Off-chain Ölçeklenebilirlik Derinlemesine Analiz

Yazarlar: Ellaine Xu, Hettie Jiang, June Wang, Walon Lin, Yiliu Lin

1. Ölçeklenmenin Gerekliliği

Blockchain'ın gelecekteki vizyonu merkeziyetsizlik, güvenlik ve ölçeklenebilirliktir, ancak genellikle bunlardan sadece ikisi gerçekleştirilebilir; bu, blok zincirinin imkansız üçgen problemi olarak adlandırılır. Yıllar boyunca, insanlar merkeziyetsizlik ve güvenliğin sağlanması koşuluyla blok zincirinin işlem hacmini ve işlem hızını artırmanın yollarını araştırmışlardır, yani ölçeklendirme sorununu çözmeye çalışmışlardır.

Öncelikle blok zincirinin merkeziyetsizliğini, güvenliğini ve ölçeklenebilirliğini tanımlayalım:

• Merkeziyetsizlik: Herkes blockchain sistemine katılmak için bir düğüm olabilir, düğüm sayısı ne kadar fazla olursa, merkeziyetsizlik derecesi o kadar yüksek olur.
• Güvenlik: Blok zinciri sistemine kontrol sağlama maliyeti ne kadar yüksekse, güvenlik o kadar yüksek olur ve daha büyük oranlarda saldırılara karşı koyabilir.
• Ölçeklenebilirlik: Blok zincirinin büyük miktarda işlem işleme yeteneği.

Bitcoin ağının ilk büyük sert çatalı, genişleme sorunundan kaynaklandı. 2015'ten itibaren, Bitcoin topluluğu genişleme konusunda fikir ayrılıkları yaşıyordu; bir taraf blokların genişletilmesini desteklerken, diğer taraf SegWit çözümünü destekliyordu. 1 Ağustos 2017'de, blok genişletmeyi destekleyen taraf yeni bir istemci sistemini çalıştırmaya başladı ve bu, Bitcoin tarihindeki ilk büyük sert çatalı oluşturdu ve yeni bir kripto para birimi olan BCH'yi doğurdu.

Ethereum ağı, güvenliği ve merkeziyetsizliği korumak için bir miktar ölçeklenebilirlikten feragat etmeyi tercih etti. 2017'deki CryptoKitties'den, daha sonra DeFi, GameFi ve NFT'lerin yükselişine kadar, piyasada işlem hacmi talebi sürekli artmakta, ancak Ethereum her saniyede yalnızca 15-45 işlem gerçekleştirebildiği için işlem maliyetleri artmakta ve işlem süreleri uzamaktadır. İdeal bir ölçeklendirme çözümü, merkeziyetsizlik ve güvenlikten ödün vermeden, blockchain ağının işlem hızını ve hacmini mümkün olduğunca artırmaktır.

2. Ölçeklenebilirlik Çözümlerinin Kategorileri

"Ana ağın bir katmanını değiştirip değiştirmeyeceği" kriterine göre, genişletme planlarını on-chain genişletme ve off-chain genişletme olarak iki ana kategoriye ayırıyoruz.

2.1 zincir üzeri genişleme

Temel kavram: Bir ana ağ protokolünü değiştirerek ölçeklenme etkisi elde etmek için bir çözüm, şu anda ana çözüm parçalamadır.

Zincir üstü ölçeklendirme için çeşitli çözümler vardır, aşağıda iki tanesi kısaca belirtilmiştir:

• Birinci seçenek, blok alanını genişletmektir; yani her bloğun paketlediği işlem sayısını artırmak, ancak bu, düğüm gereksinimlerini artıracak ve merkeziyetsizliği azaltacaktır.
• İkinci seçenek parçalama, blok zinciri defterini birkaç parçaya ayırmak, farklı parçaların farklı kayıt tutmasına izin vermek, düğüm üzerindeki baskıyı azaltabilir, ancak tüm ağın güvenliğini azaltır.

Ana ağ protokolünü değiştirmek, temel güvenlik açıklarının tüm ağın güvenliğini ciddi şekilde tehdit edebileceğinden, öngörülemeyen olumsuz etkiler yaratabilir.

2.2 off-chain genişleme

Kilit kavram: Mevcut birincil ana ağ protokolünü değiştirmeden ölçeklendirme çözümü.

off-chain ölçeklendirme çözümleri Layer2 ve diğer çözümler olarak ayrılabilir:

• Layer2: Durum Kanalları, Plasma, Rollups
• Diğer çözümler: Sidechains, Validium

3. off-chain genişletme planı

3.1 Eyalet Kanalları

3.1.1 Özet

Durum kanalları, kullanıcıların yalnızca kanal açıldığında, kapandığında veya anlaşmazlık çözüldüğünde ana ağ ile etkileşimde bulunması gerektiğini belirtir; kullanıcılar arasındaki etkileşimlerin off-chain gerçekleştirilmesi, işlem maliyetlerini düşürmekte ve işlem sayısını sınırlamadan gerçekleştirmeye olanak tanımaktadır.

Durum kanalları, iki kişilik satranç oyunu gibi tur bazlı uygulamalar için uygun, basit bir P2P protokolüdür. Her kanal, ana ağda çalışan çok imzalı akıllı sözleşmeler tarafından yönetilir, kanala yatırılan varlıkları kontrol eder, durum güncellemelerini doğrular ve katılımcılar arasındaki anlaşmazlıkları tahkim eder.

3.1.2 Zaman Çizgisi

• 2015/02: Joseph Poon ve Thaddeus Dryja, Lightning Network beyaz kağıdının taslağını yayınladı.
• 2015/11: Jeff Coleman, State Channel kavramını sistematik olarak ilk kez özetledi.
• 2016/01: Lightning Network beyaz kitabı resmi olarak yayımlandı
• 2017/11: Payment Channel çerçevesine dayanan ilk State Channel tasarım standardı Sprites'i önerdi.
• 2018/06: Counterfactual, Genelleşmiş Eyalet Kanalları tasarımını detaylandırdı.
• 2018/10: State Channel Networks ve Virtual Channels kavramlarını önerdi
• 2019/02: Durum kanalı kavramı N-Party Kanallara genişletildi
• 2019/10:Pisa genişletilmiş Watchtowers kavramı, katılımcıların sürekli çevrimiçi olma sorununu çözdü.
• 2020/03:Hydra, Hızlı İzomorfik Kanallar'ı önerdi

3.1.3 Teknik Prensip

Durum kanallarının iş akışı:

1. Alice ve Bob, ana ağ sözleşmesine para yatırarak ve imza onayı vererek durum kanalını açarlar.
2. Alice ve Bob, off-chain sınırsız sayıda işlem yapabilir, her işlem için her iki tarafın imzası gerekmektedir.
3. Alice kanalı kapatmak isterse, sözleşmeye son durumu sunması gerekir. Bob onaylamak için imzalar ise, sözleşme hemen fonları dağıtır; Bob yanıt vermezse, fonları almak için "meydan okuma süresi"nin sona ermesini beklemesi gerekir.

Kötümser senaryolardaki iş akışı:

Eğer Bob, Alice'in durum güncelleme imzasına yanıt vermezse, Alice en son geçerli durumunu sözleşmeye sunarak bir itiraz başlatabilir. Bob, belirli bir süre içinde bir sonraki durumu sunarak yanıt verebilir; eğer yanıt vermezse, sözleşme otomatik olarak kanalı kapatacak ve fonları Alice'e geri iade edecektir.

3.1.4 Artılar ve Eksiler

Avantajlar:

• Anında onay
• Yüksek Throughput
• İyi gizlilik
• Genel olarak güçlü

Dezavantajlar:

• Önceden fonları kilitlemek gerekiyor
• Katılımcıların çevrimiçi kalması gerekmektedir.
• Daha az katılımcıyı destekler
• Büyük ölçekli çıkış sorununu çözemiyor

3.1.5 Uygulama

Bitcoin Işık Ağı:

• 2015 yılında önerildi, 2018 yılında ana ağ sürümü yayınlandı
• 2022 Kasım ayında 76,236 ödeme kanalı, kanal fonu 5049 BTC
• Ekosistem, ödeme, cüzdan, düğüm yönetimi gibi birçok kategoriyi kapsar, 100'den fazla uygulama.

Ethereum Yıldırım Ağı:

• 2017 yılında kuruldu, 2020 yılında ana ağ sürümünü yayınladı
• Kullanım eşiği yüksek, ekosistem gelişimi yavaş
• Layer2 Rollup ağında çalışmaya geçiş

Celer Network:

• Teşvik katmanını artırdı Lightning Network
• Elektronik spor platformları gibi yüksek frekanslı etkileşim uygulamaları için uygundur
• Cross-chain köprüsü cBridge gibi ürünler piyasaya sürüldü.

3.2 Yan Zincirler

3.2.1 Özet

Yan zinciri, Bitcoin işlemlerini hızlandırmak için ortaya çıkan bir blockchain biçimidir ve daha karmaşık sözleşmeler veya konsensüs mekanizmalarını geliştirmek için kullanılabilir. Yan zincirin işlem sonuçları nihayetinde doğrulayıcı tarafında kaydedilecek ve ana zincire geri iletilecektir.

3.2.2 Zaman Çizgisi

• 2012/01: Bitcoin yan zincir kavramı ilk kez ortaya atıldı
• 2014/10: Bitcoin yan zincir makalesi yayımlandı
• 2017/04: POA Network test ağı çevrimiçi
• 2017/10:Matic Network başlatıldı
• 2018/01:Skale test ağı çevrimiçi
• 2020/06:Matic PoS Zinciri ana ağı çevrimiçi
• 2021/02: Ronin ana ağı çevrimiçi
• 2021/12:xDai Chain, Gnosis Dao ile birleşerek Gnosis Chain oldu.

3.2.3 Teknik Prensip

Yan zincirlerin ana zincirle iletişim kurmanın iki ana yolu vardır:

1. Çift Yönlü Bağlama ( Simetrik Bağlama ): Ana zincir ve yan zincirin doğrulayıcıları, birbirlerinin mevcut durumunu gerçek zamanlı olarak kaydeder, işlemleri doğrulamak için SPV teknolojisi kullanır.

2. Uyum sağlamayan (Asimetrik Sabit ): Yan zincir doğrulayıcıları ana zincir aktivitelerini izler, ancak ana ağ yan zincir durumunu doğrulayamaz, yan zincir işlemlerini doğrulamak için Sertifikatör mekanizmasının getirilmesi gerekmektedir.

Şu anda giderek daha fazla yan zincir, ana zincir blok durumunu doğrulamak için üçüncü taraf noter ( PoA ) mekanizmasını veya Relayers ara katmanını kullanmayı seçiyor.

Yan zincir mekanizması özeti:

• Varlıkların ana zincirden yan zincire: Ana zincir varlıkları kilitler, yan zincir sarmalanmış varlık oluşturur.
• Varlıkların yan zincirden ana zincire: Yan zincir wrapped asset'i yok eder, ana zincir varlıkları açar.

3.2.4 Artılar ve Eksiler

Avantajlar:

• Yüksek derecede özelleştirilebilir
• Karmaşık akıllı sözleşmeleri destekleyebilir
• Zincirler arası varlık transferi
• Bağımsız yönetim mekanizması

Eksiler:

• Güvenlik seviyesi düşük
• Merkezileşme riski
• Zincirler arası iletişim karmaşıklığı yüksek
• İki yönlü sabitleme daha uzun onay süresi gerektirir.

3.2.5 Uygulama

xDai Chain( şu anda Gnosis Chain):

• 2018 yılı Eylül ayında ana ağ çevrimiçi oldu, 2022 yılı Nisan ayında Gnosis ile birleşti.
• PoSDAO konsensüs mekanizması benimse
• TVL yaklaşık 53 milyon dolar, ekosistemde 35 devam eden proje var

Polygon:

• 2020 Haziran ayında Matic PoS Zinciri ve Plasma Zinciri ana ağı çevrimiçi oldu.
• 2021 yılında marka Polygon olarak yenilendi, agregatör olmaya dönüştü
• 37k+ Dapp mevcut, 1.8B toplam işlem sayısı ve 135M+ kullanıcı

Ronin:

• Axie Infinity oyunu için geliştirilmiş yan zincir
• 2021 Mart ayında ana ağının çevrimiçi olması, PoA konsensüs mekanizması kullanıyor.
• 2022 Mart ayında 6.24 milyon dolarlık bir siber saldırıya uğradı.

3.3 Plasma

3.3.1 Özet

Plasma, kullanıcıların yan zincir Operatörlerine olan güvenini en aza indirmek için tasarlanmış, ölçeklenebilir Dapp'ler inşa etmek için bir çerçevedir. Plasma'nın temel ilkesi, Plasma zincirinde bir güvenlik hatası gerçekleşse bile, tüm kullanıcıların varlıklarının Plasma zincirinden geri çekilebilmesi ve ana ağa dönebilmesidir.

3.3.2 Zaman Çizelgesi

• 2017/08:Plasma beyaz kitabı yayımlandı
• 2018/01: İlk resmi Plasma uygulaması Plasma MVP önerildi.
• 2018/03: Plasma Cash'ı büyük ölçekli çıkış sorununu çözmek için önerdi.
• 2018/06: Plasma Debit'i önerdi
• 2018/11: Plasma Prime'ı önerdi
• 2019'dan itibaren: Ethereum topluluğu Rollups çözümünü keşfetmeye başladı

3.3.3 Teknik Prensip

Plasma'nın temel düşüncesi:

• off-chain yürütme: Çoğu iş ana ağın dışında işlenir
• Durum taahhüdü: Plasma zincirinin durumunun sıkıştırılmış versiyonunu Merkle Root ile depolamak
• Çıkış mekanizması: Kullanıcı, ana ağa çekilebilir ve doğru miktarda fon olduğunu kanıtlamalıdır.

Kullanım süreci:

1. Kullanıcı ana ağ Plasma sözleşmesine para yatırır.
2. Kullanıcı Plasma zincirinde işlem yapar
3. Operatör, işlemleri paketler ve ana ağa durum taahhüdü gönderir.
4. Kullanıcı para çekme talebi başlatır, itiraz süresinin ardından fonları çekebilir.

3.3.4 Artılar ve Eksiler

Avantajlar:

• Yüksek throughput
• Düşük işlem ücretleri
• Ana ağın güvenliğini miras alır

Eksiler:

• Karmaşık çıkış mekanizması
• Veri erişilebilirliği sorunu
• Kullanıcıların sık sık izleme yapması gerekiyor
• Fonksiyon kısıtlı

3.3.5 Uygulama

Ana Uygulamalar:

• Plasma Grubu → Optimism(İyimser Rollup)
• OMG Ağı → Boba Ağı(İyimser Rollup)
• Polygon( daha önce Matic Network) → Tam yığın L2 çözümü

Özet: Plasma, teknik bir geçiş çözümüdür, teknik sorunlar nedeniyle ana uygulamaları hızla Rollups tabanlı çözüm geliştirmeye yönelmiştir.

3.4 Rolluplar

3.4.1 Özet

Rollups'ın temel fikri, hesaplama sürecini ve durum depolamasını off-chain'de tutmak, ana zincirde ise durum taahhütlerini ve sıkıştırılmış işlem verilerini depolamaktır.

Rollup'lar iki türe ayrılır:

• Optimistik Rolluplar: Doğruluğu dolandırıcılık kanıtları ile garanti eder
• ZK Rollups: Doğruluğu sağlamak için etkili kanıtlar ( sıfır bilgi kanıtı )

3.4.2 Teknik Prensip

Temel mekanizma:

• off-chain sanal makine işlemleri ve durum depolama
• Sıkıştırılmış işlem verilerini ve durum kökünü ana zincir sözleşmesine yükleyin