Глибина аналізу розширення поза блокчейном

Автори: Еллейн Сюй, Хетті Цзян, Джун Ван, Уалон Лін, Іліу Лін

1. Необхідність розширення

Майбутнє блокчейну є грандіозним баченням: децентралізація, безпека та масштабованість; але зазвичай блокчейн може реалізувати лише два з цих трьох аспектів, а задоволення всіх трьох вимог називається неможливим трикутником блокчейну. Протягом багатьох років люди досліджували, як вирішити цю проблему, як підвищити пропускну здатність і швидкість транзакцій блокчейну при забезпеченні децентралізації та безпеки, тобто вирішення проблеми масштабування є однією з актуальних тем обговорення в процесі розвитку блокчейну.

Давайте спочатку загально визначимо децентралізацію, безпеку та масштабованість блокчейну:

• Децентралізація: будь-хто може стати вузлом і брати участь у виробництві та верифікації блокчейн-системи, чим більше вузлів, тим вищий рівень децентралізації, що забезпечує контроль мережі не однією маленькою групою великих централізованих учасників.
• Безпека: Чим вищі витрати на отримання контролю над блокчейн-системою, тим вища безпека, отже, ланцюг може витримувати значні атаки з боку учасників.
• Масштабованість: здатність блокчейну обробляти велику кількість транзакцій.

Перша значна жорстка розгалуження мережі Біткойн виникла через проблеми з розширенням. Зі збільшенням кількості користувачів Біткойн та обсягом транзакцій, мережа Біткойн з обмеженням у 1 МБ на блок почала стикатися з проблемами перевантаження; з 2015 року в спільноті Біткойн існували розбіжності щодо розширення: одна сторона, представлена Bitcoin ABC, підтримувала розширення блоків, інша сторона, представлена Bitcoin Core, вважала, що слід використовувати рішення Segwit для оптимізації структури основного ланцюга. 1 серпня 2017 року Bitcoin ABC самостійно запустила клієнтську систему обсягом 8 МБ, що призвело до першого значного жорсткого розгалуження в історії Біткойн, а також до появи нової криптовалюти BCH.

Так само, мережа Ethereum також обрала жертву частини масштабованості, щоб забезпечити безпеку та децентралізацію мережі; хоча мережа Ethereum не обмежує обсяг транзакцій, як це робить мережа Bitcoin через обмеження розміру блоку, а замість цього фактично переходить до встановлення верхньої межі на паливні збори, які може вмістити один блок, але мета залишається тією ж - досягти Trustless Consensus і забезпечити широке розповсюдження вузлів ( незалежно від того, чи скасувати, чи підвищити ліміт, буде усунено багато менших вузлів, які мають недостатню пропускну здатність, пам'ять і обчислювальні потужності ).

Від CryptoKitties 2017 року, через літо DeFi та згодом виникнення таких ланцюгових застосувань, як GameFi і NFT, ринок стикається з дедалі зростаючим попитом на пропускну здатність. Але навіть Тюрінг-повний Ethereum може обробляти лише 15~45 транзакцій на секунду (TPS), що призводить до постійного зростання витрат на транзакції, збільшення часу розрахунків, більшість Dapps важко витримують витрати на експлуатацію, а вся мережа стає повільною і дорогою для користувачів, проблема масштабування блокчейна потребує термінового вирішення. Ідеальним рішенням для масштабування є: підвищення швидкості транзакцій блокчейн-мережі ( більш короткий час остаточності ) та пропускної здатності транзакцій ( без жертвування децентралізацією та безпекою.

![Великий звіт про глибину: всебічний аналіз поза блокчейном])https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-7d930821d982f99c43cf5400e4db2175.webp(

2. Категорії планів розширення

Ми розділяємо плани розширення на дві основні категорії: розширення на блокчейні та розширення поза блокчейном, відповідно до критерію "чи змінює це один рівень основної мережі".

) 2.1 Розширення в ланцюзі

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

Існує кілька варіантів розширення поза блокчейном, у цій статті не буде розгорнуто, нижче коротко перераховані два варіанти:

• Варіант один полягає в розширенні блочного простору, тобто в збільшенні кількості транзакцій, які упаковуються в кожен блок, але це підвищить вимоги до обладнання високопродуктивних вузлів, підвищить поріг входження для вузлів і знизить рівень "децентралізації".
• Варіант два — це шардінг, який розділяє блокчейн-реєстр на кілька частин, де 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 може зменшити навантаження на обчислення вузлів і поріг входження, підвищуючи швидкість обробки транзакцій і ступінь децентралізації; але це означає, що обчислювальна потужність мережі розподіляється, що знижує "безпеку" всієї мережі.

Зміна коду основного протоколу мережі може призвести до непередбачуваних негативних наслідків, оскільки будь-яка незначна уразливість безпеки на нижньому рівні може серйозно загрожувати безпеці всієї мережі, що може змусити мережу до розгалуження або перерви в ремонті оновлення. Наприклад, інцидент з інфляційною уразливістю Zcash у 2018 році: код Zcash базується на модифікованому коді версії Bitcoin 0.11.2, і в 2018 році один інженер виявив, що в його основному коді є небезпечна уразливість, а саме, токени можуть бути безмежно випущені, і команда витратила 8 місяців на таємне виправлення, і лише після виправлення уразливості це питання було оприлюднено.

2.2 поза блокчейном розширення

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

поза блокчейном розширення можна поділити на Layer2 та інші рішення:

! [Звіт про глибоке дослідження на 10 000 слів: комплексний аналіз офчейн-експансії]###https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-087d35594a04d33375b8199b93eb355e.webp(

3. Поза блокчейном розширення рішення

) 3.1 Державні канали

3.1.1 Огляд

Статевий канал передбачає, що лише під час відкриття, закриття або вирішення спорів користувачам потрібно взаємодіяти з основною мережею, а взаємодію між користувачами здійснювати поза блокчейном, щоб зменшити час і витрати грошей на транзакції, а також забезпечити необмежену кількість транзакцій.

Канали стану - це простий P2P протокол, що підходить для "застосунків на основі раундів", наприклад, гри в шахи для двох. Кожен канал управляється мультипідписним смарт-контрактом, що працює в основній мережі, цей контракт контролює активи, внесені в канал, перевіряє оновлення стану та арбітрує суперечки між учасниками ### на основі доказів шахрайства, що містять підпис і часовий штамп (. Учасники після розгортання контракту в блокчейн-мережі вносять певну суму і блокують її, після підтвердження підписами обох сторін канал офіційно відкривається. Канал дозволяє учасникам проводити необмежену кількість безкоштовних транзакцій поза блокчейном ), поки їхня чиста вартість переказів не перевищує загальну суму внесених токенів (. Учасники по черзі надсилають оновлення стану один одному, чекаючи підтвердження підпису з боку іншого. Як тільки інший учасник підтверджує підпис, це оновлення стану вважається завершеним. У нормальних умовах, оновлення стану, погоджене обома сторонами, не завантажується в основну мережу, тільки в разі виникнення суперечки або закриття каналу, воно покладається на підтвердження основної мережі. Коли потрібно закрити канал, будь-який учасник може подати запит на транзакцію в основній мережі, якщо запит на вихід отримує одностайне схвалення підписів, то в ланцюзі він виконується негайно, тобто смарт-контракт розподіляє залишкові блоковані кошти відповідно до залишків кожного учасника в остаточному стані каналу; якщо інші учасники не схвалили підпис, то всім потрібно дочекатися закінчення "періоду виклику", перш ніж отримати залишкові кошти.

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

)# 3.1.2 Часова лінія

• 2015/02, Joseph Poon та Thaddeus Dryja опублікували чернетку білого документу про мережу Lightning.
• 2015/11, Джефф Коулман вперше системно узагальнив концепцію State Channel, запропонувавши, що Payment Channel біткоїна є підвипадком концепції State Channel.
• 2016/01, Joseph Poon та Thaddeus Dryja офіційно оприлюднили білу книгу «The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments», в якій запропонували рішення для масштабування біткойн-мережі Payment Channel### платіжний канал(, цей план призначений лише для обробки переказів і платежів в біткойн-мережі.
• 2017/11, перша специфікація дизайну State Channel на основі фреймворку Payment Channel, Sprites, була запропонована.
• 2018/06, Counterfactual提出ив дуже детальний дизайн Generalized State Channels, це перший повністю пов'язаний з 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 статус-каналів була розширена до N-Party Channels, Nitro є першим протоколом, створеним на основі цієї ідеї.
• 2019/10, Pisa розширила концепцію Watchtowers, щоб вирішити питання постійного онлайн-статусу всіх учасників.
• 2020/03, Hydra запропонувала Швидкі ізоморфні канали.

![Тисячослівний глибокий звіт: всебічний аналіз поза блокчейном масштабування])https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-ead28de03be9fc22dcfe3f679ee36bc5.webp(

)# 3.1.3 Технічні принципи

Загальний робочий процес статус-каналу виглядає наступним чином:

1. Еліс і Боб вносять кошти зі своїх особистих EOA на адресу контракту, ці кошти блокуються в контракті до моменту закриття каналу, після чого залишок повертається користувачеві; після підтвердження підписами, стан каналу між ними офіційно відкривається.

2. Аліса та Боб теоретично можуть проводити 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 подвійним витратам. За допомогою цих повідомлень вони пропонують оновлення статусу своїх рахунків і приймають запропоновані оновлення статусу один одного.

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

![Тисячослівний звіт глибини: всебічний аналіз позаблокчейн-розширення])https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-ad088ac016d75b1ae0b0eda699e74709.webp(

)# 3.1.4 Плюси та мінуси

Переваги:

• Швидкість транзакцій висока, практично миттєве підтвердження
• Дуже низькі торгові витрати
• Висока пропускна спроможність, теоретично кількість угод не обмежена
• Хороша конфіденційність, лише кінцевий стан поза блокчейном

Недоліки:

• Потрібно заблокувати кошти
• Усі учасники повинні бути постійно онлайн
• Обмежена ємність каналу
• Встановлення та закриття каналу потребує витрат на комісію
• Складні смарт-контракти важко реалізувати
• Проблема ліквідності

3.1.5 Застосування

Біткойн-мережа блискавки

Огляд: Мережева система Lightning є каналом для малих платежів у мережі Bitcoin, її загальна еволюція технології пройшла: 2/2 мультипідпис для створення одностороннього платіжного каналу, після додавання RSMC можна створити двосторонній платіжний канал, а після додавання HTLC можна розширити платіжний канал для багатосторонніх платежів, в кінцевому підсумку створюючи платіжну мережу, тобто мережу Lightning. Через поза блокчейном канали для малих платежів, а потім за допомогою посередників формуються торгові мережі, що дозволяє вирішити проблему масштабування мережі Bitcoin. Загальне використання мережі Lightning дотримується процесу "депозит ### створити канал ( → угода мережі Lightning ) оновити стан каналу ( → повернення / врегулювання ) завершити канал ("; теоретично мережа Lightning може обробляти мільйон транзакцій на секунду.

Таймлайн:

• У лютому 2015 року Джозеф Пун і Таддеус Дріджа опублікували чорновик білого паперу мережі Lightning.
• У січні 2016 року був опублікований офіційний варіант білій книги та засновано Lightning Labs
• 15 березня 2018 року, Lightning Labs випустила першу версію основної мережі Lightning Network Daemon )LND( 0.4
• На початку 2021 року публічна ємність мережі Lightning )TVL( становила лише близько 40 мільйонів доларів, приблизно 100 тисяч користувачів використовували мережу Lightning.
• У червні 2021 року Сальвадор оголосив про прийняття біткоїна в якості законного платіжного засобу, у вересні був випущений гаманець Chivo на базі мережі Lightning.
• У 2022 році Cash App та 26 криптовалютних бірж, включаючи OKX, Kraken, Bitfinex, оголосили про підтримку мережі Lightning, що забезпечує миттєві та дешеві функції депозиту та зняття BTC.
• У жовтні 2022 року Lightning Labs випустила новий протокол на основі Taproot — Taro protocol)alpha версія(, який наразі проходить тестування в тестовій мережі, в майбутньому він буде використовуватися для створення, відправки та отримання активів у мережі Біткойн, а також через мережу Lightning.