Обширный отчет: Полный анализ вне блокчейна масштабирования

Автор: Эллейн Сюй, Хетти Цзян, Джун Ван, Уалон Лин, Ийлю Лин

1. Необходимость расширения

Будущее блокчейна — это грандиозное видение: децентрализация, безопасность и масштабируемость; но обычно блокчейн может реализовать только два из них. Удовлетворение всех трех требований называется невозможной треугольной проблемой блокчейна. На протяжении многих лет люди искали решения этой задачи, как повысить пропускную способность и скорость транзакций блокчейна при обеспечении децентрализации и безопасности, то есть решить проблему масштабирования, что является одной из актуальных тем обсуждения в процессе развития блокчейна.

Давайте сначала обобщенно определим децентрализацию, безопасность и масштабируемость блокчейна:

• Децентрализация: любой может стать узлом и участвовать в производстве и проверке блокчейн-системы, чем больше узлов, тем выше степень децентрализации, что обеспечивает защиту сети от контроля небольшой группы крупных централизованных участников.
• Безопасность: чем выше затраты на получение контроля над блокчейн-системой, тем выше безопасность, и тем больше сеть может сопротивляться атакам со стороны значительного числа участников.
• Масштабируемость: способность блокчейна обрабатывать большое количество транзакций.

Первый значительный хард-форк сети Биткойн произошел из-за проблемы масштабируемости. С увеличением числа пользователей Биткойна и объема транзакций сеть Биткойн, ограниченная размером блока в 1 МБ, начала сталкиваться с проблемами перегруженности; начиная с 2015 года, в сообществе Биткойн возникли разногласия по проблеме масштабируемости: одна сторона, представляемая Bitcoin ABC, поддерживала расширение блоков, в то время как другая сторона, представляемая Bitcoin Core, выступала за использование решения Segwit для оптимизации структуры основной цепи. 1 августа 2017 года клиентская система Bitcoin ABC, разработанная самостоятельно до 8 МБ, начала работать, что привело к появлению первого значительного хард-форка в истории Биткойн и, таким образом, к рождению новой криптовалюты BCH.

Таким образом, сеть Ethereum также выбрала пожертвовать частью своей способности к масштабированию для обеспечения безопасности и децентрализации сети; хотя сеть Ethereum не ограничивает объем транзакций, как это делает сеть Bitcoin, ограничивая размер блока, но фактически она преобразуется в установление предела на топливо, которое может содержать один блок, однако цель остается той же: достичь Trustless Consensus и обеспечить широкое распределение узлов (. Независимо от того, отменяется ли или повышается лимит, это приведет к исключению множества меньших узлов, у которых недостаточно пропускной способности, хранилищ и вычислительных мощностей ).

С 2017 года, начиная с CryptoKitties, DeFi лета, и позже с появлением GameFi и NFT, спрос на пропускную способность на рынке неуклонно возрастает. Однако даже Тьюринг-полноценный Ethereum способен обрабатывать только 15~45 транзакций в секунду (TPS). Это приводит к тому, что стоимость транзакций постоянно растет, время расчета увеличивается, и большинству Dapps трудно нести эксплуатационные расходы. Вся сеть становится медленной и дорогой для пользователей, и проблема масштабируемости блокчейна требует срочного решения. Идеальным решением масштабируемости является: повышение скорости транзакций блокчейн-сети ( более короткое время финализации ) и пропускная способность транзакций ( более высокий TPS) без жертвы децентрализации и безопасности.

! Подробный исследовательский отчет из 10 000 слов: всесторонний анализ расширения вне сети

2. Категории решений по масштабированию

Мы классифицируем планы по расширению на две основные категории: расширение на блокчейне и расширение вне блокчейна, основываясь на стандарте "изменится ли уровень основной сети".

2.1 Масштабирование в блокчейне

Основная концепция: решение, достигающее эффекта масштабирования через изменение уровня протокола основной сети, в настоящее время основным решением являются шардирование.

Существует несколько решений для расширения в блокчейне, в данной статье они не будут подробно рассмотрены, приведены лишь два основных варианта:

• План один — это расширение пространства блока, то есть увеличение количества транзакций, упакованных в каждом блоке, но это повысит требования к высокопроизводительному оборудованию узлов, увеличит порог входа для узлов и снизит степень "децентрализации".
• Решение два — это шардирование, которое делит блокчейн-реестр на несколько частей, при этом не каждый узел участвует в ведении всех записей, а разные шарди, то есть разные узлы, отвечают за разные записи. Параллельные вычисления могут обрабатывать несколько транзакций одновременно; это может снизить вычислительное давление на узлы и порог входа, повысить скорость обработки транзакций и уровень децентрализации; но это означает, что вычислительная мощность сети распределяется, что может снизить "безопасность" всей сети.

Изменение кода протокола основной сети на одном уровне может привести к непредсказуемым негативным последствиям, поскольку любые незначительные уязвимости в безопасности на нижнем уровне могут серьезно угрожать безопасности всей сети; сеть может быть вынуждена провести форк или прервать обновление для исправления. Например, инцидент с инфляционной уязвимостью Zcash в 2018 году: код Zcash был изменен на основе кода версии Bitcoin 0.11.2, и в 2018 году один инженер обнаружил высокую уязвимость в его исходном коде, а именно возможность бесконечного эмитирования токенов; команда потратила 8 месяцев на секретное исправление, и только после исправления уязвимости этот инцидент был обнародован.

2.2 вне блокчейна расширение

Ключевая концепция: решение для масштабирования, не изменяющее существующий протокол основной сети первого уровня.

вне блокчейна расширение решения может быть дополнительно разделено на Layer2 и другие решения:

! Подробный исследовательский отчет из 10 000 слов: всесторонний анализ расширения вне сети

3. Вне блокчейна расширение схемы

3.1 Государственные каналы

3.1.1 Обзор

Состояние канала предполагает, что пользователям необходимо взаимодействовать с основной сетью только при открытии, закрытии или разрешении споров, а взаимодействие между пользователями происходит вне блокчейна, что позволяет снизить временные и финансовые затраты пользователей на транзакции и обеспечить неограниченное количество транзакций.

Состояние канала — это простой P2P протокол, подходящий для "приложений на основе раундов", таких как игра в шахматы для двоих. Каждый канал управляется мультиподписным смарт-контрактом, работающим в основной сети, который контролирует активы, внесенные в канал, проверяет обновления состояния и разрешает споры между участниками ( на основе доказательства мошенничества с подписью и временной меткой ). После развертывания контракта в блокчейн-сети участники вносят средства и блокируют их, и после подписи обеих сторон канал официально открывается. Канал позволяет участникам проводить неограниченное количество бесплатных транзакций вне блокчейна (, при условии, что их чистая стоимость переводов не превышает общей суммы внесенных токенов ). Участники поочередно отправляют обновления состояния друг другу, ожидая подписи от другой стороны. Как только другая сторона подтверждает подписью, обновление состояния считается завершенным. В нормальных условиях обновления состояния, согласованные обеими сторонами, не загружаются в основную сеть, и только в случае спора или закрытия канала они будут зависеть от подтверждения основной сети. Когда необходимо закрыть канал, любой из участников может подать запрос на транзакцию в основной сети, если запрос на выход получает единогласное одобрение подписей, транзакция немедленно выполняется в блокчейне, то есть смарт-контракт распределяет оставшиеся заблокированные средства в соответствии с остатками каждого участника на конечном состоянии канала; если другие участники не одобряют подпись, всем придется ждать окончания "периода вызова", чтобы получить оставшиеся средства.

Таким образом, решение по состоянию канала может значительно уменьшить вычислительные нагрузки основной сети, повысить скорость транзакций и снизить их стоимость.

3.1.2 Хронология

• 2015/02, Joseph Poon и Thaddeus Dryja опубликовали черновик белой книги сети Lightning.
• 2015/11, Джефф Коулман впервые систематически изложил концепцию State Channel и предложил, что Payment Channel биткойна является подкатегорией концепции State Channel.
• 2016/01, Joseph Poon и Thaddeus Dryja официально опубликовали белую книгу «The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments», в которой предложено решение для масштабирования сети Биткойн – Payment Channel(, этот механизм предназначен исключительно для обработки платежей по переводу в сети Биткойн.
• Ноябрь 2017 года, первая проектная спецификация State Channel на основе фреймворка Payment Channel, известная как Sprites, была предложена.
• 2018/06, Counterfactual предложил очень подробный дизайн Обобщенных Каналов Состояний, это первый полностью связанный с каналами состояния дизайн.
• В октябре 2018 года в статье Generalised State Channel Networks была предложена концепция State Channel Networks и Virtual Channels.
• 2019/02, концепция канала состояния была расширена до N-Party Channels, Nitro является первым протоколом, основанным на этой идее.
• 2019/10, Pisa расширила концепцию Watchtowers, чтобы решить проблему постоянного онлайн-присутствия всех участников.
• 2020/03, Hydra предложила Быстрые Изоморфные Каналы.

! [Подробный исследовательский отчет из 10 000 слов: всесторонний анализ масштабирования вне сети])https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-ead28de03be9fc22dcfe3f679ee36bc5.webp(

3.1.3 Технический принцип

Общий рабочий процесс канала состояния:

1. Алиса и Боб вносят средства с личного EOA на адрес контракта в блокчейне, эти средства блокируются в контракте до тех пор, пока канал не будет закрыт, после чего остаток возвращается пользователю; после подтверждения подписей двух сторон, статус-канал между ними официально открывается.

2. Алиса и Боб теоретически могут проводить неограниченное количество транзакций вне блокчейна через этот канал, участники обмениваются зашифрованными подписанными сообщениями ), а не общаются с сетью блокчейна (. Оба пользователя должны подписывать каждую транзакцию, чтобы предотвратить злоупотребления двойным расходованием. С помощью этих сообщений они предлагают обновления состояния своих аккаунтов и принимают предложенные обновления состояния от друг друга.

3. Если Алиса хочет закрыть канал и завершить сделку с Бобом, Алиса должна представить контракту окончательное состояние своего аккаунта. Если Боб подпишет и одобрит, контракт освободит заблокированные средства и вернет их соответствующему пользователю в соответствии с окончательным состоянием. Если Боб не ответит подписью, контракт освободит заблокированные средства и вернет их соответствующему пользователю по истечении периода оспаривания.

! [Подробный исследовательский отчет на 10 000 слов: всесторонний анализ масштабирования вне сети])https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-ad088ac016d75b1ae0b0eda699e74709.webp(

3.1.4 Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Мгновенная подтверждаемость
• Низкая стоимость
• Высокая конфиденциальность
• Не нужно доверять третьим лицам

Недостатки:

• Необходимо быть онлайн несколько раз
• Невозможно обработать массовый вывод
• Необходимо заранее заблокировать средства
• Не подходит для сложных приложений

3.1.5 Приложение

Биткойн-Лайтнинг сеть

Обзор: Сеть Lightning - это каналы мелких платежей в сети Биткойн, ее общая технологическая эволюция включает: 2/2 многоподписное создание одностороннего платежного канала, добавление RSMC ) Revocable Sequence Maturity Contract ( позволяет создать двусторонний платежный канал, затем добавление HTLC ) Hash Time Lock Contract ( позволяет расширить платежные каналы на несколько участников, в конечном итоге создавая платежную сеть, то есть сеть Lightning. Через вне блокчейна каналы мелких платежей, затем с помощью посредников формируется торговая сеть, что может решить проблему масштабируемости сети Биткойн. Общая схема использования сети Lightning следует процессу "депозит ) создание канала ( → транзакция сети Lightning ) обновление состояния канала ( → возврат / расчет ) завершение канала ("; теоретически сеть Lightning может обрабатывать миллион транзакций в секунду.

Временная линия:

• Февраль 2015 года, опубликован черновик белой книги
• Январь 2016 года, выпущена официальная версия белой книги и основана Lightning Labs
• В марте 2018 года был выпущен первый релиз основной сети
• В 2021 году несколько бирж поддержали принятие Эль-Сальвадора
• В 2022 году дальнейшее развитие экосистемы

Экологическое развитие:

• Основной уровень: BTC сеть
• Основная инфраструктура: решения для сети Lightning, узлы и услуги ликвидности
• Верхние приложения: платежи, финансовые услуги и другие виды приложений

! [Подробный исследовательский отчет на 10 000 слов: всесторонний анализ масштабирования вне сети])https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-815c5eb2bdba725e04eebe67b22d42aa.webp(

Эфирная сеть молний

Обзор: Сеть Raiden основана на Ethereum и представляет собой каналы малых платежей, подобно сети Lightning, с целью достижения практически мгновенных, низкозатратных и масштабируемых платежей токенов ERC20.

Временная шкала:

• Основан в 2017 году
• ICO в октябре 2017 года
• Запуск основной сети в мае 2020 года
• В конце 2021 года несколько бирж сняли токены

В настоящее время не широко используется, причины включают:

1. высокий порог входа
2. появилось раньше