Глубина анализа вне блокчейна

1. Необходимость масштабирования

Будущее видение блокчейна заключается в децентрализованности, безопасности и масштабируемости, но обычно возможно реализовать только два из этих трех аспектов, что и есть проблема невозможного треугольника блокчейна. На протяжении многих лет люди искали способы повышения пропускной способности и скорости транзакций блокчейна при обеспечении децентрализованности и безопасности, то есть решения проблемы масштабирования.

Давайте сначала определим децентрализованность, безопасность и масштабируемость блокчейна:

• Децентрализация: любой может стать узлом и участвовать в системе блокчейн, чем больше узлов, тем выше степень децентрализации.
• Безопасность: Чем выше стоимость получения контроля над блокчейн-системой, тем выше безопасность, и цепочка может противостоять атакам значительной доли участников.
• Масштабируемость: способность блокчейна обрабатывать большое количество транзакций.

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

Первый значительный хардфорк в сети Биткойн произошел из-за проблемы масштабируемости. С увеличением числа пользователей и объема транзакций сеть Биткойн с ограничением в 1 МБ начала испытывать проблемы с перегрузкой. Начиная с 2015 года в сообществе Биткойн существовали разногласия по поводу масштабируемости, что в конечном итоге привело к первому значительному хардфорку в истории Биткойн 1 августа 2017 года, который породил новый вид монеты BCH.

Аналогично, сеть Эфириума также выбрала жертвовать частью своей масштабируемости для обеспечения безопасности и децентрализации сети. Хотя Эфириум не ограничивает размер блока, как это делает Биткойн, однако косвенно устанавливает предел на размер комиссии за газ, которая может быть включена в один блок, с целью достижения доверительного консенсуса и обеспечения широкого распределения узлов.

С 2017 года, начиная с CryptoKitties, лета DeFi, до появления таких цепочечных приложений, как GameFi и NFT, спрос на пропускную способность на рынке постоянно возрастает, но Ethereum по-прежнему может обрабатывать только 15-45 транзакций в секунду. Это приводит к увеличению стоимости транзакций, увеличению времени расчета, и большинству DApps трудно выдерживать эксплуатационные расходы, в результате чего вся сеть становится медленной и дорогой для пользователей, и проблему масштабирования блокчейна необходимо срочно решать. Идеальное решение для масштабирования заключается в том, чтобы максимально увеличить скорость транзакций и пропускную способность сети, не жертвуя децентрализацией и безопасностью.

2. Категории решения для масштабирования

Мы разделили планы по расширению на два основных типа: расширение в блокчейне и вне блокчейна, исходя из критерия "изменится ли уровень основной сети".

2.1 Масштабирование на цепочке

Основная концепция: решение, достигающее эффекта масштабирования путем изменения слоя основного сетевого протокола, в настоящее время основным решением является шардирование.

Существует множество решений для масштабирования в блокчейне, в этой статье не будет развиваться тема, кратко перечислим два из них:

• Вариант один - это расширение пространства блока, то есть увеличение количества транзакций, упакованных в каждом блоке, но это повысит требования к высокопроизводительным узлам и снизит уровень "децентрализации".

• Второй вариант - это шarding, когда бухгалтерская книга блокчейна делится на несколько частей, за которые отвечают разные узлы. Это может снизить вычислительное давление на узлы и порог для вступления, увеличить скорость обработки транзакций и степень децентрализации; но это означает, что вся вычислительная мощность сети будет распределена, что снизит "безопасность" всей сети.

Изменение протокола основной сети может вызвать непредсказуемые негативные последствия, поскольку любые мелкие уязвимости безопасности на нижнем уровне могут серьезно угрожать безопасности всей сети.

2.2 вне блокчейна расширение

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

вне блокчейна расширения схемы можно дополнительно разделить на Layer2 и другие схемы:

• Layer2:второй уровень сети, построенный на главной цепи
• Боковая цепь: независимая блокчейн, работающая параллельно с основной цепью
• Plasma: специальная побочная цепь
• Validium: решение по масштабированию доступности данных вне блокчейна

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

3. Решение по расширению вне блокчейна

3.1 Государственные каналы

3.1.1 Обзор

Согласно правилам состояния канала, пользователи должны взаимодействовать с основной сетью только при открытии, закрытии или разрешении споров, а взаимодействие между пользователями происходит вне блокчейна, чтобы снизить затраты времени и денег на транзакции и обеспечить неограниченное количество транзакций.

Состояние канала - это простой P2P-протокол, подходящий для "игр с пошаговым взаимодействием", таких как шахматы на двоих. Каждый канал управляется многофункциональным смарт-контрактом, работающим в основной сети, который контролирует активы, внесенные в канал, проверяет обновления состояния и арбитражирует споры между участниками. После развертывания контракта в сети участники вносят средства и блокируют их, а после подтверждения подписей обеих сторон канал официально открывается. Канал позволяет участникам осуществлять неограниченное количество бесплатных транзакций вне блокчейна (, при условии, что чистая стоимость перевода не превышает общую сумму внесенных токенов ). Участники по очереди отправляют друг другу обновления состояния, ожидая подтверждения подписи от противоположной стороны. В нормальных условиях обновления состояния, согласованные обеими сторонами, не загружаются в основную сеть; только в случае спора или закрытия канала требуется подтверждение основной сети. При закрытии канала любой из участников может подать запрос на транзакцию в основной сети; если будет получено согласие всех подписей, транзакция будет выполнена немедленно; в противном случае потребуется дождаться окончания "периода оспаривания", прежде чем получить оставшиеся средства.

Таким образом, схема состояния канала может значительно уменьшить объем вычислений в основной сети, повысить скорость транзакций и снизить затраты на транзакции.

3.1.2 Временная шкала

• 2015/02:Joseph Poon и Thaddeus Dryja опубликовали черновик белой книги о сети Lightning.
• 2015/11: Джефф Коулман впервые систематически обобщил концепцию State Channel, предложив, что Payment Channel биткойна является подклассом State Channel.
• 2016/01: Joseph Poon и Thaddeus Dryja официально опубликовали белую книгу о сети Lightning, предложив решение по масштабированию Bitcoin через Payment Channel.
• 2017/11: Предложены первые спецификации дизайна State Channel на основе фреймворка Payment Channel под названием Sprites.
• 2018/06: Counterfactual предложил подробный дизайн обобщенных каналов состояния.
• 2018/10: В сети обобщенных каналов состояния были предложены концепции сетей каналов состояния и виртуальных каналов.
• 2019/02: Концепция каналов состояния расширяется до N-Party Channels, Nitro является первым протоколом, созданным на основе этой идеи.
• 2019/10: Pisa расширил концепцию Watchtowers, чтобы решить проблему постоянного онлайн-доступа всех участников.
• 2020/03: Hydra предложила Быстрые Изоморфные Каналы.

3.1.3 Технические принципы

Рабочий процесс каналов состояния:

1. Алиса и Боб внесли средства с личного EOA на адрес контракта в блокчейне, эти средства были заблокированы в контракте. После подтверждения их подписей статусный канал официально открыт.

2. Алиса и Боб могут проводить неограниченное количество сделок вне блокчейна, общаясь друг с другом с помощью зашифрованных подписанных сообщений. Обе стороны должны подписывать каждую сделку, чтобы предотвратить двойные расходы. Через эти сообщения они предлагают обновление состояния своих счетов и принимают предложенные обновления состояния от другой стороны.

3. Если Элис хочет закрыть канал и завершить сделку, ей необходимо предоставить контракту окончательное состояние своего аккаунта. Если Боб подписывает одобрение, контракт вернет заблокированные средства соответствующему пользователю в соответствии с окончательным состоянием. Если Боб не отвечает на подпись, контракт вернет средства соответствующему пользователю по истечении периода оспаривания.

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

3.1.4 Плюсы и минусы

Преимущества:

• Мгновенное подтверждение
• Высокая пропускная способность
• Низкая стоимость
• Хорошая конфиденциальность

Недостатки:

• Необходимо заблокировать средства
• Участники должны оставаться онлайн
• Трудно обрабатывать многопартнерские сделки
• Не подходит для сложных смарт-контрактов
• Централизованные риски
• Плохой пользовательский опыт

3.1.5 Приложение

Биткойн-Лайтнинг Сеть:

• Сеть микроплатежей биткойн, состоящая из вне блокчейна микроплатежных каналов и посредников, образует торговую сеть и решает проблему масштабируемости сети биткойн.
• В феврале 2015 года был опубликован проект белой книги, в марте 2018 года была выпущена основная версия.
• По состоянию на ноябрь 2022 года в сети Lightning было 76,236 платежных каналов, а сумма средств в каналах составила 5049 BTC.
• Экосистема включает более 100 приложений, таких как платежи, кошельки, управление узлами, расширения для браузеров и другие.

Эфириум Лайтнинг Сеть:

• Канал мелких платежей на основе Ethereum, аналогичный сети Lightning.
• Основана в 2017 году, первый клиент основной сети запущен в мае 2020 года.
• В настоящее время не получил широкого распространения, причины включают высокие барьеры для входа, появление более продвинутых технологий масштабирования и т.д.

Сеть Celer:

• По сути, это сеть молний, в которую добавлен слой стимулов.
• Основана в 2018 году, в июле 2019 года запущена основная сеть Ethereum.
• Превратился в агрегированную платформу L2 расширения, поддерживающую кросс-цепочку, выпустил продукты, такие как DeFi протокол Layer2.finance, кросс-цепочный информационный протокол Celer IM и мост активов cBridge.

3.2 Сайдчейн

3.2.1 Обзор

Концепция побочной цепи была впервые предложена в 2012 году и представляет собой форму блокчейна, появившуюся для ускорения транзакций биткойнов. Побочные цепи могут использовать более сложные контракты или улучшать механизмы консенсуса (, такие как PoS ), или параметры блоков, чтобы соответствовать конкретным функциям. Результаты транзакций побочной цепи в конечном итоге записываются на стороне валидатора при передаче обратно на основную цепь. Эта модель блокчейна не является новой формой блокчейна, а представляет собой инфраструктуру, которая прикреплена к основной цепи и помогает основной цепи решать проблемы.

3.2.2 Таймлайн

• 2012/01: Концепция побочной цепи Биткойна была предложена в чатах
• 2014/10: Первая публикация статьи о сайдчейнах Биткойна: Симметричное и асимметричное крепление
• 2017/04: Запуск тестовой сети побочной цепи POA Network на основе консенсуса Proof of Authentication Ethereum
• 2017/10: Запуск сети Matic Network
• 2017/12: Запуск основной сети POA Network
• 2018/01: Запуск тестовой сети Skales
• 2018/10:Запуск тестовой сети xDai Chain
• 2020/06:Запуск основной сети Skale
• 2020/06: Запуск основной сети Matic PoS Chain на стороне Ethereum
• 2021/02: Matic Network сменила название на Polygon Network
• 2021/02: Запуск основной сети Ronin, побочной цепи игры Axie Infinity
• 2021/12: xDai Chain объединилась с Gnosis Dao в Gnosis Chain
• 2022/03: POA Network объединился с Gnosis Chain

3.2.3 Технический принцип

Технические принципы побочной цепи включают две основные технологии кросс-цепочки:

Симметричный привязанный:

• Проверяющие главной цепи и побочной цепи в реальном времени фиксируют текущие состояния друг друга.
• Использование двунаправленной технологии SPV для передачи информации
• При переводе токена главной цепи на побочную цепь создается специальный вывод, который может быть разблокирован только валидаторами побочной цепи.
• Необходимо дождаться периода подтверждения и периода конкурса, чтобы избежать атаки двойного расходования.

Асимметричный привязанный:

• Проверяющие стороны цепочки должны в реальном времени отслеживать активность основной цепи
• Перевод средств от основной цепи к побочной цепи (forward transaction) осуществляется побочной цепью.
• Перевод с сайдчейна на основной цепи (обратная транзакция )должен быть введен механизм Сертифицирующих.
• Сертифицирующие записывают ключевую информацию и передают ее обратно в основную цепочку с помощью агрегированных подписей

Резюме механизма побочной цепи:

• Основная цепь → Боковая цепь: Основная цепь блокирует активы, боковая цепь генерирует обернутый актив
• Боковая цепь → Основная цепь: уничтожение обернутого актива в боковой цепи, разблокировка актива в основной цепи

Безопасность активов на побочной цепи зависит от механизма консенсуса побочной цепи. Если кто-то создает активы на побочной цепи из ниоткуда, может возникнуть риск кражи средств.

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

3.2.4 Достоинства и недостатки

Преимущества:

• Хорошая масштабируемость
• Высокая степень настройки
• Не влияет на безопасность основной цепи
• Можно протестировать новые функции

Недостатки:

• Безопасность относительно слабая
• Кросс-чейн операции сложные
• Распределенная ликвидность
• Необходима независимая система стимулов
• Риски централизации

3.2.5 Приложение

xDai( Gnosis Chain):

• Запуск основной сети в сентябре 2018 года
• Использование модели верификации PoSDAO
• Слияние с Gnosis DAO в ноябре 2021 года
• В настоящее время TVL примерно $53M, есть 35 текущих проектов

Многоугольник:

• В 2017 году была основана Matic Network, в феврале 2021 года она была переименована в Polygon
• В июне 2020 года был запущен основной сетевой Matic PoS Chain и Matic Plasma Chain
• В настоящее время переход на полностековое L2-решение
• Более 37k DApp, 1.8B общих транзакций, более 135M пользователей

Ронин:

• Март 2021 года, запуск основной сети, специализированный