Expansão fora da cadeia: Análise Profundidade

1. A necessidade de escalabilidade

O futuro da blockchain é uma visão grandiosa: descentralização, segurança e escalabilidade; mas frequentemente a blockchain só consegue realizar dois desses aspectos, e atender a esses três requisitos é conhecido como o problema do triângulo impossível da blockchain. Durante anos, as pessoas têm explorado como resolver esse dilema, como aumentar a capacidade de processamento e a velocidade das transações da blockchain, garantindo a descentralização e a segurança, ou seja, resolver o problema da escalabilidade, que é um dos tópicos mais debatidos no processo de desenvolvimento atual da blockchain.

Vamos primeiro definir de forma geral a descentralização, segurança e escalabilidade da blockchain:

• Descentralização: qualquer pessoa pode se tornar um nó para participar da produção e validação do sistema de blockchain, quanto mais nós houver, maior será o grau de descentralização, garantindo assim que a rede não esteja sob o controle de um pequeno grupo de grandes participantes centralizados.
• Segurança: Quanto maior o custo para obter o controle do sistema de blockchain, maior será a segurança, permitindo que a cadeia resista a ataques de uma proporção maior de participantes.
• Escalabilidade: a capacidade da blockchain de processar um grande número de transações.

A primeira grande bifurcação do sistema Bitcoin ocorreu devido a problemas de escalabilidade. À medida que o número de usuários e o volume de transações do Bitcoin aumentavam, a rede Bitcoin, com um limite de 1MB por bloco, começou a enfrentar problemas de congestionamento; desde 2015, a comunidade Bitcoin tem divergências sobre a questão da escalabilidade, com um lado representado pelo Bitcoin ABC, que apoia a ampliação do bloco, e o outro lado representado pelo Bitcoin Core, que defende a utilização da solução Segwit para otimizar a estrutura da cadeia principal. Em 1 de agosto de 2017, o Bitcoin ABC começou a operar um sistema cliente desenvolvido por si mesmo com capacidade de 8MB, resultando na primeira grande bifurcação da história do Bitcoin e dando origem ao novo ativo BCH.

Da mesma forma, a rede Ethereum também optou por sacrificar uma parte da escalabilidade para garantir a segurança e a descentralização da rede; embora a rede Ethereum não tenha limitado o volume de transações como a rede Bitcoin, restringindo o tamanho do bloco, mas sim mudando indiretamente para definir um teto sobre a taxa de combustível que um único bloco pode acomodar, o objetivo é o mesmo: alcançar o Consenso Sem Confiança e garantir a ampla distribuição dos nós. Quer se cancele ou se aumente o limite, muitos nós menores com largura de banda, armazenamento e capacidade de computação insuficientes serão eliminados.

Desde o CryptoKitties em 2017, o verão DeFi, até o surgimento posterior de aplicações em cadeia como GameFi e NFT, a demanda do mercado por profundidade tem aumentado constantemente. No entanto, mesmo o Ethereum, que é Turing completo, consegue processar apenas 15 a 45 transações por segundo (TPS), o que resulta em um aumento constante nos custos de transação, tempos de liquidação mais longos, e a maioria dos Dapps enfrentando dificuldades para suportar os custos operacionais. Isso torna toda a rede lenta e cara para os usuários, e o problema da escalabilidade da blockchain precisa ser resolvido urgentemente. A solução ideal de escalabilidade é: aumentar a velocidade das transações da rede blockchain ( um tempo de finalização mais curto) e uma maior profundidade de transações(, sem sacrificar a descentralização e a segurança.

2. Categorias de soluções de escalabilidade

Nós dividimos os planos de expansão em duas grandes categorias: expansão em cadeia e expansão fora da cadeia, com base no critério "se muda ou não uma camada da mainnet".

) 2.1 Expansão em cadeia

Conceito chave: solução que atinge o efeito de escalabilidade através da alteração de uma camada do protocolo da rede principal, sendo a principal solução atualmente a fragmentação.

A expansão na cadeia tem várias soluções, este artigo não será desenvolvido, a seguir são listadas brevemente duas soluções:

• A opção um é expandir o espaço do bloco, ou seja, aumentar o número de transações empacotadas em cada bloco, mas isso aumentará os requisitos para dispositivos de nós de alto desempenho, elevando a barreira de entrada para os nós e reduzindo o grau de "descentralização".
• A solução dois é a fragmentação, que divide o livro-razão da blockchain em várias partes, não sendo necessário que cada nó participe de todos os registros, mas sim que diferentes fragmentos, ou seja, diferentes nós, sejam responsáveis por diferentes registros, permitindo que cálculos em paralelo possam processar várias transações ao mesmo tempo; isso pode reduzir a pressão computacional sobre os nós e o limiar de entrada, além de aumentar a velocidade de processamento das transações e o grau de descentralização; mas isso significa que a capacidade de computação da rede é distribuída, o que pode reduzir a "segurança" de toda a rede.

Alterar o código do protocolo principal de uma camada pode ter efeitos negativos imprevistos, pois qualquer pequena vulnerabilidade de segurança subjacente pode ameaçar seriamente a segurança de toda a rede, podendo a rede ser forçada a realizar um fork ou a interromper a atualização para correção. Por exemplo, o incidente de vulnerabilidade de inflação do Zcash em 2018: o código do Zcash foi modificado a partir da versão 0.11.2 do Bitcoin, e em 2018 um engenheiro descobriu uma vulnerabilidade crítica no código subjacente, ou seja, os tokens podiam ser emitidos infinitamente, e a equipe levou 8 meses para realizar um conserto secreto, tendo divulgado o incidente apenas após a correção da vulnerabilidade.

( 2.2 fora da cadeia expansão

Conceito central: solução de escalabilidade que não altera o protocolo da camada principal existente.

A solução de escalabilidade fora da cadeia pode ser subdividida em Layer2 e outras soluções:

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3. Fora da cadeia de soluções de escalabilidade

3.1 Canais de Estado

(# 3.1.1 Resumo

Os canais de estado estabelecem que os usuários só precisam interagir com a rede principal quando o canal é aberto, fechado ou quando há uma resolução de disputa, e que a interação entre usuários deve ser realizada fora da cadeia, a fim de reduzir o tempo e o custo financeiro das transações dos usuários, além de permitir que o número de transações não tenha limites.

Os canais de estado são protocolos P2P simples, adequados para "aplicações baseadas em turnos", como um jogo de xadrez entre duas pessoas. Cada canal é gerido por um contrato inteligente multi-assinatura que opera na rede principal, e esse contrato controla os ativos depositados no canal, valida as atualizações de estado e arbitra disputas entre os participantes ) com base em provas de fraude com assinatura e carimbo de data/hora ###. Após a implementação do contrato na rede blockchain, os participantes depositam um montante de fundos e bloqueiam, e após a confirmação da assinatura de ambas as partes, o canal é oficialmente aberto. O canal permite transações gratuitas fora da cadeia entre os participantes sem limite de número ### desde que o valor líquido das transferências não exceda o total de tokens depositados (. Os participantes alternam o envio de atualizações de estado um ao outro, aguardando a confirmação da assinatura do outro. Uma vez que a assinatura do outro é confirmada, a atualização de estado é considerada concluída. Normalmente, as atualizações de estado acordadas por ambas as partes não são enviadas para a rede principal; apenas em caso de disputas ou encerramento do canal é que se recorre à confirmação da rede principal. Quando é necessário fechar o canal, qualquer participante pode solicitar uma transação na rede principal; se o pedido de saída receber aprovação por assinatura unânime, é executado imediatamente na cadeia, ou seja, o contrato inteligente distribui os fundos bloqueados restantes com base no saldo de cada participante no estado final do canal; se outros participantes não aprovarem com assinatura, todos devem aguardar o término do "período de contestação" para receber os fundos restantes.

Em suma, a solução de canal de estado pode reduzir significativamente a carga computacional da rede principal, aumentar a velocidade das transações e diminuir os custos das transações.

)# 3.1.2 Linha do tempo

• 2015/02, Joseph Poon e Thaddeus Dryja publicaram o rascunho do white paper da Lightning Network.
• 2015/11, Jeff Coleman fez a primeira síntese sistemática do conceito de State Channel, propondo que o Payment Channel do Bitcoin é um subcaso do conceito de State Channel.
• 2016/01, Joseph Poon e Thaddeus Dryja publicaram oficialmente o white paper "The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments" propondo uma solução de escalabilidade para a rede Lightning do Bitcoin, chamada Payment Channel(, que é usada apenas para processar pagamentos de transferências na rede Bitcoin.
• 2017/11, a primeira norma de design sobre State Channel baseada na estrutura Payment Channel, Sprites, foi proposta.
• 2018/06, Counterfactual apresentou um design muito detalhado de Canais de Estado Generalizados, que é o primeiro design totalmente relacionado a canais de estado.
• 2018/10, o artigo Generalised State Channel Networks introduziu os conceitos de State Channel Networks e Virtual Channels.
• 2019/02, o conceito de canais de estado foi expandido para N-Party Channels, Nitro é o primeiro protocolo estabelecido com base nessa ideia.
• 2019/10, Pisa, para resolver o problema de todos os participantes precisarem estar continuamente online, expandiu o conceito de Watchtowers.
• 2020/03, Hydra propôs Canais Isomórficos Rápidos.

)# 3.1.3 Princípios técnicos

A Figura 1 mostra o fluxo de trabalho tradicional na cadeia: Alice e Bob interagem com contratos inteligentes implantados na mainnet, e os usuários alteram o estado do contrato inteligente enviando transações para a cadeia. A desvantagem é que isso traz os problemas de tempo e custo discutidos acima.

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A Figura 2 mostra o fluxo de trabalho geral que a maioria dos protocolos de canais de estado segue: em um cenário otimista, Alice e Bob precisam executar a mesma operação que antes, mas desta vez usam um canal de estado, em vez de interagir com um contrato na cadeia.

• Primeiro passo, Alice e Bob interagem ao depositar fundos de suas contas EOA pessoais para o endereço do contrato na cadeia ), 1,2###, esses fundos são bloqueados no contrato até que o canal seja fechado, momento em que o saldo é retornado ao usuário; após a confirmação da assinatura, o canal de estado entre os dois é oficialmente aberto.
• Segundo passo, Alice e Bob podem teoricamente realizar transações ilimitadas fora da cadeia através deste canal ( linha azul pontilhada ), os participantes comunicam-se entre si através de mensagens assinadas criptograficamente ( em vez de comunicarem-se com a rede de blockchain ). Ambos os usuários precisam assinar cada transação para evitar fraudes de dupla despesa. Através dessas mensagens, eles propõem atualizações de estado de suas contas e aceitam as atualizações de estado propostas pelo outro.
• Terceiro passo, se Alice quiser fechar o canal e terminar a transação com Bob, Alice precisa submeter o estado final de sua conta ( para o contrato, interagindo 3). Se Bob aprovar com a assinatura, o contrato liberará os fundos bloqueados de acordo com o estado final, retornando ao usuário correspondente (, interagindo 4,5). Se Bob não responder com a assinatura, o contrato liberará os fundos bloqueados de volta ao usuário correspondente após o término do período de contestação.

A Figura 3 mostra o fluxo de trabalho de um canal de estado em um cenário pessimista: inicialmente, dois participantes depositam fundos ( interação 1, 2), e então começam a trocar atualizações de estado ( linha azul pontilhada ). Suponha que em algum momento, Bob não responda à atualização de estado assinada enviada por Alice ( interação 3), nesse momento, Alice pode iniciar um desafio ao submeter ao contrato seu último estado válido ( interação 4), este estado válido também contém a assinatura anterior de Bob, provando que a última transação foi aprovada por Bob e que o estado final foi confirmado por Bob. Então, o contrato permite que Bob responda dentro de um determinado período, submetendo o próximo estado ao contrato; se Bob responder, os dois podem continuar a negociar dentro do canal de estado; se Bob não responder dentro desse período, o contrato fecha automaticamente o canal de estado e devolve os fundos a Alice ( interação 5).

(# 3.1.4 Vantagens e desvantagens

Vantagens:

• Imediata: transações fora da cadeia podem ser confirmadas imediatamente, sem necessidade de esperar pela confirmação do bloco
• Alta taxa de transferência: apenas é necessário interagir com a mainnet quando o canal é aberto e fechado, o que aumenta significativamente a taxa de transferência.
• Baixo custo: as transações fora da cadeia não precisam de pagar taxas de minerador, apenas é necessário pagar uma pequena taxa quando o canal é aberto e fechado.
• Privacidade: o conteúdo das transações fora da cadeia não será registrado na cadeia, apenas o estado final será submetido à mainnet.

Desvantagens:

• Complexidade: a implementação e uso dos canais de estado é bastante complexa
• Locking de liquidez: é necessário bloquear antecipadamente uma certa quantidade de fundos
• Requisitos online: os participantes precisam estar online para responder ao estado mais recente
• Escopo limitado: principalmente aplicável a cenários de interação frequente entre as partes.

)# 3.1.5 Aplicação

Rede Lightning do Bitcoin:

Resumo: A Lightning Network é um canal de pagamento de baixo valor na rede Bitcoin, cuja evolução técnica geral passou por: construção de pagamento unidirecional 2/2 multi-assinatura.