Величезний Глибина дослідження: всебічний аналіз поза блокчейном розширення

Автори: Елейн Сю, Хетті Цзян, Джун Ванг, Уалон Лін, Іліу Лін

1. Необхідність розширення

Майбутнє блокчейну – це грандіозне бачення: децентралізація, безпека та масштабованість; але зазвичай блокчейн може реалізувати тільки два з цих трьох вимог, одночасне задоволення всіх трьох вимог називається «неможливим трикутником блокчейну». Протягом багатьох років люди досліджували, як вирішити цю проблему, як підвищити пропускну здатність блокчейну та швидкість транзакцій, забезпечуючи при цьому децентралізацію та безпеку, тобто вирішення проблеми масштабування є однією з гарячих тем обговорення в процесі розвитку блокчейну.

Давайте спочатку загально визначимо децентралізацію, безпеку та масштабованість блокчейн-технології:

• Децентралізація: будь-хто може стати вузлом для участі в виробництві та верифікації блокчейн-системи, чим більше вузлів, тим вищий рівень децентралізації, що забезпечує контроль над мережею без впливу невеликої групи великих централізованих учасників.
• Безпека: Чим вищі витрати на отримання контролю над блокчейн-системою, тим вища безпека, отже, ланцюг може протистояти атакам більшої частини учасників.
• Масштабованість: здатність блокчейну обробляти велику кількість транзакцій.

Перше значне хард-форк у мережі біткоїн виникло через проблему масштабування. Зі збільшенням кількості користувачів і обсягів транзакцій у мережі біткоїн, обмеження в 1 МБ на блок почало викликати проблеми з перевантаженням; з 2015 року в біткоїн-спільноті існували розбіжності щодо питання масштабування: одна сторона, представлена Bitcoin ABC, підтримувала розширення блоку, тоді як інша сторона, представлена Bitcoin Core, вважала, що слід використовувати рішення Segwit для оптимізації структури основного ланцюга. 1 серпня 2017 року клієнтська система Bitcoin ABC, розроблена до 8 МБ, почала працювати, що призвело до появи першого значного хард-форку в історії біткоїн, а також до виникнення нової криптовалюти BCH.

Також мережа Ethereum вибрала пожертвувати частиною масштабованості для забезпечення безпеки та децентралізації мережі; хоча мережа Ethereum не обмежує обсяг транзакцій шляхом обмеження розміру блоку, як це робить мережа Bitcoin, вона насправді змінюється у встановленні верхньої межі вартості пального для одного блоку, але мета однакова – досягти Trustless Consensus і забезпечити широке розповсюдження вузлів (. Незалежно від того, чи скасують, чи підвищать ліміт, це призведе до виведення з експлуатації багатьох менших вузлів, які мають недостатню пропускну здатність, зберігання та обчислювальні потужності ).

З 2017 року з CryptoKitties, літнього сезону DeFi, до пізнішого підйому ігор GameFi та NFT, ринок все більше потребує пропускної спроможності, але навіть Тьюринг-повноцінний Ethereum може обробляти лише 15-45 транзакцій на секунду (TPS), що призводить до постійного зростання вартості транзакцій, збільшення часу розрахунків, більшість Dapps важко витримати витрати на експлуатацію, і вся мережа стає повільною та дорогою для користувачів, проблема масштабування блокчейнів потребує термінового вирішення. Ідеальний варіант масштабування: підвищити швидкість транзакцій у мережі блокчейну ( коротший час фіналізації ) і пропускну здатність транзакцій ( з більшою TPS ) без жодної шкоди для децентралізації та безпеки.

! Глибокий звіт про дослідження на 10 000 слів: комплексний аналіз офчейн-експансії

2. Категорії планів розширення

Ми поділяємо плани з розширення на два основні класи: розширення в мережі та розширення поза блокчейном, відповідно до критерію "чи змінюється основна мережа".

2.1 Розширення поза блокчейном

Основна концепція: рішення, яке досягає ефекту масштабування шляхом зміни одного з протоколів основної мережі, наразі основним рішенням є шардінг.

Існує кілька рішень для розширення в мережі, у цій статті не буде розкрито деталі, нижче наведено короткий перелік двох рішень:

• Варіант один - це розширення блок простору, тобто збільшення кількості транзакцій, що упаковуються в кожен блок, але це підвищить вимоги до обладнання високопродуктивних вузлів, підвищить поріг входження для вузлів і знизить рівень "децентралізації".
• Варіант два полягає в шардінгу, що означає розподіл блокчейн-реєстру на кілька частин, при цьому не кожен вузол бере участь у всіх записах, а різні шардінги, тобто різні вузли, відповідають за різні записи, паралельні обчислення можуть одночасно обробляти кілька транзакцій; це дозволяє зменшити навантаження на обчислення вузлів і знизити бар'єри для приєднання, підвищуючи швидкість обробки транзакцій і рівень децентралізації; але це означає, що вся обчислювальна потужність мережі розподіляється, що може знизити "безпеку" всієї мережі.

Зміна коду основного протоколу мережі може призвести до непередбачуваних негативних наслідків, оскільки будь-яка дрібна уразливість у безпеці на нижньому рівні серйозно загрожує безпеці всієї мережі, що може змусити мережу пройти через розгалуження або перервати оновлення для виправлення. Наприклад, інцидент з інфляційною уразливістю Zcash у 2018 році: код Zcash був змінений на основі коду версії Bitcoin 0.11.2, у 2018 році один інженер виявив у його базовому коді небезпечну уразливість, а саме токени могли безмежно випускатися, після чого команда витратила 8 місяців на таємне виправлення, про цей інцидент стало відомо лише після виправлення уразливості.

2.2 поза блокчейном розширення

Основна концепція: рішення для масштабування, яке не змінює існуючий протокол основної мережі першого рівня.

поза блокчейном розширення можна додатково розділити на Layer2 та інші рішення:

! Звіт про глибоке дослідження на 10 000 слів: комплексний аналіз офчейн-експансії

3. Поза блокчейном розширення

3.1 Державні канали

3.1.1 Огляд

Статевий канал передбачає, що лише в момент відкриття, закриття або вирішення суперечок користувачам потрібно взаємодіяти з основною мережею, а взаємодії між користувачами відбуваються поза блокчейном, щоб зменшити час і витрати на транзакції, а також забезпечити необмежену кількість транзакцій.

Стан каналу є простим P2P протоколом, що підходить для "додатків на основі раундів", наприклад, гри в шахи для двох осіб. Кожен канал управляється багатопідписним смарт-контрактом, що працює в основній мережі, який контролює активи, що вносяться до каналу, перевіряє оновлення стану та арбітрує спори між учасниками ( на основі доказів шахрайства з підписом та часовою позначкою ). Учасники після розгортання контракту в блокчейн-мережі вносять кошти та блокують їх; після підписання обома сторонами канал офіційно відкривається. Канал дозволяє учасникам здійснювати необмежену кількість безкоштовних транзакцій поза блокчейном (, поки їхнє чисте значення переказів не перевищує загальну суму внесених токенів ). Учасники по черзі надсилають оновлення стану один одному, чекаючи підтвердження підпису від іншого. Як тільки інша сторона підтвердить підпис, це оновлення стану вважається завершеним. Зазвичай, оновлення стану, погоджені обома сторонами, не завантажуються в основну мережу; лише у випадку спору або закриття каналу основна мережа підтверджує. Коли потрібно закрити канал, будь-який учасник може подати запит на транзакцію в основну мережу; якщо запит на вихід отримав одностайне схвалення підписів, то на ланцюгу він виконується негайно, тобто смарт-контракт розподіляє залишкові заблоковані кошти відповідно до залишку кожного учасника на фінальному стані каналу; якщо інші учасники не дали згоди на підпис, усім потрібно буде дочекатися закінчення "періоду виклику", перш ніж отримати залишкові кошти.

Отже, рішення зі станційними каналами можуть значно зменшити обчислювальне навантаження основної мережі, підвищити швидкість транзакцій та знизити витрати на транзакції.

3.1.2 Хронологія

• 2015/02, Джозеф Пун і Таддеус Дріджа опублікували чернетку білої книги мережі Lightning.
• 2015/11, Джефф Колман вперше систематично підсумував концепцію State Channel, зазначивши, що Payment Channel біткоїна є підкатегорією концепції State Channel.
• 2016/01, Joseph Poon та Thaddeus Dryja офіційно опублікували білу книгу «The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments», в якій запропонували рішення для масштабування біткойн-мережі – Payment Channel( платіжний канал), це рішення використовується лише для обробки переказів на біткойн-мережі.
• 2017/11, перша специфікація дизайну State Channel під рамках Payment Channel, що називається Sprites, була представлена.
• 2018/06, Counterfactual представив дуже детальний дизайн Generalized State Channels, це перший повністю пов'язаний із каналами стану дизайн.
• У жовтні 2018 року в статті «Узагальнені державні мережі каналів» була запропонована концепція державних канальних мереж і віртуальних каналів.
• 2019/02, концепція статусних каналів розширена до N-Party Channels, Nitro є першим протоколом, створеним на основі цієї ідеї.
• 2019/10, Pisa для вирішення проблеми, що всі учасники повинні бути постійно онлайн, розширила концепцію Watchtowers.
• 2020/03, Hydra запропонувала Швидкі ізоморфні канали.

3.1.3 Технічний принцип

Загальний робочий процес статус-каналу:

1. Аліса та Боб через внесення коштів з особистої EOA на адресу смарт-контракту, ці кошти блокуються в контракті, поки не закриється канал, після чого залишок повертається користувачеві; після підтвердження підписів обох сторін, стан каналу між ними офіційно відкривається.

2. Аліса та Боб теоретично можуть здійснювати необмежену кількість транзакцій поза блокчейном через цей канал, учасники спілкуються один з одним за допомогою зашифрованих підписаних повідомлень (, а не з мережею блокчейну ). Обидва користувачі повинні підписати кожну транзакцію, щоб запобігти зловживанням з подвійними витратами. Через ці повідомлення вони пропонують оновлення стану своїх рахунків і приймають оновлення стану, запропоновані іншою стороною.

3. Якщо Аліса хоче закрити канал та завершити交易 з Бобом, Алісі потрібно подати остаточний стан свого рахунку до контракту. Якщо Боб підпише та затвердить, контракт звільнить заблоковані кошти відповідно до остаточного стану та поверне їх відповідному користувачу. Якщо Боб не відреагує на підпис, контракт звільнить заблоковані кошти відповідно до остаточного стану та поверне їх відповідному користувачу після закінчення періоду оскарження.

3.1.4 Переваги та недоліки

Переваги:

• Миттєва підтверджуваність
• Низька вартість
• Висока конфіденційність
• Не потрібно довіряти третім особам

Недоліки:

• потрібно бути онлайн кілька разів
• Неможливо обробити масовий вихід
• Потрібно попередньо заблокувати кошти
• Не підходить для складних застосувань

3.1.5 Застосування

Біткоїн-мережа блискавки

Огляд: Мережева блискавка є каналом мікроплатежів у мережі Bitcoin, її загальна технологічна еволюція проходить через: 2/2 багатопідписна побудова одностороннього платіжного каналу, після додавання RSMC (Revocable Sequence Maturity Contract) можна створити двосторонній платіжний канал, потім, після додавання HTLC (Hash Time Lock Contract), можна з'єднати платіжні канали, розширивши їх на багато учасників, врешті-решт створивши платіжну мережу, тобто мережу блискавки. Через позаблокчейн канали мікроплатежів, а потім завдяки посередникам створюється торговельна мережа, що може вирішити проблему масштабування мережі Bitcoin. Загальне використання мережі блискавки дотримується наступного процесу: "депозит (створення каналу )→ транзакції мережі блискавки (оновлення стану каналу )→ повернення / розрахунок (закриття каналу )"; теоретично мережа блискавки може обробляти один мільйон транзакцій на секунду.

Часова лінія:

• Лютий 2015 року, випущено проект білого документа
• У січні 2016 року було опубліковано офіційну версію білого паперу та засновано Lightning Labs
• У березні 2018 року був випущений перший основний мережевий реліз
• 2021 року, кілька бірж підтримали, Сальвадор прийняв
• У 2022 році подальший розвиток екосистеми

Екологічний розвиток:

• Базовий рівень: BTC мережа
• Ядро інфраструктури: рішення для мережі Lightning, вузли та послуги ліквідності
• Верхні додатки: платежі, фінансові послуги та інші види додатків

! Глибокий звіт про дослідження на 10 000 слів: комплексний аналіз масштабування поза мережею

Мережа Ethereum Thunderbolt

Огляд: Мережа Ремінь є каналом малих платежів на основі Ethereum, подібно до мережі Lightning, метою якої є досягнення майже миттєвих, низьких витрат і масштабованих платежів ERC20 токенів.

Часова лінія:

• Засновано в 2017 році
• ICO жовтня 2017 року
• Запуск основної мережі у травні 2020 року
• Наприкінці 2021 року кілька бірж зняли токени

В даний час не використовується широко, причини включають:

1. Використання має високий поріг
2. з'явилося раніше