Глибина аналізу розширення поза блокчейном

Автори: Елайн Сюй, Хетті Цзян, Чунь Ван, Уолон Лін, Іліу Лін

1. Необхідність розширення

Майбутнє блокчейну передбачає децентралізацію, безпеку та масштабованість, але зазвичай можна досягти лише двох з цих трьох аспектів, що називається проблемою неможливого трикутника блокчейну. Протягом багатьох років люди досліджували, як підвищити пропускну спроможність та швидкість транзакцій блокчейну, гарантуючи децентралізацію та безпеку, тобто вирішуючи проблему масштабування.

Давайте спочатку визначимо децентралізацію, безпеку та масштабованість блокчейну:

• Децентралізація: будь-хто може стати вузлом і брати участь у системі блокчейн, чим більше вузлів, тим вищий рівень децентралізації.
• Безпека: чим вищі витрати на отримання контролю над системою блокчейн, тим вища безпека, що дозволяє протистояти значній частині атак.
• Масштабованість: здатність блокчейну обробляти велику кількість транзакцій.

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

Перше значне жорстке розгалуження мережі Біткоїн виникло через проблему розширення. З 2015 року в спільноті Біткоїн існують розбіжності щодо проблеми розширення: одна сторона підтримує збільшення блоку, інша сторона підтримує використання рішення SegWit. 1 серпня 2017 року сторона, що підтримує збільшення блоку, почала запуск нової клієнтської системи, що призвело до першого значного жорсткого розгалуження в історії Біткоїн, в результаті чого з'явилася нова криптовалюта BCH.

Мережа Ethereum також вибрала жертвувати частиною масштабованості, щоб забезпечити безпеку і децентралізацію мережі. Від CryptoKitties 2017 року до подальшого зростання DeFi, GameFi та NFT, попит на пропускну спроможність на ринку постійно зростає, але Ethereum може обробляти лише 15-45 транзакцій на секунду, що призводить до зростання витрат на транзакції та збільшення часу розрахунків. Ідеальним рішенням для масштабування є: підвищити швидкість транзакцій та пропускну спроможність блокчейн-мережі якомога більше, не жертвуючи децентралізацією та безпекою.

2. Категорії рішень щодо розширення

Ми поділяємо рішення щодо масштабування на дві основні категорії: масштабування на ланцюзі та масштабування поза блокчейном, виходячи з критерію "чи змінюється шар основної мережі".

2.1 масштабування 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, нижче коротко наведені два.

• Варіант перший – це розширення блочного простору, а саме збільшення кількості транзакцій, які пакуються в кожен блок, але це підвищить вимоги до вузлів і знизить рівень децентралізації.
• Варіант два - це шардінг, який розділяє бухгалтерську книгу блокчейну на кілька частин, причому різні шардінги відповідають за різне ведення обліку, що може знизити навантаження на вузли, але знизить загальну безпеку мережі.

Зміна протоколу основної мережі може призвести до непередбачуваних негативних наслідків, оскільки будь-яка вразливість у базовому рівні серйозно загрожує безпеці всієї мережі.

2.2 поза блокчейном розширення

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

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

• Layer2: Державні канали, Плазма, Роллепи
• Інші рішення: Бічні блокчейни, Validium

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

3. Позаблокчейнові рішення для масштабування

3.1 Державні канали

3.1.1 Огляд

Статевий канал передбачає, що користувачі повинні взаємодіяти з основною мережею лише під час відкриття, закриття або вирішення суперечок, а взаємодію між користувачами здійснювати поза блокчейном, щоб зменшити витрати на транзакції та забезпечити необмежену кількість транзакцій.

Стан каналу — це простий P2P протокол, який підходить для застосунків на основі раундів, таких як шахова гра для двох. Кожен канал управляється багатопідписним смарт-контрактом, який працює в основній мережі, контролює активи, що вносяться до каналу, перевіряє оновлення стану та арбітрує спори між учасниками.

3.1.2 Часова лінія

• 2015/02: Джозеф Пун і Тадеуш Дріджа опублікували проект білого паперу про мережу Lightning
• 2015/11: Джефф Коулман вперше системно підсумував концепцію State Channel
• 2016/01: Офіційно опубліковано білу книгу про мережу Lightning
• 2017/11: Представлено першу специфікацію дизайну State Channel на основі рамок Payment Channel Sprites
• 2018/06: Counterfactual представив детальний дизайн Загальних Станів Каналів
• 2018/10: запропоновано концепції State Channel Networks та Virtual Channels
• 2019/02: концепція каналів стану розширена до N-Party Channels
• 2019/10: Pisa розширює концепцію Watchtowers для вирішення проблеми, що учасники повинні залишатися в мережі.
• 2020/03:Hydra запропонували Швидкі ізоморфні канали

3.1.3 Технічний принцип

Процес роботи каналу статусу:

1. Еліс та Боб відкривають статусний канал, вносячи кошти в контракт на основній мережі та підписуючи підтвердження.
2. Аліса та Боб можуть проводити необмежену кількість транзакцій поза блокчейном, кожна транзакція повинна бути підтверджена підписами обох сторін.
3. Якщо Аліса хоче закрити канал, їй потрібно подати кінцевий стан контракта. Якщо Боб підпише схвалення, контракт негайно виконує розподіл коштів; якщо Боб не відповість, потрібно почекати закінчення "періоду оскарження", перш ніж він отримає кошти.

Робочий процес у песимістичному сценарії:

Якщо Боб не відповідає на підпис оновлення стану Аліси, Аліса може подати виклик до контракту, надсилаючи свій останній дійсний стан. Боб може протягом певного часу подати наступний стан для відповіді; якщо він не відповість, контракт автоматично закриє канал і поверне кошти Алісі.

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

3.1.4 Плюси та мінуси

Переваги:

• Миттєве підтвердження
• Висока пропускна здатність
• Добра конфіденційність
• Висока універсальність

Недоліки:

• Потрібно заздалегідь заблокувати кошти
• Учасники повинні залишатися онлайн
• Підтримка меншої кількості учасників
• Неможливо вирішити проблему масового виходу

3.1.5 Застосування

Біткойн-мережа блискавки:

• Запропоновано в 2015 році, випущено основну мережу в 2018 році
• У листопаді 2022 року було 76,236 платіжних каналів, кошти каналу 5049 BTC
• Екосистема охоплює кілька категорій, таких як платежі, гаманці, управління вузлами тощо, понад 100 додатків

Мережа Ethereum Thunderbolt:

• Засновано в 2017 році, випущено версію основної мережі в 2020 році
• Високий поріг входу, повільний розвиток екосистеми
• Перехід на роботу в мережі Layer2 Rollup

Мережа Celer:

• Додано шар стимулювання до мережі Lightning
• Підходить для додатків з високою частотою взаємодій, таких як платформи електронного спорту
• Випущено продукти, такі як міжланцюговий міст cBridge

3.2 Бічні ланцюги

3.2.1 Огляд

Бічна ланка – це форма блокчейну, що виникла для прискорення транзакцій біткойнів, яка може використовувати більш складні контракти або вдосконалювати механізм консенсусу. Результати транзакцій бічної ланки в кінцевому підсумку будуть записані на стороні валідаторів і передані назад на основну ланку.

3.2.2 Хронологія

• 2012/01: Концепція бічного ланцюга біткойна вперше була запропонована
• 2014/10: Опублікована стаття про бічні ланцюги біткоїна
• 2017/04:Запуск тестової мережі POA Network
• 2017/10: Запуск Matic Network
• 2018/01:Запуск тестової мережі Skale
• 2020/06: Запуск основної мережі Matic PoS Chain
• 2021/02:Запуск основної мережі Ronin
• 2021/12: xDai Chain об'єдналася з Gnosis Dao і утворила Gnosis Chain

3.2.3 Технічні принципи

Бічні ланцюги мають два основні способи зв'язку з головним ланцюгом:

1. Двостороннє закріплення ( Симетричне закріплення ): валідатори основного ланцюга та бічного ланцюга в реальному часі фіксують поточний стан один одного, використовуючи технологію SPV для перевірки транзакцій.

2. Некомунікативне закріплення ( Асиметричне закріплення ): Валідатори побічного ланцюга моніторять активність основного ланцюга, але основна мережа не може підтвердити стан побічного ланцюга, необхідно ввести механізм сертифікаторів для перевірки транзакцій побічного ланцюга.

Наразі дедалі більше бічних ланцюгів обирають використання третіх сторін як нотаріусів (PoA) механізму або посередницького шару Relayers для підтвердження стану блоків основного ланцюга.

Підсумок механізму бічного ланцюга:

• Активи з основного ланцюга до бічного ланцюга: основний ланцюг блокує активи, бічний ланцюг генерує обгорнуті активи
• Активи з побічного ланцюга на основний ланцюг: побічний ланцюг знищує wrapped asset, основний ланцюг розблоковує активи

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

3.2.4 Плюси та мінуси

Переваги:

• Висока налаштовуваність
• Може підтримувати складні смарт-контракти
• Міжланцюговий переніс активів
• незалежний механізм управління

Недоліки:

• безпечність нижча
• Ризики централізації
• Складність міжланцюгового зв'язку висока
• Двостороннє закріплення потребує більш тривалого часу підтвердження

3.2.5 Додаток

xDai тепер Chain( Gnosis Chain):

• Запуск основної мережі у вересні 2018 року, злиття з Gnosis у квітні 2022 року
• Використання механізму консенсусу PoSDAO
• TVL приблизно 5300 мільйонів доларів США, екосистема має 35 поточних проектів

Багатокутник:

• Запуск основної мережі Matic PoS Chain та Plasma Chain у червні 2020 року
• У 2021 році бренд був оновлений до Polygon, з переходом на агрегатор
• Вже є 37k+ Dapp, 1.8B загальної кількості транзакцій та 135M+ користувачів

Ронін:

• бічний ланцюг, розроблений для гри Axie Infinity
• Запуск основної мережі в березні 2021 року, використовуючи механізм консенсусу PoA
• У березні 2022 року зазнав хакерської атаки на суму 624 мільйони доларів

3.3 Плазма

3.3.1 Огляд

Plasma є фреймворком для створення масштабованих Dapp, який має на меті зменшити довіру користувачів до операторів побічних ланцюгів. Основним принципом Plasma є те, що навіть у разі виникнення безпекових збоїв у Plasma-ланцюзі, активи всіх користувачів можуть бути вилучені з Plasma-ланцюга і повернені на основну мережу.

3.3.2 Часова лінія

• 2017/08: Випуск білого паперу Plasma
• 2018/01: представлено перше офіційне застосування Plasma Plasma MVP
• 2018/03: запропоновано Plasma Cash для вирішення проблеми масового виходу
• 2018/06: запропонували Plasma Debit
• 2018/11: запропоновано Plasma Prime
• З 2019 року: спільнота Ethereum почала досліджувати рішення Rollups

3.3.3 Технічні принципи

Основна ідея Plasma:

• поза блокчейном виконання: більшість роботи обробляється поза основною мережею
• Зобов'язання статусу: зберігання стиснутої версії стану Plasma-ланцюга за допомогою Merkle Root
• Механізм виходу: Користувач повинен довести основній мережі, що має доступні для виведення та правильної суми кошти

Використання процесу:

1. Користувач вносить кошти в контракт Plasma на основній мережі
2. Користувач проводить транзакції на ланцюзі Plasma
3. Оператор упакує транзакцію та подасть зобов'язання про статус до основної мережі
4. Користувач ініціює запит на виведення коштів, після періоду оскарження може вивести кошти

3.3.4 Плюси та мінуси

Переваги:

• Висока пропускна здатність
• Низькі торгові витрати
• Наслідок безпеки основної мережі

Недоліки:

• Складний механізм виходу
• Проблеми з доступністю даних
• Користувачам потрібно часто моніторити
• Обмежена функціональність

3.3.5 Застосування

Основні застосування:

• Plasma Group → Optimism(Оптимістичний ролап)
• OMG Network → Boba Network(Оптимістичний Ролап)
• Polygon(раніше Matic Network) → повноцінне L2 рішення

Підсумок: Plasma є технічним перехідним рішенням, обмеженим проблемами самої технології, основні застосування швидко перейшли до розробки рішень на основі Rollups.

3.4 Ролапи

3.4.1 Огляд

Основна ідея Rollups полягає в тому, щоб розмістити обчислювальний процес і зберігання стану поза блокчейном, тоді як у головному ланцюгу зберігати зобов'язання стану та стиснуті дані транзакцій.

Rollups поділяються на два типи:

• Оптимістичні роллепи: гарантують правильність за допомогою доказів шахрайства
• ZK Rollups: через ефективне доведення ( нульового знання ) гарантує правильність

3.4.2 Технічні принципи

Основний механізм:

• поза блокчейном віртуальна машина виконує транзакції та зберігання стану
• Завантажте стиснені дані транзакцій та корінь стану до смарт-контракту основного ланцюга