Глубина анализа масштабирования вне блокчейна

1. Необходимость масштабирования

Будущее блокчейна — это величественное видение: децентрализация, безопасность и масштабируемость. Но обычно блокчейн может обеспечить только два из них; одновременное выполнение всех трех требований называется невозможной треугольной проблемой блокчейна. На протяжении многих лет люди искали способы решить эту задачу и повысить пропускную способность и скорость транзакций блокчейна при гарантированной децентрализации и безопасности, что, по сути, является решением проблемы масштабирования и является одной из актуальных тем обсуждения в процессе развития блокчейна.

Давайте сначала обобщенно определим децентрализацию, безопасность и масштабируемость блокчейна:

• Децентрализация: любой может стать узлом и участвовать в производстве и верификации блокчейн-системы, чем больше узлов, тем выше степень децентрализации, что обеспечивает защиту сети от контроля небольшой группы крупных централизованных участников.
• Безопасность: Чем выше затраты на получение контроля над блокчейн-системой, тем выше безопасность, и тем более цепочка может противостоять атакам со стороны значительной доли участников.
• Масштабируемость: способность блокчейна обрабатывать большое количество транзакций.

Первый значительный хард-форк сети Биткойн произошел из-за проблемы масштабируемости. С увеличением числа пользователей и объемов транзакций в сети Биткойн, ограничение в 1 МБ на каждый блок стало причиной проблем с перегрузкой; начиная с 2015 года, в сообществе Биткойн существовали разногласия по поводу масштабируемости, одна сторона, представленная Bitcoin ABC, поддерживала расширение блоков, в то время как другая сторона, представленная Bitcoin Core, выступала за использование решения Segwit для оптимизации структуры основной цепи. 1 августа 2017 года клиентская система Bitcoin ABC, разработанная до 8 МБ, начала работать, что привело к появлению первого значительного хард-форка в истории Биткойн и к созданию новой криптовалюты BCH.

Аналогично, сеть Ethereum также выбрала пожертвовать частью масштабируемости для обеспечения безопасности и децентрализации сети; хотя сеть Ethereum не ограничивает объем транзакций, как это делает сеть Bitcoin, ограничивая размер блока, но фактически преобразует это в установление верхнего предела на топливо, которое может быть вместимо в один блок, однако цель остается той же - достичь бездоверительного консенсуса и гарантировать широкое распределение узлов (. Независимо от того, отменяется или повышается лимит, это приведет к исключению многих меньших узлов, у которых недостаточно пропускной способности, хранилища и вычислительной мощности ).

С 2017 года, начиная с CryptoKitties, через лето DeFi, а затем с ростом таких цепочных приложений, как GameFi и NFT, рынок испытывает растущий спрос на пропускную способность. Однако даже Тьюринг-полноценный Ethereum может обрабатывать только 15-45 транзакций в секунду ( TPS ), что приводит к постоянному увеличению стоимости транзакций, удлинению времени расчетов, и большинство Dapps трудно выдерживают операционные затраты. Вся сеть для пользователей становится медленной и дорогой, проблема масштабирования блокчейна требует срочного решения. Идеальное решение для масштабирования: повысить скорость транзакций в блокчейн-сети ( с более коротким временем финализации ) и более высокой пропускной способностью ( TPS ), не жертвуя децентрализацией и безопасностью.

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

2. Категории решений по масштабированию

Мы разделили решения по масштабированию на две большие категории: масштабирование на блокчейне и вне блокчейна, основываясь на критерии «изменится ли уровень основной сети».

2.1 Масштабирование на блокчейне

Ключевая концепция: решение, достигающее эффекта масштабирования за счет изменения одного уровня протокола основной сети, в настоящее время основное решение - это шардирование.

Существует несколько решений для масштабирования в блокчейне, в этой статье они не будут подробно рассмотрены, ниже кратко перечислены два решения:

• Первый вариант заключается в расширении пространства блоков, то есть увеличении количества транзакций, упакованных в каждом блоке, но это повысит требования к высокопроизводительным узлам, увеличит порог входа для узлов и снизит уровень «децентрализации».
• Вариант два — это шардирование, которое делит блокчейн-реестр на несколько частей, и теперь не каждый узел участвует во всех записях, а разные шардовые узлы отвечают за разные записи, что позволяет параллельно обрабатывать несколько транзакций; это может снизить вычислительное давление на узлы и порог входа, а также повысить скорость обработки транзакций и степень децентрализации; однако это означает, что вычислительная мощность сети будет распределена, что может снизить «безопасность» всей сети.

Изменение кода протокола основного сетевого уровня может привести к непредсказуемым негативным последствиям, так как любое незначительное уязвимое место в безопасности на базовом уровне может серьезно угрожать безопасности всей сети, и сеть может быть вынуждена провести форк или прервать исправление обновлений. Например, инцидент с инфляционным уязвимым местом Zcash в 2018 году: код Zcash был основан на модифицированном коде версии Bitcoin 0.11.2, и в 2018 году инженер обнаружил, что в его базовом коде существует высокоприоритетная уязвимость, а именно токены могли бесконечно эмитироваться. Вскоре команда потратила 8 месяцев на секретное исправление, и только после исправления уязвимости этот инцидент был обнародован.

2.2 вне блокчейна расширение

Основная концепция: решение по масштабированию, не изменяющее существующий протокол основной сети первого уровня.

вне блокчейна решения по масштабированию можно дополнительно разделить на Layer2 и другие решения:

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

3. вне блокчейна расширение решения

3.1 Государственные каналы

3.1.1 Обзор

Состояние канала предполагает, что пользователи должны взаимодействовать с основной сетью только при открытии, закрытии или разрешении споров, а взаимодействие между пользователями осуществляется вне блокчейна, что позволяет снизить временные и денежные затраты пользователей на сделки, а также осуществлять неограниченное количество транзакций.

Каналы состояний — это простые протоколы P2P, которые подходят для «пошаговых приложений», таких как шахматные игры для двух игроков. Каждый канал управляется смарт-контрактом с множественной подписью, работающим в основной сети, который контролирует активы, внесенные в канал, проверяет обновления статуса и разрешает споры между участниками ( ) на основе доказательств мошенничества с подписями и временными метками. После того, как участники развертывают контракт в сети блокчейн, они вносят сумму средств и блокируют ее, а после подтверждения подписей обеих сторон канал официально открывается. Канал позволяет осуществлять неограниченное количество бесплатных транзакций вне сети между участниками ( при условии, что их чистая стоимость передачи не превышает ) от общей суммы внесенных токенов. Участники по очереди отправляют друг другу обновления статуса, ожидая подтверждения подписи друг друга. После того как другая сторона подпишет и подтвердит это, обновление статуса будет завершено. Как правило, взаимно согласованные обновления статуса не загружаются в основную сеть и используются только в случае спора или закрытия канала. Когда канал нужно закрыть, любой участник может сделать запрос на транзакцию в основной сети, и если запрос на выход будет единогласно подписан и одобрен всеми участниками, он будет выполнен сразу на цепочке, то есть смарт-контракт распределит оставшиеся заблокированные средства согласно балансу каждого участника в конечном состоянии канала; Если другие участники не подпишут одобрение, всем нужно будет дождаться окончания «Периода вызова», чтобы получить оставшиеся средства.

Таким образом, схема состояния канала может значительно снизить вычислительную нагрузку на основную сеть, повысить скорость транзакций и снизить стоимость транзакций.

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

3.1.2 Временная шкала

• 2015/02, Джозеф Пун и Таддеус Драйджа опубликовали проект белой книги сети Молнии.
• 2015/11, Джефф Коулман впервые систематически обобщил концепцию State Channel и предложил, что Payment Channel биткойна является подкатегорией концепции State Channel.
• 2016/01, Joseph Poon и Thaddeus Dryja официально опубликовали белую книгу «The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments», в которой предложили решение для масштабирования сети Биткойн – Payment Channel(, этот план предназначен только для обработки платежей на сети Биткойн.
• Ноябрь 2017 года, были предложены первые проектные спецификации Sprites для State Channel, основанные на рамках Payment Channel.
• 2018/06, Counterfactual предложил очень подробный дизайн Generalized State Channels, это первый полностью связанный с состоянием канала дизайн.
• В октябре 2018 года в статье Generalised State Channel Networks была предложена концепция State Channel Networks и Virtual Channels.
• 2019/02, концепция состояния канала была расширена до N-Party Channels, Nitro — это первый протокол, созданный на основе этой идеи.
• 2019/10, Pisa расширила концепцию Watchtowers, чтобы решить проблему постоянного онлайн-присутствия всех участников.
• 2020/03, Hydra представила Быстрые Изоморфные Каналы.

! [Подробный исследовательский отчет на 10 000 слов: всесторонний анализ масштабирования вне сети])https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-ad088ac016d75b1ae0b0eda699e74709.webp(

)# 3.1.3 Технический принцип

Технический принцип состояния канала следующий:

1. Алиса и Боб переводят средства со своих личных EOA на адрес контракта в блокчейне, эти средства блокируются в контракте и возвращаются пользователю только после закрытия канала; после подтверждения подписей обеих сторон, статусный канал между ними официально открывается.

2. Алиса и Боб могут теоретически проводить неограниченное количество транзакций вне блокчейна через этот канал, участники обмениваются зашифрованными подписанными сообщениями ### вместо связи с сетью блокчейна (. Оба пользователя должны подписывать каждую транзакцию, чтобы предотвратить мошенничество с двойными расходами. С помощью этих сообщений они предлагают обновления состояния своих счетов и принимают предложенные обновления состояния от друг друга.

3. Если Элис хочет закрыть канал и завершить сделку с Бобом, Элис должна представить окончательное состояние своего аккаунта контракту. Если Боб подпишет и одобрит, контракт вернет заблокированные средства соответствующему пользователю в соответствии с окончательным состоянием. Если Боб не ответит на подпись, контракт вернет заблокированные средства соответствующему пользователю по истечении периода оспаривания.

! [Подробный исследовательский отчет на 10 000 слов: всесторонний анализ масштабирования вне сети])https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-815c5eb2bdba725e04eebe67b22d42aa.webp(

)# 3.1.4 Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Мгновенное подтверждение
• Низкая стоимость
• Хорошая конфиденциальность
• высокая масштабируемость
• Подходит для частых мелких сделок

Недостатки:

• Необходимо заранее заблокировать средства
• Участвующие стороны должны быть постоянно онлайн
• Не подходит для крупных платежей
• Количество каналов и количество участников ограничены
• Необходим третий лиц для мониторинга и обеспечения безопасности

! [Подробный исследовательский отчет на 10 000 слов: всесторонний анализ расширения вне сети]###https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-010d7309e0cc697da400d07e6948a16e.webp(

)# 3.1.5 Приложение

1. Биткойн-световая сеть

Обзор: Сеть Lightning — это каналы малых платежей в сети Биткойн, общая эволюция технологий которых включает: создание одностороннего платежного канала с помощью 2/2 мультиподписей, добавление RSMC для создания двустороннего платежного канала, а затем добавление HTLC для подключения платежных каналов и расширения на многопользовательские платежи, в конечном итоге создавая платежную сеть, то есть сеть Lightning. Через вне блокчейна каналы малых платежей, а затем с помощью посредников формируется сеть транзакций, что может решить проблему масштабируемости сети Биткойн. Общая схема использования сети Lightning следует процессу «депозит ### создание канала ( → транзакция сети Lightning ) обновление состояния канала ( → возврат/расчет ) завершение канала (»; теоретически сеть Lightning может обрабатывать миллион транзакций в секунду.

Временная линия:

• В феврале 2015 года Джозеф Пун и Таддеус Дрйя опубликовали черновик белой книги сети Lightning;
• В январе 2016 года была выпущена официальная версия белой книги и основана компания Lightning Labs;
• 15 марта 2018 года, Lightning Labs выпустила первую версию основной сети Lightning Network Daemon )LND( версии 0.4.
• В начале 2021 года общая емкость сети Lightning )TVL( составляла всего около 40 миллионов долларов, и примерно 100 тысяч пользователей использовали сеть Lightning.
• В июне 2021 года Сальвадор объявил о принятии биткойна в качестве законного платежного средства, в сентябре был выпущен кошелек Chivo на основе сети Lightning.
• В 2022 году Cash App и 26 криптовалютных торговых платформ, включая OKX, Kraken и Bitfinex, объявили о поддержке сети Lightning, что позволяет осуществлять мгновенные и дешевые BTC депозиты, снятия и переводы.
• В октябре 2022 года Lightning Labs выпустила новый протокол на основе Taproot — Taro protocol) альфа-версия(, который в настоящее время проходит тестирование в тестовой сети и в будущем позволит выпускать, отправлять и принимать активы в сети Bitcoin, а также выполнять мгновенные, объемные и низкозатратные транзакции через сеть Lightning.
• 23 ноября 2022 года, согласно 1ml.com, в сети Lightning всего 76 236 платежных каналов, объем средств в каналах составил 5049 $.