Глубина анализа вне блокчейна

1. Необходимость масштабирования

Будущее блокчейна заключается в достижении децентрализации, безопасности и масштабируемости, однако обычно возможно одновременно удовлетворять только два из этих требований, что называется треугольником невозможности блокчейна. На протяжении многих лет люди исследуют, как повысить пропускную способность и скорость транзакций блокчейна при гарантии децентрализации и безопасности, то есть решить проблему масштабирования, что является одной из актуальных тем развития блокчейна в настоящее время.

Определение децентрализации, безопасности и масштабируемости:

• Децентрализация: любой может стать узлом и участвовать в системе блокчейн, чем больше узлов, тем выше степень децентрализации, что обеспечивает защиту сети от контроля со стороны немногих крупных централизованных участников.

• Безопасность: чем выше стоимость получения контроля над блокчейн-системой, тем выше безопасность, цепочка может противостоять атакам со стороны значительного процента участников.

• Масштабируемость: способность блокчейна обрабатывать большое количество транзакций.

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

Первая значительная хардфорк в сети Биткойн возникла из-за проблемы масштабируемости. С увеличением числа пользователей и объема транзакций сеть Биткойн с лимитом блока в 1 МБ начала сталкиваться с перегрузкой. С 2015 года в сообществе Биткойн возникли разногласия по поводу масштабируемости: одна сторона поддерживала увеличение размера блока, а другая - использование решения SegWit для оптимизации структуры основной цепи. 1 августа 2017 года сторона, поддерживающая большие блоки, самостоятельно разработала клиентскую систему с 8 МБ блоками, что привело к первому значительному хардфорку Биткойна и появлению новой криптовалюты BCH.

Аналогично, сеть Ethereum также выбирает жертвовать частью своей масштабируемости для обеспечения безопасности сети и децентрализации, устанавливая верхний предел на топливные сборы, которые могут быть включены в один блок, чтобы ограничить объем транзакций. Цель состоит в том, чтобы реализовать бездоверительную консенсус и обеспечить широкое распределение узлов.

С 2017 года, когда появились CryptoKitties, до летнего сезона DeFi, GameFi и роста таких приложений, как NFT, потребность рынка в пропускной способности постоянно увеличивается. Однако Ethereum может обрабатывать всего 15-45 транзакций в секунду, что приводит к увеличению стоимости транзакций и удлинению времени расчета, из-за чего большинство DApps трудно выдерживают эксплуатационные расходы, а вся сеть становится медленной и дорогой для пользователей. Проблема масштабируемости блокчейна требует срочного решения. Идеальное решение масштабируемости заключается в повышении скорости транзакций и пропускной способности сети блокчейна без ущерба для децентрализации и безопасности.

2. Категории решений по масштабированию

Мы разделили решения по расширению на две основные категории: расширение на блокчейне и вне блокчейна, основываясь на критерии "изменится ли уровень основной сети".

2.1 Расширение в блокчейне

Основная концепция: решение, которое достигает эффекта масштабирования за счет изменения одного слоя протокола основной сети, в настоящее время основное решение - это шarding.

Существует несколько решений для масштабирования в блокчейне, в этой статье не будет подробного объяснения, кратко перечислим два решения:

• Первый вариант — это увеличение пространства блока, то есть увеличение количества транзакций, упакованных в каждый блок, но это повысит требования к оборудованию узлов, увеличит порог входа и снизит степень децентрализации.

• Второй вариант - это шардирование, которое разделяет блокчейн-реестр на несколько частей, каждая из которых отвечает за свою запись, и параллельные вычисления могут обрабатывать несколько транзакций одновременно; это может снизить нагрузку на узлы и барьеры для входа, повысить скорость транзакций и уровень децентрализации; но это означает, что вычислительная мощность всей сети распределяется, что снижает безопасность всей сети.

Изменение протокола основной сети может вызвать непредсказуемые негативные последствия, поскольку любые мелкие уязвимости на уровне основы могут серьезно угрожать безопасности всей сети, и сеть может быть вынуждена разветвляться или прерывать обновление. Например, в 2018 году произошел инцидент с инфляционной уязвимостью Zcash: в его базовом коде была обнаружена высокоопасная уязвимость, позволяющая неограниченное эмитирование токенов, команде потребовалось 8 месяцев, чтобы тайно исправить, и только после исправления этот инцидент был обнародован.

2.2 вне блокчейна расширение

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

вне блокчейна решения по масштабированию можно дополнительно разделить на Layer2 и другие решения:

• Layer2: Каналы состояния, Сайдчейны, Плазма, РоллАпы
• Другие: Validium

! 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 пользователи должны взаимодействовать с основной сетью только при открытии, закрытии или разрешении спора, а взаимодействия между пользователями происходят вне блокчейна, чтобы снизить время и стоимость транзакций и обеспечить неограниченное количество транзакций.

Каналы состояния — это простые P2P-протоколы, подходящие для "приложений на основе раундов", таких как шахматная игра на двоих. Каждый канал управляется многофункциональным смарт-контрактом, работающим в основной сети, который контролирует активы, внесенные в канал, проверяет обновления состояния и арбитраж споров между участниками. После развертывания контракта участники вносят средства и блокируют их, после того как обе стороны подтвердят подпись, канал официально открывается. Канал позволяет участникам проводить неограниченное количество бесплатных сделок вне блокчейна (, при условии, что чистая стоимость перевода не превышает общую сумму вклада ). Участники по очереди отправляют обновления состояния друг другу и ждут подтверждения подписи от другого участника. Как только другая сторона подтверждает подпись, это обновление состояния считается завершенным. В нормальных условиях обновления состояния, согласованные обеими сторонами, не загружаются в основную сеть, и только в случае возникновения спора или закрытия канала требуется подтверждение основной сети. При закрытии канала любой участник может подать запрос на транзакцию в основной сети; если получено согласие всех подписей, транзакция выполняется немедленно, в противном случае необходимо дождаться окончания "периода оспаривания", чтобы получить оставшиеся средства.

Таким образом, схема канала состояния может значительно снизить вычислительные нагрузки основной сети, повысить скорость транзакций и снизить стоимость транзакций.

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

3.1.2 Временная линия

• 2015/02: Джозеф Пун и Таддеус Дрия опубликовали черновик белой книги о сети Lightning.

• 2015/11: Джефф Коулман впервые систематически обобщил концепцию State Channel и предложил, что Payment Channel в биткойне является подкатегорией State Channel.

• 2016/01: Joseph Poon и Thaddeus Dryja официально опубликовали белую книгу «The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments», предложившую решение для масштабирования биткойн-сети — Payment Channel, предназначенное исключительно для обработки переводов и платежей в сети биткойн.

• 2017/11: Первый проект спецификации State Channel на основе фреймворка Payment Channel, Sprites, был предложен.

• 2018/06: Counterfactual представил подробный дизайн обобщенных каналов состояния, это первый полностью связанный с каналами состояния дизайн.

• 2018/10: В статье «Обобщенные сети государственных каналов» предлагается концепция сетей государственных каналов и виртуальных каналов.

• 2019/02: Концепция статус-канала расширена до N-Party Channels, Nitro является первым протоколом, созданным на основе этой идеи.

• 2019/10: Pisa расширила концепцию Watchtowers, чтобы решить проблему необходимости постоянного онлайн-режима для всех участников.

• 2020/03: Hydra представила Быстрые Изоморфные Каналы.

3.1.3 Технические принципы

Традиционный рабочий процесс на блокчейне: Алиса и Боб взаимодействуют с умным контрактом, развернутым в основной сети, пользователи изменяют состояние умного контракта, отправляя транзакции в блокчейн. Недостатком является то, что это приводит к проблемам с временем и затратами.

Рабочий процесс каналов состояния:

1. Алиса и Боб переводят средства с личного EOA на адрес контракта в блокчейне, средства блокируются в контракте до того, как канал закроется и вернется пользователям; после подтверждения подписей обоих, статус канала официально открывается.

2. Алиса и Боб могут проводить неограниченное количество транзакций вне блокчейна, обмениваясь сообщениями с криптографической подписью. Обе стороны должны подписывать каждую транзакцию, чтобы предотвратить мошенничество с двойными тратами. Через эти сообщения они предлагают обновления состояния своих счетов и принимают предложенные обновления состояния от другой стороны.

3. Если Алиса хочет закрыть канал, она должна представить окончательное состояние своего счета в контракт, и если Боб подпишет одобрение, контракт освободит заблокированные средства и вернет их соответствующему пользователю в соответствии с окончательным состоянием. Если Боб не ответит на подпись, контракт освободит заблокированные средства и вернет их соответствующему пользователю после окончания периода оспаривания.

Рабочий процесс в условиях пессимизма:

1. Два участника вносят средства и начинают обмениваться обновлениями состояния.

2. Предположим, что в определённый момент Боб не отвечает на подпись обновления состояния, отправленную Элис. Элис может подать вызов контракту, представив своё последнее действительное состояние, которое содержит подпись Боба.

3. Контракт позволяет Бобу в течение определенного времени отправлять следующий ответ состояния; если Боб ответит, они могут продолжить сделку; если Боб не ответит, контракт автоматически закроет канал состояния и вернет средства Алисе.

! Подробный исследовательский отчет на 10 000 слов: всесторонний анализ масштабирования вне сети

3.1.4 Плюсы и минусы

Преимущества:

• Мгновенность: сделки могут быть завершены немедленно, без ожидания подтверждения блока
• Приватность: только включение и выключение требуют операций в блокчейне, остальные транзакции выполняются вне блокчейна.
• Масштабируемость: количество вне блокчейна сделок не ограничено
• Низкие затраты: только открытие и закрытие канала требуют оплаты gas-стоимости.

Недостатки:

• Заморозка средств: необходимо заблокировать определенное количество средств в канале
• Постоянное онлайн: участники должны оставаться в сети, чтобы реагировать на последние изменения.
• Ограниченное взаимодействие между сторонами: применяется только между заранее определёнными участниками
• Сложность сетевого канала: средства должны найти путь, соединяющий обе стороны.
• Не подходит для сложных вычислений: подходит только для простых и частых сценариев взаимодействия

3.1.5 Приложение

Биткойн-Лайтнинг Сеть

Обзор: Сеть Lightning является каналом для мелких платежей в сети Биткойн, эволюция технологии прошла через: создание одностороннего платежного канала с помощью мультиподписей 2/2, после добавления RSMC можно создать двусторонний платежный канал, а затем после добавления HTLC можно расширить платежные каналы на многопользовательские платежи, в конечном итоге создавая платежную сеть. Через вне блокчейна каналы для мелких платежей, а затем с помощью посредников формируется сеть транзакций, что может решить проблему масштабируемости сети Биткойн. Используйте процесс, следуя "депозит ( создание канала ) → транзакция в сети Lightning ( обновление состояния канала ) → возврат/расчет ( завершение канала )"; теоретически можно обрабатывать миллион транзакций в секунду.

Временная линия:

• Февраль 2015 года: Joseph Poon и Thaddeus Dryja опубликовали черновик белой книги о сети Lightning.
• Январь 2016 года: выпущена официальная версия белой книги и основана Lightning Labs
• 15 марта 2018 года: Lightning Labs выпустила первую версию основной сети LND 0.4
• В начале 2021 года: общественная емкость около 40 миллионов долларов, около 100 тысяч пользователей используют
• Июнь 2021 года: Сальвадор принял биткойн в качестве законного платежного средства, в сентябре был представлен кошелек Chivo на основе сети Lightning.
• 2022 год: Cash App и 26 криптовалютных платформ объявили о поддержке сети Lightning
• Октябрь 2022: Lightning Labs выпустила альфа-версию протокола Taro на базе Taproot (
• 23 ноября 2022 года: в сети Lightning было 76 236 платежных каналов, объем средств в каналах составил 5049 BTC)$81.8M(

Экологическое развитие: Экосистема сети Lightning состоит из: базового уровня сети BTC --- ключевой инфраструктуры --- различных Dapps.

Основная инфраструктура включает:

• Решение для сети Lightning: программные приложения для личного и корпоративного использования, подключающие сеть Lightning, наибольшую долю рынка занимает Lightning Labs.
• Узлы и услуги ликвидности: предоставление удобного интерфейса для управления каналами мгновенных платежей.

На основе основной инфраструктуры находятся различные платежные и финансовые услуги, а также приложения, такие как Strike, которые позволяют покупать и продавать BTC, Twitter для чаевых и Shopify для приема BTC.

По состоянию на ноябрь 2022 года, количество Dapps на основе сети Lightning увеличилось до более чем 20 категорий и более 100 приложений, включая платежи, кошельки, управление узлами, расширения для браузеров, подкасты и стриминг. Текущая технологическая основа, связанная с инфраструктурой узлов, практически созрела, поддержка кошельков увеличилась, финансовые услуги и интеграция платежей продолжают расти, создается больше развлекательных приложений, экосистема процветает.

! [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雷电 является каналом малых платежей, основанным на Ethereum, и очень похожа на сеть闪电, обе они расширяют цепочные транзакции, создавая каналы состояния, с целью осуществления практически мгновенных, низкозатратных и масштабируемых платежей токенов ERC20 на Ethereum.

Временная шкала:

• 2017 год