blok seperti jaringan Bitcoin, tetapi secara tidak langsung berubah menjadi menetapkan batas atas untuk biaya bahan bakar yang dapat ditampung dalam satu blok, tetapi tujuannya adalah untuk mencapai Konsensus Tanpa Kepercayaan dan memastikan distribusi node yang luas ( baik dengan membatalkan maupun meningkatkan batas akan menghilangkan banyak node kecil yang kekurangan bandwidth, penyimpanan, dan komputasi ).

Dari CryptoKitties pada tahun 2017, musim DeFi, hingga munculnya aplikasi on-chain seperti GameFi dan NFT, permintaan pasar untuk throughput terus meningkat, tetapi bahkan Ethereum yang Turing lengkap 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, masalah skalabilitas blockchain perlu segera diatasi. Solusi skalabilitas dalam keadaan ideal adalah: tanpa mengorbankan desentralisasi dan keamanan, dapat meningkatkan kecepatan transaksi jaringan blockchain ( waktu finalitas yang lebih pendek ) dan throughput transaksi ( TPS yang lebih tinggi ).

2. Kategori Rencana Perluasan

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

2.1 Ekspansi on-chain

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

Ada berbagai solusi untuk skalabilitas on-chain, artikel ini tidak akan membahasnya lebih lanjut, berikut adalah dua solusi yang disebutkan secara singkat:

• Pilihan satu adalah memperbesar ruang blok, yaitu menambah jumlah transaksi yang dibundel dalam setiap blok, tetapi ini akan meningkatkan persyaratan untuk perangkat node berkinerja tinggi, meningkatkan ambang batas untuk bergabungnya node, dan mengurangi tingkat "desentralisasi".
• Skema kedua adalah pemotongan, membagi buku besar blockchain menjadi beberapa bagian, tidak lagi setiap node berpartisipasi dalam semua pencatatan, tetapi berbeda potongan yaitu node yang berbeda bertanggung jawab untuk pencatatan yang berbeda, perhitungan paralel dapat menangani beberapa transaksi secara bersamaan; ini dapat mengurangi tekanan komputasi pada node dan ambang masuk, meningkatkan kecepatan pemrosesan transaksi dan tingkat desentralisasi; tetapi ini berarti kekuatan komputasi di seluruh jaringan terdistribusi, yang akan menurunkan "keamanan" seluruh jaringan.

Mengubah kode protokol utama dapat menyebabkan dampak negatif yang sulit diprediksi, karena setiap celah keamanan yang halus pada lapisan bawah dapat mengancam keamanan seluruh jaringan secara serius, dan jaringan mungkin terpaksa melakukan fork atau menghentikan pemeliharaan untuk melakukan upgrade. Misalnya, kejadian celah inflasi Zcash tahun 2018: Kode Zcash didasarkan pada modifikasi kode versi Bitcoin 0.11.2, pada tahun 2018 seorang insinyur menemukan adanya celah berbahaya dalam kode dasarnya, yaitu token dapat diproduksi tanpa batas, dan tim menghabiskan waktu 8 bulan untuk perbaikan secara diam-diam, dan baru setelah perbaikan celah tersebut, kejadian ini diumumkan.

2.2 off-chain Scalability

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

Rencana ekspansi off-chain dapat dibagi lagi menjadi Layer2 dan rencana lainnya:

3. Rencana perluasan 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 melakukan interaksi antara pengguna secara off-chain, untuk mengurangi waktu dan biaya transaksi pengguna, serta untuk memungkinkan jumlah transaksi tidak terbatas.

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

Dengan demikian, 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 whitepaper jaringan Lightning.
• 2015/11, Jeff Coleman pertama kali secara sistematis merangkum konsep State Channel, mengusulkan bahwa Payment Channel Bitcoin adalah salah satu sub-kasus dari konsep State Channel.
• 2016/01, Joseph Poon dan Thaddeus Dryja secara resmi menerbitkan whitepaper "The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments" yang mengusulkan solusi skala untuk jaringan Bitcoin, Payment Channel( saluran pembayaran), yang hanya digunakan untuk memproses pembayaran transfer di jaringan Bitcoin.
• 2017/11, spesifikasi desain pertama yang berkaitan dengan State Channel berdasarkan kerangka Payment Channel, Sprites, diajukan.
• 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-Pihak Channels, Nitro adalah protokol pertama yang dibangun berdasarkan ide tersebut.
• 2019/10, Pisa untuk menyelesaikan masalah semua peserta yang perlu terus online, memperluas konsep Watchtowers.
• 2020/03, Hydra mengusulkan Fast Isomorphic Channels.

3.1.3 Prinsip Teknologi

Gambar 1 menunjukkan alur kerja tradisional di blockchain: Alice dan Bob berinteraksi dengan kontrak pintar yang dikerahkan di jaringan utama, pengguna mengubah status kontrak pintar dengan mengirimkan transaksi ke blockchain. Kekurangan dari metode ini adalah akan membawa masalah waktu dan biaya yang telah dibahas di atas.

Gambar 2 menunjukkan alur kerja umum yang diikuti oleh sebagian besar protokol saluran status: Dalam kasus optimis, Alice dan Bob perlu melakukan operasi yang sama seperti sebelumnya, tetapi kali ini mereka menggunakan saluran status, bukan berinteraksi dengan kontrak on-chain.

• Langkah pertama, Alice dan Bob berinteraksi dengan menyetor dana dari EOA pribadi mereka ke alamat kontrak on-chain (, 1,2), dana ini terkunci dalam kontrak hingga saldo dikembalikan kepada pengguna saat saluran ditutup; setelah kedua pihak menandatangani konfirmasi, saluran status resmi dibuka antara mereka.
• Langkah kedua, Alice dan Bob secara teoritis dapat melakukan transaksi tanpa batas di luar rantai melalui saluran tersebut ( garis putus-putus biru ), peserta saling berkomunikasi melalui pesan yang ditandatangani secara kriptografis ( alih-alih berkomunikasi dengan jaringan blockchain ). Kedua pengguna harus menandatangani setiap transaksi untuk mencegah penipuan ganda. Melalui pesan ini, mereka mengajukan pembaruan status akun mereka dan menerima pembaruan status yang diajukan oleh pihak lain.
• Langkah ketiga, jika Alice ingin menutup saluran dan mengakhiri transaksi dengan Bob, Alice perlu mengajukan status akhir akun dirinya ( interaksi 3) kepada kontrak. Jika Bob menandatangani persetujuan, kontrak akan melepaskan dana yang terkunci berdasarkan status akhir kembali kepada pengguna yang sesuai ( interaksi 4,5). Jika Bob tidak merespons tanda tangan, kontrak akan melepaskan dana yang terkunci kembali kepada pengguna yang sesuai setelah periode tantangan berakhir.

Gambar 3 menunjukkan alur kerja saluran status dalam situasi pesimistis: Pada awalnya, dua peserta menyetor dana ( interaksi 1,2), kemudian mulai bertukar pembaruan status ( garis putus-putus biru ). Misalkan pada suatu waktu, Bob tidak merespons tanda tangan pembaruan status yang dikirimkan Alice ( interaksi 3), pada saat ini, Alice dapat memulai tantangan dengan mengajukan status valid terakhirnya kepada kontrak ( interaksi 4), status valid ini juga mencakup tanda tangan Bob sebelumnya, sehingga membuktikan bahwa transaksi terakhir telah disetujui oleh Bob dan status terakhir telah dikonfirmasi oleh Bob. Selanjutnya, kontrak mengizinkan Bob untuk merespons dalam waktu tertentu dengan menyerahkan status berikutnya kepada kontrak; jika Bob merespons, maka kedua pihak dapat melanjutkan transaksi di saluran status; jika Bob tidak merespons dalam jangka waktu tersebut, kontrak secara otomatis menutup saluran status dan mengembalikan dana kepada Alice ( interaksi 5).

3.1.4 Kelebihan dan Kekurangan

Keunggulan:

• Konfirmasi transaksi instan
• Tingkat throughput yang tinggi
• Biaya rendah
• Privasi Tinggi

Kekurangan:

• Perlu mengunci dana
• Pengguna perlu sering online
• Kompleksitas meningkat

3.1.5 Aplikasi

Jaringan Lightning Bitcoin

Ringkasan:

Jaringan Lightning adalah saluran pembayaran kecil di jaringan Bitcoin, yang evolusi teknologinya secara keseluruhan mengalami: 2/2 multi-tanda tangan membangun saluran pembayaran satu arah, menambah RSMC.