Глибина аналізу розширення поза блокчейном

1. Необхідність розширення

Майбутнє блокчейну полягає в децентралізації, безпеці та масштабованості, але зазвичай можна реалізувати лише два з цих трьох, що і є проблемою неможливого трикутника блокчейну. Протягом багатьох років люди досліджують, як підвищити пропускну здатність і швидкість транзакцій блокчейну, забезпечуючи децентралізацію та безпеку, тобто вирішуючи проблему масштабування.

Давайте спочатку визначимо децентралізацію, безпеку та масштабованість блокчейну:

• Децентралізація: будь-хто може стати вузлом для участі в системі блокчейн, чим більше вузлів, тим вищий рівень децентралізації.
• Безпека: Чим вищі витрати на отримання контролю над системою блокчейн, тим вища безпека, ланцюг може протистояти атакам значної частини учасників.
• Масштабованість: здатність блокчейну обробляти велику кількість транзакцій.

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

Перший значний жорсткий форк мережі Біткойн виник через проблему розширення. Зі збільшенням кількості користувачів та обсягу транзакцій мережа Біткойн з обмеженням у 1 МБ почала стикатися з проблемою заторів. З 2015 року у спільноті Біткойн існували розбіжності щодо проблеми розширення, що в підсумку призвело до першого значного жорсткого форку в історії Біткойн 1 серпня 2017 року, в результаті якого виникла нова криптовалюта BCH.

Точно так само, мережа Ethereum також вибрала жертвувати частиною масштабованості, щоб забезпечити безпеку та децентралізацію мережі. Хоча Ethereum не обмежує розмір блоку, як це робить Bitcoin, але опосередковано встановлює ліміт на максимальну плату за газ, яку може вмістити один блок, мета - досягти Trustless Consensus і забезпечити широке поширення вузлів.

Від CryptoKitties у 2017 році, літо DeFi, до пізніших зростань таких ланцюгових застосувань, як GameFi та NFT, ринок постійно зростає в потребі до пропускної здатності, але Ethereum все ще може обробляти лише 15-45 транзакцій на секунду. Це призводить до зростання витрат на транзакції, подовження часу розрахунків, більшість DApps важко витримують витрати на експлуатацію, і вся мережа стає повільною та дорогою для користувачів, проблема масштабування блокчейна терміново потребує вирішення. Ідеальним рішенням для масштабування є: підвищити швидкість транзакцій та пропускну здатність мережі якомога більше, не жертвуючи децентралізацією та безпекою.

2. Категорії планів розширення

Ми класифікуємо плани розширення на дві основні категорії: розширення на основній мережі та розширення поза блокчейном, відповідно до стандарту "чи змінюється один рівень основної мережі".

2.1 Розширення в ланцюзі

Основна концепція: рішення, яке досягає ефекту масштабування шляхом зміни одного рівня протоколу основної мережі, в даний час основним рішенням є шардінг.

Існує кілька варіантів розширення поза блокчейном, у цій статті не будемо їх розглядати, лише коротко наведемо два з них:

• Варіант один – це розширення блочного простору, тобто збільшення кількості транзакцій, упакованих у кожен блок, але це підвищить вимоги до обладнання високопродуктивних вузлів і знизить рівень «децентралізації».

• Варіант два - це шардінг, який розділяє бухгалтерський запис блокчейну на кілька частин, за які відповідають різні вузли. Це може знизити обчислювальне навантаження на вузли та зменшити бар'єри для приєднання, підвищуючи швидкість обробки транзакцій та рівень децентралізації; але це означає, що обчислювальна потужність мережі буде розподілена, що може знизити "безпеку" всієї мережі.

Зміна рівня основного мережевого протоколу може спричинити непередбачувані негативні наслідки, оскільки будь-яка незначна уразливість безпеки на нижньому рівні серйозно загрожує безпеці всієї мережі.

2.2 поза блокчейном розширення

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

поза блокчейном рішення для масштабування можна також поділити на Layer2 та інші рішення:

• Layer2:друга мережа, побудована поверх основного ланцюга
• Бічний ланцюг: незалежний блокчейн, який працює паралельно з основним ланцюгом
• Plasma: особливий бічний ланцюг
• Validium: розширення доступності даних поза блокчейном

3. Поза блокчейном розширення

3.1 Державні канали

3.1.1 Огляд

Стан каналу визначає, що користувачі повинні взаємодіяти з основною мережею лише під час відкриття, закриття або вирішення суперечок, а взаємодії між користувачами відбуваються поза блокчейном, щоб знизити витрати часу та грошей на транзакції та забезпечити необмежену кількість транзакцій.

Канали стану – це простий P2P протокол, який підходить для "застосунків на основі раундів", наприклад, для гри в шахи між двома людьми. Кожен канал управляється багатопідписним смарт-контрактом, що працює в основній мережі, цей контракт контролює активи, внесені в канал, перевіряє оновлення стану та арбітражить суперечки між учасниками. Після розгортання контракту в мережі учасники вносять кошти та блокують їх, після підтвердження підписів обох сторін канал офіційно відкривається. Канал дозволяє учасникам проводити необмежену кількість безкоштовних транзакцій поза блокчейном (, якщо чиста вартість переказу не перевищує загальну суму внесених токенів ). Учасники по черзі надсилають оновлення стану один одному, чекаючи підтвердження підпису від іншого. У нормальних умовах оновлення стану, погоджені обома сторонами, не завантажуються в основну мережу, лише у випадку суперечок або закриття каналу, потрібно спиратися на підтвердження основної мережі. Під час закриття каналу будь-який учасник може подати запит на транзакцію в основну мережу, якщо отримано схвалення підписів усіх учасників, вона виконується негайно; інакше потрібно почекати закінчення "періоду виклику", щоб отримати залишкові кошти.

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

3.1.2 Таймлайн

• 2015/02: Джозеф Пун і Тадеуш Дріджа опублікували чернетку білого паперу про світлову мережу.
• 2015/11: Джефф Колман вперше систематично узагальнив концепцію State Channel, запропонувавши, що Payment Channel біткойна є підвипадком State Channel.
• 2016/01: Джозеф Пун і Тадеуш Дріджа офіційно опублікували білий папір по мережі Lightning, запропонувавши рішення для масштабування біткойна через платіжні канали.
• 2017/11: було запропоновано першу специфікацію дизайну State Channel на основі фреймворку Payment Channel під назвою Sprites.
• 2018/06: Counterfactual представив детальний дизайн Генералізованих Державних Каналів.
• 2018/10: Узагальнені мережі державних каналів вводять поняття державних канальних мереж та віртуальних каналів.
• 2019/02: Концепція статусних каналів розширена до N-Party Channels, Nitro є першим протоколом, створеним на основі цієї ідеї.
• 2019/10:Pisa розширила концепцію Watchtowers, щоб вирішити питання, що всім учасникам потрібно бути постійно в онлайні.
• 2020/03:Hydra запропонувала Швидкі ізоморфні канали.

3.1.3 Технічний принцип

Процес роботи каналу стану:

1. Аліса та Боб через внесення коштів з особистого EOA на адрес контракту поза блокчейном, ці кошти блокуються в контракті. Після підписання обома сторонами, канал стану офіційно відкривається.

2. Аліса і Боб можуть проводити необмежену кількість транзакцій поза блокчейном, спілкуючись один з одним за допомогою зашифрованих підписаних повідомлень. Обидві сторони повинні підписати кожну транзакцію, щоб запобігти подвійним витратам. Через ці повідомлення вони пропонують оновлення стану своїх рахунків та приймають оновлення стану, запропоновані один одним.

3. Якщо Аліса хоче закрити канал і завершити угоду, вона повинна 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 кошти відповідному користувачу після закінчення періоду оскарження.

3.1.4 Плюси та мінуси

Переваги:

• Миттєве підтвердження
• Висока пропускна здатність
• Низька вартість
• Хороша конфіденційність

Недоліки:

• Потрібно заблокувати кошти
• Учасники повинні залишатися в онлайн режимі
• Важко обробляти багатосторонні транзакції
• Не підходить для складних смарт-контрактів
• Концентрація ризику
• Поганий досвід користувача

3.1.5 Застосування

Біткойн-мережа Lightning:

• Мережа малих платежів Bitcoin, що складається з позаблокчейн малих платіжних каналів і посередників, вирішує питання розширення мережі Bitcoin.
• У лютому 2015 року був опублікований проект білого паперу, у березні 2018 року був випущений основний мережевий варіант.
• Станом на листопад 2022 року, у мережі Lightning було 76 236 платіжних каналів з капіталом каналу 5049 BTC.
• Екосистема включає в себе понад 100 додатків, таких як платежі, гаманці, управління вузлами, розширення для браузера тощо.

Мережа Ethereum Thunderbolt:

• Мікроплатіжний канал на базі Ethereum, подібний до мережі Lightning.
• Заснована в 2017 році, перший клієнт основної мережі запущено в травні 2020 року.
• Наразі не отримав широкого впровадження, причини включають високий рівень входження, появу більш прогресивних технологій масштабування тощо.

Мережа Celer:

• По суті, це блискавична мережа з додатковим рівнем стимулювання.
• Засновано в 2018 році, у липні 2019 року запущено основну мережу Ethereum.
• Перетворено на платформу агрегації розширення L2 з підтримкою крос-ланцюгових технологій, запущено DeFi протокол Layer2.finance, протокол інформаційного крос-ланцюга Celer IM та міст активів cBridge та інші продукти.

3.2 Бічні ланцюги

3.2.1 Огляд

Концепція бічного ланцюга була вперше запропонована у 2012 році як форма блокчейну, що виникла для прискорення транзакцій біткоїнів. Бічні ланцюги можуть використовувати більш складні контракти або покращувати механізм консенсусу (, як PoS ), або параметри блоку, щоб зробити бічний ланцюг придатним для конкретних функцій. Результати транзакцій бічного ланцюга в кінцевому підсумку записуються на стороні валідаторів, коли вони передаються назад до основного ланцюга. Ця модель блокчейну не є новою формою блокчейну, а є інфраструктурою, що прикріплюється до основного ланцюга і допомагає основному ланцюгу вирішувати проблеми.

3.2.2 Хронологія

• 2012/01: Концепція бокового ланцюга біткойна була запропонована в чаті
• 2014/10: перше публікація статті про біткойн-сайдчейн: Симетричний Пег і Асиметричний Пег
• 2017/04: Запуск тестової мережі побічного ланцюга POA Network на основі консенсусу Proof of Authentication Ethereum
• 2017/10: Запуск Matic Network
• 2017/12: Запуск основної мережі POA Network
• 2018/01:Запуск тестової мережі Skales
• 2018/10:Запуск тестової мережі xDai Chain
• 2020/06:Запуск основної мережі Skale
• 2020/06: запущено основну мережу Ethereum бічної лінії Matic PoS Chain
• 2021/02:Matic Network перейменовано в Polygon Network
• 2021/02: Гра Axie Infinity запустила основну мережу Ronin
• 2021/12: xDai Chain об'єдналася з Gnosis Dao і утворила Gnosis Chain
• 2022/03: Мережу POA об'єднано з Gnosis Chain

3.2.3 Технічні принципи

Технічний принцип бокового ланцюга включає дві основні технології міжланцюгового зв'язку:

Симетричний прив'язаний:

• Верифікатори основного ланцюга та бокового ланцюга в реальному часі фіксують поточний стан один одного
• Використання двонаправленої технології SPV для передачі інформації
• При передачі токена з головного ланцюга на побічний, створюється спеціальний вихід, який можуть розблокувати лише валідатори побічного ланцюга.
• Потрібно дочекатися періоду підтвердження та періоду конкурсу, щоб уникнути атаки подвійної витрати

Асиметричний прив’язаний:

• Валідатори бічного ланцюга повинні в режимі реального часу моніторити активність основного ланцюга
• Переведення з основного ланцюга на побічний ланцюг (forward transaction) здійснюється активним записом на побічному ланцюзі
• Переказ з бічного ланцюга на головний ланцюг ( зворотна транзакція ) потребує впровадження механізму сертифікаторів.
• Сертифікатори фіксують ключову інформацію та передають її назад до основного ланцюга через агрегацію підписів

Підсумок механізму бічного ланцюга:

• Головний ланцюг→бічний ланцюг: головний ланцюг блокує активи, бічний ланцюг генерує wrapped asset
• Бічний ланцюг→Головний ланцюг: знищення wrapped asset на бічному ланцюгу, розблокування активів на головному ланцюзі

Безпека активів у бічному ланцюзі залежить від механізму консенсусу бічного ланцюга. Якщо хтось на бічному ланцюзі створює активи з повітря, це може створити ризик крадіжки коштів.

3.2.4 Плюси та мінуси

Переваги:

• Хороша масштабованість
• Висока кастомізація
• Не впливають на безпеку основної ланцюга
• Можна експериментувати з новими функціями

Недоліки:

• безпечність є відносно низькою
• Крос-чейн операції складні
• Розподіл ліквідності
• Потрібен незалежний механізм стимулювання
• Ризик централізації

3.2.5 Додаток

xDai( Gnosis Chain):

• Запуск основної мережі у вересні 2018 року
• Використовуйте режим верифікації PoSDAO
• Злиття з Gnosis DAO у листопаді 2021 року
• Наразі TVL близько $53M, є 35 активних проєктів

Багатокутник:

• У 2017 році була заснована Matic Network, у лютому 2021 року вона була перейменована на Polygon
• У червні 2020 року запущено основну мережу Matic PoS Chain та Matic Plasma Chain
• Наразі перехід на повноцінні L2 рішення
• Має понад 37k DApp, 1.8B загальних транзакцій, понад 135M користувачів

Ронін:

• 2021 року в березні запущено основну мережу, спеціально