Explicação Profunda da Expansão fora da cadeia

Autor: Ellaine Xu, Hettie Jiang, June Wang, Walon Lin, Yiliu Lin

1. A Necessidade de Escalabilidade

A visão futura da blockchain é a descentralização, a segurança e a escalabilidade, mas geralmente apenas dois desses objetivos podem ser alcançados, o que é conhecido como o problema do triângulo impossível da blockchain. Ao longo dos anos, as pessoas têm explorado maneiras de aumentar a capacidade e a velocidade das transações da blockchain, garantindo a descentralização e a segurança, ou seja, resolver o problema da escalabilidade.

Vamos primeiro definir a descentralização, segurança e escalabilidade da blockchain:

• Descentralização: qualquer um pode se tornar um nó e participar do sistema de blockchain, quanto maior o número de nós, maior o grau de descentralização.
• Segurança: quanto maior o custo para obter o controle do sistema de blockchain, maior a segurança, podendo resistir a uma proporção maior de ataques.
• Escalabilidade: a capacidade da blockchain de processar um grande número de transações.

A primeira grande bifurcação do rede Bitcoin surgiu devido a problemas de escalabilidade. Desde 2015, a comunidade Bitcoin tem divergências sobre a escalabilidade, com um lado apoiando a ampliação do bloco e o outro defendendo o uso da solução de SegWit. Em 1 de agosto de 2017, o lado que apoiava a ampliação do bloco começou a operar um novo sistema de cliente, resultando na primeira grande bifurcação da história do Bitcoin, que deu origem à nova moeda BCH.

A rede Ethereum também optou por sacrificar uma parte da sua escalabilidade para garantir a segurança e a descentralização da rede. Desde o CryptoKitties de 2017 até a ascensão posterior do DeFi, GameFi e NFTs, a demanda do mercado por throughput tem aumentado continuamente, mas o Ethereum só consegue processar de 15 a 45 transações por segundo, resultando em aumento dos custos de transação e maior tempo de liquidação. A solução ideal de escalabilidade é: aumentar ao máximo a velocidade e o throughput das transações da rede blockchain, sem sacrificar a descentralização e a segurança.

2. Tipos de soluções de escalabilidade

Nós classificamos os planos de escalabilidade em duas grandes categorias, a expansão na cadeia e a expansão fora da cadeia, com base no critério "se altera um nível da mainnet".

2.1 expansão na cadeia

Conceito central: uma solução para aumentar a capacidade, alterando um nível do protocolo da rede principal, sendo a principal solução atual a fragmentação.

A escalabilidade na cadeia tem várias soluções, abaixo estão listadas duas:

• A opção um é expandir o espaço do bloco, ou seja, aumentar o número de transações empacotadas em cada bloco, mas isso aumentará os requisitos dos nós e diminuirá o grau de descentralização.
• A segunda solução é a fragmentação, que divide o livro-razão da blockchain em várias partes, com diferentes fragmentos responsáveis por diferentes registos, o que pode reduzir a pressão nos nós, mas diminuirá a segurança de toda a rede.

Alterar um protocolo de camada principal da rede pode ter efeitos negativos imprevisíveis, uma vez que qualquer vulnerabilidade de segurança subjacente pode ameaçar gravemente a segurança de toda a rede.

2.2 fora da cadeia expansão

Conceito central: solução de escalabilidade que não altera o protocolo da rede principal de camada um existente.

O plano de escalonamento fora da cadeia pode ser subdividido em Layer2 e outras soluções:

• Layer2: Canais de Estado, Plasma, Rollups
• Outras soluções: Sidechains, Validium

3. A solução para expansão fora da cadeia

Canais de Estado 3.1

3.1.1 Resumo

Os canais de estado estipulam que os utilizadores apenas precisam interagir com a rede principal quando o canal é aberto, fechado ou quando há uma disputa a resolver, realizando a interação entre os utilizadores fora da cadeia, para reduzir os custos de transação e permitir um número ilimitado de transações.

Os canais de estado são protocolos P2P simples, adequados para aplicações baseadas em turnos, como jogos de xadrez entre duas pessoas. Cada canal é gerido por um contrato inteligente de múltiplas assinaturas que opera na rede principal, controlando os ativos depositados no canal, validando atualizações de estado e arbitra disputas entre os participantes.

3.1.2 Linha do tempo

• 2015/02: Joseph Poon e Thaddeus Dryja publicaram o rascunho do white paper da rede Lightning
• 2015/11: Jeff Coleman fez a primeira síntese sistemática do conceito de State Channel
• 2016/01: O white paper da Lightning Network foi oficialmente publicado
• 2017/11: Proposta da primeira especificação de design de State Channel baseada no framework Payment Channel Sprites
• 2018/06:Counterfactual apresentou um design detalhado de Canais de Estado Generalizados
• 2018/10: Proposta dos conceitos de State Channel Networks e Virtual Channels
• 2019/02: O conceito de canais de estado foi expandido para N-Party Channels
• 2019/10: Pisa expandiu o conceito de Watchtowers para resolver o problema de participantes que precisam estar online continuamente.
• 2020/03: Hydra apresentou Canais Isomórficos Rápidos

3.1.3 Princípios Técnicos

Fluxo de trabalho do canal de estado:

1. Alice e Bob abrem um canal de estado ao depositar fundos no contrato da mainnet e confirmar a assinatura.
2. Alice e Bob podem realizar transações ilimitadas fora da cadeia, cada transação requer a confirmação da assinatura de ambas as partes.
3. Se Alice quiser fechar o canal, deve submeter o estado final ao contrato. Se Bob assinar a aprovação, o contrato executa imediatamente a distribuição dos fundos; se Bob não responder, deve esperar até o término do "período de contestação" para receber os fundos.

Fluxo de trabalho em cenários pessimistas:

Se Bob não responder à assinatura da atualização de estado de Alice, Alice pode desafiar submetendo sua última versão de estado válida ao contrato. Bob pode, dentro de um determinado período, submeter o próximo estado como resposta; se não o fizer, o contrato fechará automaticamente o canal e devolverá os fundos a Alice.

3.1.4 Vantagens e desvantagens

Vantagens:

• Confirmação imediata
• Alta taxa de transferência
• Boa privacidade
• Versatilidade elevada

Desvantagens:

• É necessário bloquear fundos antecipadamente
• Os participantes devem manter-se online
• Suporte a menos participantes
• Incapaz de resolver o problema de saídas em grande escala

3.1.5 Aplicação

Rede Lightning do Bitcoin:

• Proposto em 2015, versão da mainnet lançada em 2018
• Em novembro de 2022, havia 76.236 canais de pagamento, com fundos de 5049 BTC
• O ecossistema abrange várias categorias, incluindo pagamentos, carteiras, gestão de nós, entre outros, com mais de 100 aplicações.

Rede Lightning do Ethereum:

• Fundada em 2017, versão mainnet lançada em 2020
• Barreiras de entrada elevadas, desenvolvimento ecológico lento
• Mudar para operar na rede Layer2 Rollup

Celer Network:

• Aumentou a camada de incentivo da rede Lightning
• Adequado para aplicações de interação de alta frequência, como plataformas de e-sports
• Foram lançados produtos como a ponte entre cadeias cBridge.

3.2 Sidechains

3.2.1 Resumo

As cadeias laterais são uma forma de blockchain que surgiu para acelerar as transações de Bitcoin, podendo utilizar contratos mais complexos ou melhorar o mecanismo de consenso. Os resultados das transações nas cadeias laterais serão finalmente registados no lado dos validadores e enviados de volta à cadeia principal.

3.2.2 Linha do tempo

• 2012/01: O conceito de sidechain do Bitcoin foi proposto pela primeira vez
• 2014/10: Publicação do artigo sobre sidechains do Bitcoin
• 2017/04: Lançamento da rede de testes POA Network
• 2017/10: Lançamento da Matic Network
• 2018/01: Lançamento da rede de testes Skale
• 2020/06:Lançamento da mainnet da Matic PoS Chain
• 2021/02: Lançamento da mainnet Ronin
• 2021/12:a cadeia xDai fundiu-se com o Gnosis Dao para formar a Gnosis Chain

3.2.3 Princípios Técnicos

As cadeias laterais comunicam-se principalmente de duas maneiras com a cadeia principal:

1. Ancoragem bidirecional ( Ancoragem Simétrica ): os validadores da cadeia principal e da cadeia lateral registram em tempo real o estado atual um do outro, utilizando a tecnologia SPV para verificar transações.

2. Ancoragem não coordenada ( Ancoragem Assimétrica ): Validadores de sidechain monitoram a atividade da mainchain, mas a mainnet não consegue confirmar o estado da sidechain, sendo necessário introduzir um mecanismo de Certificadores para validar as transações da sidechain.

Atualmente, cada vez mais opções de sidechains estão a utilizar mecanismos de notários de terceiros ( PoA ) ou camadas intermediárias de Relayers para confirmar o estado dos blocos da cadeia principal.

Resumo do mecanismo de cadeia lateral:

• Ativos da cadeia principal para a cadeia lateral: a cadeia principal bloqueia ativos, a cadeia lateral gera ativos embrulhados.
• Ativos de sidechain para mainchain: o ativo embrulhado é destruído na sidechain, e os ativos são desbloqueados na mainchain

3.2.4 Vantagens e desvantagens

Vantagens:

• Altamente personalizável
• Suporte a contratos inteligentes complexos
• Transferência de ativos entre cadeias
• Mecanismo de governança independente

Desvantagens:

• Segurança relativamente baixa
• Risco de centralização
• A complexidade da comunicação entre cadeias é alta
• A ancoragem bidirecional requer um tempo de confirmação mais longo

3.2.5 Aplicação

xDai Chain( agora Gnosis Chain):

• Lançamento da mainnet em setembro de 2018, fusão com a Gnosis em abril de 2022
• Adotar o mecanismo de consenso PoSDAO
• TVL de aproximadamente 53 milhões de dólares, com 35 projetos em andamento no ecossistema

Polygon:

• Lançamento da mainnet da Matic PoS Chain e Plasma Chain em junho de 2020
• Em 2021, a marca foi atualizada para Polygon, mudando-se para um agregador.
• Já existem mais de 37k Dapps, 1.8B de transações totais e mais de 135M de usuários

Ronin:

• Sidechain desenvolvido para o jogo Axie Infinity
• Lançamento da mainnet em março de 2021, utilizando o mecanismo de consenso PoA
• Em março de 2022, sofreu um ataque hacker de 624 milhões de dólares.

3.3 Plasma

3.3.1 Resumo

Plasma é uma estrutura para construir Dapps escaláveis, destinada a reduzir a confiança dos usuários nos operadores de sidechain ao mínimo. O princípio básico do Plasma é que, mesmo que a cadeia Plasma sofra uma falha de segurança, todos os ativos dos usuários ainda podem ser retirados da cadeia Plasma e devolvidos à rede principal.

3.3.2 Linha do Tempo

• 2017/08: Publicação do white paper Plasma
• 2018/01: apresentado o primeiro aplicativo Plasma oficial Plasma MVP
• 2018/03: Proposta de Plasma Cash para resolver o problema de saídas em larga escala
• 2018/06: Proposta do Plasma Debit
• 2018/11: Proposta do Plasma Prime
• A partir de 2019: a comunidade Ethereum começou a explorar soluções de Rollups

3.3.3 Princípios técnicos

A ideia central do Plasma:

• Execução fora da cadeia: a maior parte do trabalho é processada fora da rede principal
• Compromisso de estado: versão comprimida do estado da cadeia Plasma armazenada com Merkle Root
• Mecanismo de saída: o usuário deve provar à rede principal que possui fundos que podem ser retirados e que estão corretos em quantidade.

Utilização do processo:

1. O usuário deposita fundos no contrato Plasma da mainnet
2. O usuário negocia na cadeia Plasma
3. O operador empacota a transação e submete o compromisso de estado à mainnet
4. O usuário inicia um pedido de retirada, podendo retirar os fundos após o período de contestação.

3.3.4 Vantagens e desvantagens

Vantagens:

• Alto throughput
• Baixos custos de transação
• Herdar a segurança da mainnet

Desvantagens:

• Mecanismo de saída complexo
• Problemas de disponibilidade de dados
• Os usuários precisam monitorar frequentemente
• Função limitada

3.3.5 Aplicação

Principais aplicações:

• Plasma Group → Optimism(Rollup otimista)
• OMG Network → Boba Network(Rollup otimista)
• Polygon(anteriormente Matic Network) → solução L2 completa

Resumo: Plasma é uma solução de transição técnica, limitada pelos problemas existentes na própria tecnologia, e a maioria das aplicações rapidamente se voltou para o desenvolvimento de soluções baseadas em Rollups.

3.4 Rollups

3.4.1 Resumo

A ideia central dos Rollups é colocar o processo de cálculo e o armazenamento de estado fora da cadeia, enquanto as promessas de estado e os dados de transação comprimidos são armazenados na cadeia principal.

Os Rollups são divididos em dois tipos:

• Optimistic Rollups: garante a correção através de provas de fraude
• ZK Rollups: através de provas eficazes ( provas de conhecimento zero ) garantem a correção

3.4.2 Princípios Técnicos

Mecanismo central:

• fora da cadeia máquina virtual executa transações e armazena estado
• Fazer o upload dos dados de transação comprimidos e da raiz de estado para o contrato da cadeia principal