Поза блокчейном розширення Глибина аналізу

1. Необхідність розширення

Майбутнє блокчейну передбачає децентралізацію, безпеку та масштабованість, але зазвичай можна реалізувати тільки два з цих трьох аспектів, що називається проблемою неможливого трикутника блокчейну. Протягом багатьох років люди шукали способи вирішення цієї проблеми, зокрема, підвищення пропускної здатності та швидкості транзакцій блокчейну при забезпеченні децентралізації та безпеки, тобто вирішення проблеми масштабування, що є однією з найбільш обговорюваних тем у процесі розвитку блокчейну.

Децентралізація, безпека та масштабованість блокчейну визначаються наступним чином:

• Децентралізація: будь-хто може стати вузлом, щоб брати участь у виробництві та верифікації блокчейн-системи. Чим більше вузлів, тим вищий рівень децентралізації, що забезпечує контроль над мережею без централізованих учасників.

• Безпека: чим вищі витрати на отримання контролю над системою блокчейн, тим вища безпека, мережа може протистояти атакам значної частини учасників.

• Масштабованість: здатність блокчейну обробляти велику кількість транзакцій.

Перше значне жорстке розгалуження мережі Біткоїн сталося через проблему масштабування. Зі збільшенням кількості користувачів та обсягу транзакцій, мережа Біткоїн з обмеженням у 1 МБ на блок почала стикатися з проблемою заторів. З 2015 року в спільноті Біткоїн існували розбіжності щодо проблеми масштабування: одна сторона підтримувала збільшення розміру блоку, інша вважала, що слід використовувати рішення Segregated Witness для оптимізації структури основного ланцюга. 1 серпня 2017 року клієнтська система Bitcoin ABC, яка була розроблена самостійно, почала працювати з блоками розміром 8 МБ, що призвело до першого значного жорсткого розгалуження Біткоїн, і в результаті цього з'явилася нова криптовалюта BCH.

Мережа Ethereum також обирає жертвувати частиною своєї глибини, щоб забезпечити безпеку та децентралізацію мережі. Хоча немає обмеження на розмір блоку, як у випадку з Bitcoin, але обмежуючи плату за паливо, яку може містити один блок, обмежується обсяг транзакцій, мета полягає в досягненні бездокументного консенсусу та забезпеченні широкого розподілу вузлів.

Від CryptoKitties 2017 року до літа DeFi, а потім до підйому застосувань на базі GameFi та NFT, ринок постійно збільшує вимоги до пропускної спроможності. Але навіть Ethereum, що є тьюрінгом, може обробляти лише 15-45 транзакцій на секунду, що призводить до збільшення вартості транзакцій, затримки в розрахунках, і більшість Dapps важко витримують витрати на експлуатацію, що робить всю мережу повільною та дорогою для користувачів. Проблема масштабування блокчейну потребує термінового вирішення. Ідеальне рішення для масштабування полягає в тому, щоб максимально підвищити швидкість транзакцій і пропускну спроможність мережі блокчейн без жертвування децентралізацією та безпекою.

2. Категорії планів розширення

Відповідно до стандарту "чи змінюється один рівень основної мережі", розширення можна розділити на два основних типи: розширення в межах блокчейну та розширення поза блокчейном.

2.1 Розширення в мережі

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

Розширення в мережі має кілька варіантів, коротко наведемо два з них:

• Варіант перший – це розширення блочного простору, збільшення кількості транзакцій, що пакуються в кожний блок, але це підвищить вимоги до обладнання високопродуктивних вузлів, знижуючи рівень "децентралізації".

• Варіант два - це шардінг, розділення реєстру блокчейну на кілька частин, за які відповідають різні вузли, паралельні обчислення можуть одночасно обробляти кілька транзакцій. Це може зменшити обчислювальне навантаження на вузли та поріг входження, підвищити швидкість обробки транзакцій і рівень децентралізації, але знизить загальну "безпеку" мережі.

Зміна коду протоколу основної мережі може мати непередбачувані негативні наслідки, оскільки будь-яка незначна уразливість безпеки на нижньому рівні серйозно загрожує безпеці всієї мережі. Мережа може бути змушена до розгалуження або переривання для виправлення оновлень. Наприклад, інцидент з інфляційною уразливістю Zcash у 2018 році: код Zcash був змінений на основі коду версії 0.11.2 Bitcoin, у 2018 році інженер виявив у його основному коді критичну уразливість, а саме, що токени можуть бути безмежно випущені, внаслідок чого команда витратила 8 місяців на таємне виправлення, і лише після виправлення уразливості ця подія була оприлюднена.

2.2 поза блокчейном розширення

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

поза блокчейном розширення може бути додатково поділено на Layer2 та інші рішення:

• Layer2: побудова нового шару поверх основного ланцюга, обробка більшості транзакцій та обчислень, взаємодія з основним ланцюгом лише за необхідності. Включає канали стану, бокові ланцюги, Plasma, Rollups тощо.

• Інші рішення: не створювати новий рівень, а реалізувати масштабування за допомогою інших технологічних засобів. Наприклад, Validium, Volition тощо.

3. Позиція розширення поза блокчейном

3.1 Державні канали

3.1.1 Огляд

Статевий канал передбачає, що користувачам потрібно взаємодіяти з основною мережею лише під час відкриття, закриття або врегулювання суперечок, а взаємодію між користувачами проводити поза блокчейном, щоб знизити час та витрати на транзакції та досягти необмеженої кількості транзакцій.

Статевий канал - це простий P2P протокол, що підходить для "заснованих на раундах застосунків", наприклад, гри в шахи між двома особами. Кожен канал управляється мультипідписним смарт-контрактом, що працює в основній мережі, цей контракт контролює активи, що вносяться в канал, перевіряє оновлення статусу та арбітрує спори між учасниками ( на основі доказів шахрайства з підписом і часовою міткою ). Після розгортання контракту в блокчейн-мережі учасники вносять кошти та блокують їх, після підтвердження підписами обох сторін, канал офіційно відкривається. Канал дозволяє учасникам здійснювати необмежену кількість безкоштовних трансакцій поза блокчейном (, поки їх чиста вартість переказів не перевищує загальну суму внесених токенів ). Учасники по черзі надсилають оновлення статусу один одному, чекаючи підтвердження підписом з боку іншого. Як тільки інша сторона підтверджує підписом, це оновлення статусу вважається завершеним. У нормальних умовах, оновлення статусу, на яких погоджуються обидві сторони, не завантажуються в основну мережу, лише у випадку виникнення суперечок або закриття каналу, вони покладаються на підтвердження основної мережі. Коли потрібно закрити канал, будь-який учасник може зробити запит на транзакцію в основній мережі, якщо запит на вихід отримує одностайне підтвердження підпису, тоді в ланцюзі негайно виконується, а саме смарт-контракт на основі остаточного стану каналу розподіляє залишкові заблоковані кошти кожному учаснику; якщо інші учасники не надали підтвердження підписом, то всім потрібно чекати завершення "періоду оскарження", перш ніж отримати залишкові кошти.

Отже, рішення зі статусних каналів можуть значно зменшити обсяг обчислень у основній мережі, підвищити швидкість транзакцій та знизити витрати на транзакції.

3.1.2 Часова лінія

• 2015/02, Джозеф Пун і Теддіус Дріджа опублікували чернетку білого паперу про мережу Lightning.

• 2015/11, Джефф Коулман вперше системно узагальнив концепцію State Channel, запропонувавши, що Payment Channel біткойна є підприкладом концепції State Channel.

• 2016/01, Джозеф Пун і Таддеус Дріджа офіційно опублікували білу книгу «The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments», в якій запропонували рішення для масштабування біткоїн-мережі через Payment Channel(, яке призначене лише для обробки переказів на біткоїн-мережі.

• 2017/11, перша специфікація дизайну State Channel на основі фреймворка Payment Channel, відома як Sprites, була запропонована.

• 2018/06, Counterfactual запропонував дуже детальний дизайн Генералізованих Державних Каналів, що є першим повністю пов'язаним із державними каналами дизайном.

• У жовтні 2018 року в статті «Узагальнені державні мережі каналів» була запропонована концепція мереж державних каналів і віртуальних каналів.

• 2019/02, концепція статус-каналів була розширена до N-Party Channels, Nitro є першим протоколом, побудованим на цій ідеї.

• 2019/10, Pisa розширила концепцію Watchtowers, щоб вирішити проблему постійної онлайн присутності всіх учасників.

• 2020/03, Hydra представила Швидкі ізоморфні канали.

)# 3.1.3 Технічні принципи

Рисунок 1 демонструє робочий процес на традиційній ланцюговій системі: Аліса та Боб взаємодіють зі смарт-контрактом, розгорнутим в основній мережі, користувачі змінюють стан смарт-контракту, відправляючи транзакції на ланцюг. Недоліком є те, що це призводить до обговорених раніше проблем з часом та витратами.

! [Глибокий звіт про дослідження на 10 000 слів: комплексний аналіз масштабування поза мережею]###https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-ead28de03be9fc22dcfe3f679ee36bc5.webp(

Рисунок 2 демонструє загальний робочий процес, якому слідує більшість протоколів каналів стану: в оптимістичному випадку, Аліса та Боб повинні виконати ті ж самі дії, але цього разу вони використовують канал стану, а не взаємодіють з контрактом на блокчейні.

• Перший крок, Аліса та Боб взаємодіють, вносячи кошти з особистого EOA на адрес контракту поза блокчейном ), 1,2(, ці кошти блокуються в контракті до моменту закриття каналу, після чого залишок повертається користувачеві; після підтвердження підписів обидва учасники офіційно відкривають стан каналу.

• Другий крок, Аліса та Боб теоретично можуть здійснювати необмежену кількість транзакцій поза блокчейном через цей канал ) синя пунктирна лінія (, учасники спілкуються через зашифровані підписані повідомлення ), а не з мережею блокчейну (. Обидва користувачі повинні підписати кожну транзакцію, щоб запобігти подвійним витратам. За допомогою цих повідомлень вони пропонують оновлення стану своїх рахунків і приймають запропоновані один одним оновлення стану.

• Третій крок, якщо Аліса хоче закрити канал та завершити угоду з Бобом, Аліса повинна подати до контракту остаточний стан свого рахунку ) взаємодія 3(; якщо Боб підпише та схвалить, контракт звільнить заблоковані кошти на користь відповідного користувача ) взаємодія 4,5(. Якщо Боб не відреагує на підпис, контракт звільнить заблоковані кошти на користь відповідного користувача після закінчення періоду оскарження.

![Тисячослівний глибокий звіт: всебічний аналіз поза блокчейном розширення])https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-ad088ac016d75b1ae0b0eda699e74709.webp(

Рисунок 3 показує робочий процес каналу станів у песимістичному випадку: спочатку два учасники вносять кошти ) взаємодія 1, 2(, після чого починають обмінюватися оновленнями стану ) синя пунктирна лінія (. Припустимо, що в якийсь момент Боб не відповідає на підписане оновлення стану, яке надіслала Аліса ) взаємодія 3(, в цей момент Аліса може ініціювати виклик, подавши контракту своє останнє дійсне стан ) взаємодія 4(, це дійсне стан також містить підпис Боба з минулого, тим самим доводячи, що остання транзакція вже отримала схвалення Боба, і останній стан вже отримав підтвердження Боба. Потім контракт дозволяє Бобу протягом певного часу відповісти, подавши наступний стан до контракту; якщо Боб відповідає, то обидва можуть продовжувати торгівлю в каналі станів; якщо Боб не відповідає протягом цього періоду, контракт автоматично закриває канал станів та повертає кошти Алісі ) взаємодія 5(.

! [Глибокий звіт про дослідження на 10 000 слів: комплексний аналіз масштабування поза мережею])https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-815c5eb2bdba725e04eebe67b22d42aa.webp(

)# 3.1.4 Плюси та мінуси

Переваги:

• Миттєве підтвердження交易
• Висока пропускна здатність
• Низькі торгові витрати
• Добра конфіденційність

Недоліки:

• Потрібно заблокувати кошти
• Потрібно, щоб усі учасники були онлайн в реальному часі
• Виведення затримується
• Високі витрати на ініціалізацію каналу
• Проблема з повторним відкриттям каналу
• Складність мережі каналів висока

3.1.5 Застосування

Біткоїн-мережа блискавки

Огляд: Мережева блискавка є каналом малих платежів у мережі біткойна, а її загальна технологічна еволюція проходить через: 2/2 мультипідписи для створення одностороннього платіжного каналу, після додавання RSMC###Revocable Sequence Maturity Contract( можна створити двосторонній платіжний канал, а після додавання HTLC)Hash Time Lock Contract( платіжні канали можна розширити до багатокористувацьких платежів, зрештою створюючи платіжну мережу, тобто мережу блискавки. Через позаблокчейн канали малих платежів, а потім за допомогою посередників формуються торгові мережі, що може вирішити проблему масштабування мережі біткойн. Загальне використання мережі блискавки дотримується процесу "депозит)створення каналу(→транзакції мережі блискавки)оновлення стану каналу(→повернення/розрахунок)закриття каналу("; теоретично мережа блискавки може обробляти один мільйон транзакцій на секунду.

Часова лінія:

• У лютому 2015 року Джозеф Пун і Таддеус Дріджа опублікували чернетку білого паперу мережі Lightning;
• У січні 2016 року був випущений офіційний варіант білого паперу та засновано Lightning Labs;
• 15 березня 2018 року Lightning Labs випустила першу версію основної мережі Lightning Network Daemon )LND( версії 0.4.
• На початку 2021 року публічна ємність мережі Lightning )TVL( становила лише близько 40 мільйонів доларів, приблизно 100 тисяч користувачів використовували мережу Lightning.
• У червні 2021 року Сальвадор оголосив про прийняття біткойна як законного платіжного засобу,