Explicação Profunda da Expansão fora da cadeia

1. A necessidade de expansão

A visão futura da blockchain é alcançar a descentralização, segurança e escalabilidade. Mas geralmente só é possível atender a dois desses aspectos, o que é conhecido como o problema do triângulo impossível da blockchain. Atualmente, um dos tópicos quentes no desenvolvimento da blockchain é 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.

Definição de 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 maior o número de nós, maior o grau de descentralização.

• Segurança: quanto maior o custo para obter o controle do sistema de blockchain, maior a segurança, a cadeia pode resistir a ataques de uma maior proporção de participantes.

• Escalabilidade: a capacidade da blockchain de processar um grande número de transações.

O primeiro grande hard fork da rede Bitcoin surgiu de problemas de escalabilidade. Com o aumento do número de usuários e do volume de transações, o limite de capacidade de 1MB por bloco causou congestionamento na rede. A partir de 2015, a comunidade Bitcoin começou a ter divergências sobre a escalabilidade, o que finalmente levou ao primeiro grande hard fork do Bitcoin em 1 de agosto de 2017, dando origem ao BCH.

A rede Ethereum também optou por sacrificar uma parte da escalabilidade para garantir segurança e descentralização. Desde os CryptoKitties de 2017, passando pelo verão DeFi e os posteriores GameFi e NFT, a demanda do mercado por throughput tem aumentado constantemente. No entanto, a Ethereum só consegue processar de 15 a 45 transações por segundo, resultando em aumento dos custos de transação e prolongamento do tempo de liquidação, tornando difícil para a maioria dos DApps suportar os custos operacionais. A solução ideal de escalabilidade é aumentar a velocidade e o throughput das transações sem sacrificar a descentralização e a segurança.

2. Tipos de soluções de escalabilidade

De acordo com "se a camada principal da rede será alterada", os planos de escalabilidade podem ser divididos em duas grandes categorias: escalabilidade em cadeia e escalabilidade fora da cadeia.

2.1 Expansão na cadeia

Conceito central: solução que alcança o efeito de escalabilidade ao alterar um nível do protocolo da mainnet, sendo a principal solução atual a fragmentação.

A escalabilidade na cadeia tem principalmente duas soluções:

1. Expandir o espaço do bloco, aumentar o número de transações empacotadas em cada bloco, mas isso aumentará os requisitos dos dispositivos dos nós, reduzindo o nível de descentralização.

2. Fragmentação, dividir o livro razão da blockchain em várias partes, com diferentes nós responsáveis por diferentes registos, pode reduzir a pressão computacional sobre os nós e o limiar de entrada, mas irá reduzir a segurança de toda a rede.

Mudar um protocolo de rede principal pode ter efeitos negativos imprevisíveis, e pequenas vulnerabilidades de segurança na camada subjacente podem ameaçar seriamente a segurança de toda a rede.

2.2 fora da cadeia expansão

Conceito central: solução de escalabilidade que não altera o protocolo da rede principal de camada 1 existente.

A solução de expansão fora da cadeia pode ser dividida em Layer2 e outras soluções:

Layer2:

• Canal de Estado
• cadeia lateral
• Plasma
• Rollups( otimização de Rollup e Rollup de conhecimento zero)

Outros:

• Validium

3. fora da cadeia expansão do plano

3.1 Canais Estaduais

3.1.1 Resumo

Os canais de estado estipulam que os usuários só precisam interagir com a rede principal quando o canal é aberto, fechado ou para resolver disputas. As interações entre usuários ocorrem fora da cadeia, para reduzir o tempo e o custo das transações, permitindo um número ilimitado de transações.

Os canais de estado são protocolos P2P simples, adequados para "aplicações baseadas em turnos", como jogos de xadrez entre duas pessoas. Cada canal é gerido por um contrato inteligente multi-assinatura que opera na rede principal, que controla os ativos depositados no canal, verifica as atualizações de estado e arbitra as disputas entre os participantes. Após a implementação do contrato na rede blockchain, os participantes depositam fundos e os bloqueiam; após ambas as partes assinarem, 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 da transferência não exceda o total de tokens depositados. Os participantes alternam o envio de atualizações de estado e aguardam a confirmação da assinatura do outro. Normalmente, as atualizações de estado acordadas por ambas as partes não são carregadas na rede principal, a confirmação da rede principal só é necessária em caso de disputas ou ao fechar o canal. Ao fechar o canal, qualquer participante pode fazer um pedido de transação na rede principal; se obtiver a aprovação de todos os assinantes, é executado imediatamente, caso contrário, deve aguardar o fim do "período de contestação" para receber os fundos restantes.

Os canais de estado podem reduzir significativamente a carga de cálculo na rede principal, aumentar a velocidade das transações e diminuir os custos de transação.

(## 3.1.2 Linha do Tempo

• 2015/02: Joseph Poon e Thaddeus Dryja publicam 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 State Channel.

• 2016/01: Joseph Poon e Thaddeus Dryja publicaram oficialmente o white paper da Lightning Network do Bitcoin, propondo a solução de escalabilidade Payment Channel.

• 2017/11: Proposta da primeira especificação de design de State Channel baseada no framework Payment Channel, Sprites.

• 2018/06:Counterfactual apresentou um design detalhado dos Canais de Estado Generalizados.

• 2018/10: Proposta dos 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 baseado nessa ideia.

• 2019/10: A Pisa expandiu o conceito de Watchtowers para resolver o problema da permanência online dos participantes.

• 2020/03: Hydra apresentou Canais Isomórficos Rápidos.

)## 3.1.3 Princípios técnicos

Fluxo de trabalho do canal de estado:

1. Alice e Bob abrem um canal de estado ao depositar fundos de EOA para o endereço do contrato na cadeia.

2. Alice e Bob podem realizar transações ilimitadas fora da cadeia, comunicando-se através de mensagens com assinatura criptográfica. Ambas as partes devem assinar cada transação para evitar fraudes de gasto duplo.

3. Se Alice quiser fechar o canal, deve submeter o estado final ao contrato. Se Bob assinar a aprovação, o contrato liberará os fundos bloqueados de acordo com o estado final. Se Bob não responder, o contrato liberará os fundos após o término do período de contestação.

Em um cenário pessimista, se Bob não responder à assinatura de atualização de estado de Alice em uma rodada, Alice pode apresentar o último estado válido ao contrato para iniciar um desafio. O contrato permite que Bob responda enviando o próximo estado dentro de um determinado período. Se Bob responder, as partes podem continuar a negociar; se não responder, o contrato fechará automaticamente o canal e devolverá os fundos a Alice.

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(## 3.1.4 Vantagens e desvantagens

Vantagens:

• Confirmação instantânea
• Alta taxa de transferência
• Baixas taxas
• Boa privacidade

Desvantagens:

• Disponibilidade baixa
• Eficiência de capital baixa
• Difícil de lidar com grandes transações
• Não aplicável a contratos inteligentes complexos

)## 3.1.5 Aplicação

Rede Lightning do Bitcoin:

• Rascunho do whitepaper publicado em fevereiro de 2015
• A versão oficial do white paper foi lançada em janeiro de 2016, Lightning Labs foi fundada
• Lançamento da primeira versão da mainnet LND 0.4 em março de 2018
• Em junho de 2021, El Salvador adotou o Bitcoin como moeda legal, em setembro lançou a carteira da Lightning Network Chivo.
• Em 2022, várias exchanges suportaram depósitos e levantamentos na Lightning Network.
• Em novembro de 2022, a Lightning Network tinha 76.236 canais de pagamento, com um total de 5049 BTC em fundos de canais.

Desenvolvimento ecológico:

• Camada base: Rede BTC
• Infraestrutura central: soluções de rede relâmpago, nós e serviços de liquidez
• Aplicações de nível superior: serviços de pagamento e financeiros, entre outros

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Rede Lightning do Ethereum:

• Fundada em 2017, o fundador é um dos desenvolvedores principais do Ethereum.
• Em Outubro de 2017, o ICO arrecadou mais de 30 milhões de dólares.
• O primeiro Raiden Light Client foi lançado em maio de 2020
• No final de 2021, várias bolsas retiraram o token RDN.

Razões para a não adoção generalizada:

• A barreira de entrada é alta
• Aparecimento de tecnologias de escalonamento mais avançadas

Atualmente, o desenvolvimento do ecossistema está lento, e está sendo transformado em uma solução de escalabilidade que opera na rede Rollup L2 da Ethereum.

Celer Network:

• A essência é aumentar a camada de incentivos da rede Lightning
• Construir DApps de interação de alta frequência rápidas e de baixo custo através de tecnologia de expansão fora da cadeia e modelos econômicos incentivadores.
• Adequado para cenários de alta frequência de interação, como plataformas de esports
• Fundada em 2018, emissão de tokens em março de 2019
• A mainnet do Ethereum foi lançada em julho de 2019
• Atualmente transformou-se em uma plataforma de agregação de escalabilidade L2 que suporta interoperabilidade entre cadeias.

(## 3.1.6 Comparação de Aplicações

Rede Lightning do Bitcoin:

• A implementação do canal de estado mais maduro
• Aplicação ampla, ecologia rica

Rede Lightning do Ethereum:

• Desenvolvimento ecológico estagnado
• Transformação para a solução L2 Rollup

Celer Network:

• A camada de incentivo foi aumentada
• Transformou-se numa plataforma agregadora L2 cross-chain

)# 3.2 Sidechains

3.2.1 Resumo

O conceito de sidechain foi proposto pela primeira vez em 2012 no chat dos desenvolvedores do Bitcoin, e o primeiro artigo relacionado foi publicado em 2014.

As cadeias laterais são uma forma de blockchain que surgiu para acelerar as transações de Bitcoin, podendo utilizar contratos mais complexos ou melhorar o mecanismo de consenso. Os resultados das transações em cadeias laterais serão finalmente registrados no lado dos validadores. Este modelo é uma infraestrutura que está anexada à cadeia principal e ajuda a resolver problemas da cadeia principal.

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(## 3.2.2 Linha do tempo

• 2012/01: O conceito de sidechain do Bitcoin foi proposto em um chat.
• 2014/10: Publicação do artigo sobre sidechains do Bitcoin
• 2017/04: Lançamento da rede de testes POA Network
• 2017/10: Lançamento da Matic Network
• 2017/12:Lançamento da mainnet da POA Network
• 2018/01: Lançamento da rede de testes Skale
• 2018/10: Lançamento da rede de testes xDai Chain
• 2020/06: Lançamento da mainnet Skale
• 2020/06: Lançamento da mainnet da Matic PoS Chain
• 2021/02: Matic foi renomeado para Polygon
• 2021/02: Lançamento da sidechain Ronin do Axie Infinity
• 2021/12: xDai Chain e Gnosis Dao fundiram-se
• 2022/03: A POA Network fundiu-se com a Gnosis Chain

)## 3.2.3 Princípios Técnicos

Existem duas principais formas de comunicação entre a sidechain e a mainchain:

1. Ancoragem Simétrica Bidirecional ###: Os validadores da cadeia principal e da cadeia lateral registam em tempo real o estado atual um do outro. Usando a tecnologia SPV bidirecional, quando os tokens da cadeia principal são enviados para a cadeia lateral, é gerado um Output SPV-Locked, que só pode ser desbloqueado pelos validadores da cadeia lateral com uma prova SPV.

Principais processos:

• O usuário enviará ativos para o endereço especial SPV-Locked Output
• Submeter a prova SPV à cadeia lateral após o período de confirmação
• Aguardar o período do concurso para evitar ataques de double spend
• Após a conclusão, os usuários podem usar os ativos encapsulados recém-emitidos na cadeia lateral.

2. Anexos não coordenados ### Anexos Assimétricos (: Os validadores da cadeia lateral monitorizam em tempo real as atividades da cadeia principal. Quando a cadeia principal transfere fundos para a cadeia lateral, esta pode registrar proativamente, mas quando a cadeia lateral transfere fundos para a cadeia principal, é necessário introduzir o mecanismo de Certificadores. Os Certificadores registram informações chave e validam as transações retornadas da cadeia lateral através de assinaturas agregadas.

Em termos simples, o mecanismo de cadeia lateral: Cadeia lateral: A cadeia principal bloqueia ativos, a cadeia lateral gera ativos encapsulados cadeia principal: a cadeia lateral destrói ativos encapsulados, a cadeia principal desbloqueia ativos

A segurança dos ativos da sidechain depende do mecanismo de consenso da sidechain. Se os ativos gerados pela sidechain não corresponderem aos da mainchain, a destruição desses ativos para solicitar o desbloqueio na mainchain pode apresentar riscos de roubo de fundos.

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)## 3.2.4 Vantagens e desvantagens

Vantagens:

• Alta flexibilidade
• Aliviar a carga da cadeia principal
• Alta escalabilidade
• Boa compatibilidade

Desvantagens:

• Baixa profundidade de descentralização
• A segurança é relativamente baixa
• É necessário confiar nos validadores da sidechain
• Transferência entre cadeias