Поглиблений аналіз розширення поза блокчейном

1. Необхідність розширення

Майбутнє блокчейну полягає в децентралізації, безпеці та масштабованості. Але зазвичай блокчейн може реалізувати лише два з цих аспектів, що називається проблемою неможливого трикутника блокчейну. Протягом багатьох років люди досліджували, як підвищити пропускну здатність та швидкість транзакцій блокчейну, забезпечуючи при цьому децентралізацію та безпеку, тобто вирішуючи проблему масштабування.

Давайте спочатку визначимо децентралізацію, безпеку та масштабованість блокчейну:

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

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

Перший значний хард-форк мережі Біткойн виник через проблеми з розширенням. 1 серпня 2017 року, Bitcoin ABC самостійно розробив клієнтську систему з 8 МБ блоками, що призвело до першого значного хард-форку в історії Біткойна, в результаті чого з'явилася нова монета BCH.

Мережа Ethereum також вибрала жертвувати частиною масштабованості, щоб забезпечити безпеку та децентралізацію мережі. Від CryptoKitties 2017 року до літа DeFi, а потім до зростання таких ланцюгових застосувань, як GameFi та NFT, попит на пропускну спроможність на ринку постійно збільшувався, але Ethereum може обробляти лише 15-45 транзакцій за секунду. Це призвело до зростання вартості транзакцій, збільшення часу розрахунку, більшість Dapps важко витримують витрати на експлуатацію, вся мережа стала для користувачів повільною та дорогою, проблема розширення блокчейну потребує термінового вирішення.

2. Категорії планів розширення

Ми розділяємо плани розширення на дві великі категорії: розширення на базі блокчейна та розширення поза блокчейном, спираючись на стандарт "чи змінюється один рівень основної мережі".

2.1 розширення на блокчейні

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

Розширення на блокчейні має кілька варіантів, у цій статті не буде розгорнуто, коротко наведемо два:

• Розширення простору блоків, тобто збільшення кількості транзакцій, що упаковані в кожен блок, але це знизить рівень "децентралізації".
• Шардинг, розподіл блокчейн-реєстру на кілька частин, за які відповідають різні вузли, може знизити навантаження на обчислення вузлів, але знизить загальну "безпеку" мережі.

Зміна основного протоколу мережі може призвести до непередбачуваних негативних наслідків, оскільки навіть незначна вразливість безпеки на нижньому рівні може серйозно загрожувати безпеці всієї мережі.

2.2 поза блокчейном розширення

Основна концепція: рішення щодо масштабування, яке не змінює існуючий протокол основної мережі першого рівня.

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

• Шар 2:
  • Державні канали
  • Плазма
  • Ролапи(Оптимістичні ролапи, ZK ролапи)
• Інше:
  • Бічні ланцюги
  • Валідіум

3. Плани розширення поза блокчейном

3.1 Державні канали

3.1.1 Резюме

Стан каналів передбачає, що користувачі повинні взаємодіяти з основною мережею тільки під час відкриття, закриття чи вирішення суперечок, а взаємодії між користувачами здійснюються поза блокчейном, щоб знизити витрати часу та грошей на транзакції та досягти необмеженої кількості транзакцій.

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

3.1.2 Таймлайн

• 2015/02: Джозеф Пун та Таддеус Дріджа опублікували проект білого паперу про мережу Lightning.
• 2015/11: Джефф Колман вперше систематично узагальнив концепцію State Channel.
• 2016/01: Джозеф Пун і Таддеус Дріджа офіційно опублікували білій книгу про мережу блискавки Біткойн.
• 2017/11: Перша специфікація дизайну State Channel на основі фреймворку Payment Channel, відома як Sprites, була представлена.
• 2018/06: Counterfactual запропонував проєкт Генералізованих Державних Каналів.
• 2018/10: Запроваджено концепції державних канальних мереж та віртуальних каналів.
• 2019/02: статус-канали розширені до N-Party Channels, Nitro є першим протоколом, створеним на основі цієї ідеї.
• 2019/10: Pisa розширила концепцію Watchtowers, щоб вирішити проблему постійного онлайн-режиму для всіх учасників.
• 2020/03:Hydra запропонував Швидкі ізоморфні канали.

3.1.3 Технічний принцип

Робочий процес Державних Каналів:

1. Аліса та Боб розгорнули мультипідписний контракт в основній мережі та внесли кошти на заморожування.
2. Аліса та Боб проводять кілька транзакцій поза блокчейном, кожну з яких обидві сторони підтверджують підписом.
3. При закритті каналу Аліса подає остаточний стан до контракту. Якщо Боб підпише та схвалить, контракт розподіляє кошти відповідно до остаточного стану. Якщо Боб не відповідає, потрібно дочекатися закінчення періоду оскарження, щоб отримати кошти.

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

3.1.4 Плюси та мінуси

Переваги:

• Миттєва остаточність
• Низькі торгові комісії
• Висока конфіденційність

Недоліки:

• Високі витрати на ініціалізацію каналу
• Учасники повинні залишатися в мережі
• Погана ліквідність заблокованих коштів
• Важко застосувати в загальних сценаріях

3.1.5 Застосування

1. Біткойн-мережа блискавки

   • Огляд: мережа дрібних платежів Bitcoin, що складається з позаблокчейнових дрібних платіжних каналів та посередників.
   • Хронологія: запропоновано у 2015 році, випущено версію основної мережі у 2018 році, у 2022 році кілька бірж підтримали мережу блискавки.
   • Екосистема: вже більше 20 категорій та понад 100 додатків, включаючи платежі, гаманці, управління вузлами тощо.

2. Мережева технологія Ethereum Lightning

   • Огляд: канал дрібних платежів на базі Ethereum, подібний до мережі Lightning.
   • Хронологія: заснована у 2017 році, перший Light Client випущено у 2020 році.
   • Розвиток стримується: високі бар'єри для входу, поява більш сучасних технологій розширення тощо призводять до того, що не було широкого впровадження.

3. Мережа Celer

   • Огляд: Додати шар стимулювання до мережі Lightning, що підходить для високочастотних інтерактивних застосувань, таких як платформи для електронних спортивних змагань.
   • Хронологія: заснована в 2018 році, запуск основної мережі в 2019 році.
   • Екосистема: вже запущено DeFi протокол Layer2.finance, кросчейн протокол Celer IM та міст активів cBridge.

3.1.6 Порівняння застосунків

Біткоїн-мережа Lightning, мережа Lightning Ethereum та мережа Celer мають свої особливості у функціональності, безпеці, рівні децентралізації тощо, що робить їх придатними для різних сценаріїв.

3.2 Бічні ланцюги

3.2.1 Резюме

Бічний ланцюг — це форма блокчейну, що виникла для прискорення транзакцій головного ланцюга, яка може використовувати більш складні контракти або покращити механізм консенсусу. Бічний ланцюг прикріплений до головного ланцюга і допомагає головному ланцюгу вирішувати проблеми.

3.2.2 Хронологія

• 2012/01: Концепція бічних ланцюгів Біткоїна вперше була запропонована
• 2014/10: Публікація документації про бічні ланцюги Bitcoin
• 2017-2022: кілька проектів побічних ланцюгів поступово запустилися, такі як POA Network, Matic Network(, яка пізніше була перейменована на Polygon), xDai Chain та ін.

3.2.3 Технічні принципи

Бічні ланки мають дві основні технології крос-ланок:

1. Симетричний прив'язаний ( двостороннє закріплення ):

   • Верифікатори основного ланцюга та бокового ланцюга в реальному часі записують поточний стан один одного
   • Використання двосторонньої технології SPV для передачі інформації
   • При перенесенні основних активів на бічний ланцюг створюється SPV-Locked Output, який можуть розблокувати лише валідатори бічного ланцюга.

2. Асиметричне закріплення ( неузгоджене закріплення ):

   • Верифікатори бічних ланцюгів моніторять активність основного ланцюга, можуть активно фіксувати транзакції з основного ланцюга на бічний.
   • Для транзакцій між бічною ланцюгом та основним ланцюгом необхідно впровадження механізму Certifiers, який буде перевіряти та підписувати Certifiers.

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

3.2.4 Переваги та недоліки

Переваги:

• Можливість швидких угод і низьких комісій
• Може реалізувати тюрінгову повноту
• Можливість налаштування механізму консенсусу

Недоліки:

• Безпека залежить від валідаторів бічного ланцюга
• Переміщення активів основного бічного ланцюга вимагає часу очікування
• Низький рівень децентралізації

3.2.5 Застосування

1. xDai( Gnosis Chain)

   • Огляд: Бокова ланка на основі DAI, комісія за транзакцію легко розраховується
   • Часова шкала: запущено в 2018 році, об'єднано з Gnosis у 2022 році
   • Екосистема: у рейтингу DeFi Llama на 20-му місці, TVL приблизно 53 млн доларів

2. Багатокутник

   • Огляд: агрегатор рішень для масштабування Ethereum
   • Хронологія: засновано в 2017 році, запуск основної мережі в 2020 році, перейменовано на Polygon у 2021 році
   • Екосистема: має 37k+Dapp, 1.8B загальна кількість транзакцій та 135M+ користувачів

3. Ронін

   • Огляд: бічний ланцюг, розроблений для гри Axie Infinity
   • Хронологія: запуск основної мережі в березні 2021 року, атака хакерів в березні 2022 року
   • Екосистема: головним чином обслуговує додатки, пов'язані з Axie Infinity

3.2.6 Порівняння застосунків

xDai, Polygon та Ronin мають різні технічні характеристики, сфери застосування та екологічний розвиток, що робить їх придатними для різних потреб використання.

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

3.3 Плазма

3.3.1 Огляд

Plasma є фреймворком для створення масштабованих Dapp, який призначений для зменшення довіри користувачів до операторів побічних ланцюгів до мінімуму. Навіть якщо оператор вчинить злочин, Plasma може запобігти крадіжці коштів користувачів.

3.3.2 Таймлайн

• 2017/08: Віталік та Джозеф Пун представили білий документ Plasma
• 2018/01: запропоновано Plasma MVP
• 2018/03: запропоновано Plasma Cash
• 2018/06: запропоновано Plasma Debit
• 2018/11: запропоновано Plasma Prime
• З 2019 року: спільнота Ethereum почала досліджувати нові рішення для масштабування другого рівня "Rollups"

3.3.3 Технічні принципи

Основна ідея Plasma:

• поза блокчейном виконання: більшість роботи обробляється поза основною мережею
• Зобов'язання статусу: Operator регулярно публікує Merkle Root в основній мережі як зобов'язання статусу
• Механізм виходу: Користувач може подати Merkle Proof для підтвердження права власності на кошти

Використання процесу:

1. Користувач вносить кошти в контракт основної мережі
2. Користувач здійснює交易 на Plasma-лінії
3. Оператор упаковує транзакції та подає Merkle Root до основної мережі
4. Користувач ініціює запит на вихід, після періоду оскарження може вивести кошти

! Звіт про глибоке дослідження на 10 000 слів: комплексний аналіз масштабування поза мережею

3.3.4 Плюси та мінуси

Переваги:

• Висока пропускна здатність
• Низькі комісії за транзакції
• Наслідування безпечності основної мережі

Недоліки:

• Довгий час виходу
• Користувачам потрібно постійно моніторити Plasma-ланцюг
• Проблема масового виходу
• Проблема доступності даних

3.3.5 Застосування

1. Plasma Group → Оптимізм

   • У 2019 році переключилися на дослідження Optimistic Rollup

2. Мережа OMG → мережа Boba

   • Запуск основної мережі в 2020 році, використовуючи технологію More Viable Plasma
   • У 2021 році перейменовано на Boba Network, перехід на Optimistic Rollup

3. Багатокутник

   • Запуск Matic Plasma Chain у 2020 році
   • Задній поворот до повного стеку L2 рішень, включаючи технологію Rollups

3.3.6 Резюме

Plasma є технологічним перехідним рішенням, основні застосування якого вже були перенесені на інші технології масштабування, такі як Rollups.

3.4 Ролапи

3.4.1 Огляд

Основна ідея Rollups полягає в тому, щоб розмістити процес обчислень та зберігання стану поза блокчейном, а на упаковку в блокчейн відправляти зобов'язання стану та стиснуті дані транзакцій. Наразі основні типи - це Optimistic Rollups та ZK Rollups.

3.4.2 Технічні принципи

Котити