Глубина анализа расширения вне блокчейна

Автор: Эллейн Сю, Хетти Цзян, Джун Ванг, Уалон Лин, Ийлю Лин

1. Необходимость расширения

Будущее блокчейна заключается в децентрализации, безопасности и масштабируемости, но обычно возможно достичь только двух из этих целей, что называется "невозможным треугольником" блокчейна. На протяжении многих лет исследователи искали способы увеличить пропускную способность и скорость транзакций блокчейна, обеспечивая при этом децентрализацию и безопасность, то есть решая проблему масштабирования.

Давайте сначала определим децентрализацию, безопасность и масштабируемость блокчейна:

• Децентрализация: любой может стать узлом и участвовать в блокчейн-системе, чем больше узлов, тем выше степень децентрализации.
• Безопасность: чем выше стоимость получения контроля над системой блокчейна, тем выше безопасность, она может противостоять большему проценту атак.
• Масштабируемость: способность блокчейна обрабатывать большое количество транзакций.

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

Первая значительная хард-форк сети Биткойн возникла из-за проблемы масштабируемости. С 2015 года в сообществе Биткойн существовали разногласия по вопросу масштабируемости: одна сторона поддерживала увеличение блока, а другая — использование решения SegWit. 1 августа 2017 года сторона, поддерживающая увеличение блока, начала запуск новой клиентской системы, что привело к первой значительной хард-форк в истории Биткойн, и появился новый вид криптовалюты BCH.

Сеть Ethereum также выбрала жертвовать частью своей масштабируемости, чтобы обеспечить безопасность и децентрализацию сети. С 2017 года, когда появились CryptoKitties, и впоследствии с ростом DeFi, GameFi и NFT, рыночный спрос на пропускную способность продолжает расти, но Ethereum может обрабатывать всего 15-45 транзакций в секунду, что приводит к увеличению затрат на транзакции и увеличению времени расчетов. Идеальное решение для масштабирования: максимально увеличить скорость и пропускную способность блокчейн-сети, не жертвуя децентрализацией и безопасностью.

2. Категории решений по масштабированию

Мы разделили планы по расширению на две основные категории: расширение на блокчейне и вне блокчейна, основываясь на критерии "изменится ли уровень главной сети".

2.1 Масштабирование на цепи

Основная концепция: решение, достигающее эффекта масштабирования путем изменения уровня протокола основной сети, в настоящее время основным решением являются шардирование.

Существует множество решений для масштабирования в блокчейне, ниже кратко перечислены два из них:

• Вариант 1 заключается в расширении пространства блока, то есть увеличении количества транзакций, упакованных в каждый блок, но это повысит требования к узлам и снизит степень децентрализации.
• Вариант два — это шarding, разделение блокчейн-реестра на несколько частей, каждая из которых отвечает за свою собственную бухгалтерию, что может снизить нагрузку на узлы, но снизит общую безопасность сети.

Изменение протокола основной сети может привести к непредсказуемым негативным последствиям, поскольку любые уязвимости в базе серьезно угрожают безопасности всей сети.

2.2 вне блокчейна расширение

Основная концепция: решение для масштабирования, не изменяющее существующий протокол основного уровня.

вне блокчейна расширения решений можно дополнительно разделить на Layer2 и другие решения:

• Layer2: Каналы состояния, Плазма, Роллапсы
• Другие решения: сайдчейны, Validium

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

3. Вне блокчейна расширение решений

3.1 Государственные каналы

3.1.1 Обзор

Состояние канала предполагает, что пользователям необходимо взаимодействовать с основной сетью только при открытии, закрытии или разрешении споров, а взаимодействие между пользователями происходит вне блокчейна, чтобы снизить затраты на транзакции и обеспечить неограниченное количество транзакций.

Статус-канал — это простой P2P-протокол, подходящий для приложений на основе раундов, таких как шахматная игра между двумя игроками. Каждый канал управляется многосторонним смарт-контрактом, работающим в основной сети, который контролирует активы, внесенные в канал, проверяет обновления статуса и разрешает споры между участниками.

3.1.2 Таймлайн

• 2015/02: Джозеф Пун и Тэддиус Дрэйджа опубликовали проект белой книги сети Lightning
• 2015/11: Джефф Коулман впервые систематически обобщил концепцию State Channel
• 2016/01: Официальная публикация белой книги о сети Lightning
• 2017/11: предложена первая спецификация дизайна State Channel на основе фреймворка Payment Channel Sprites
• 2018/06: Counterfactual предложил детальный дизайн Обобщенных Каналов Состояний
• 2018/10: предложены концепции State Channel Networks и Virtual Channels
• 2019/02: Концепция каналов состояния расширена до N-Party Channels
• 2019/10: Концепция Watchtowers Pisa была расширена для решения проблемы необходимости постоянного онлайн-участия.
• 2020/03: Hydra предложила Быстрые Изоморфные Каналы

3.1.3 Технические принципы

Рабочий процесс каналов состояния:

1. Алиса и Боб открывают статус-канал, внося средства в контракт на основной сети и подтверждая подписью.
2. Алиса и Боб могут проводить неограниченное количество сделок вне блокчейна, каждая сделка требует подтверждения обеими сторонами.
3. Если Алиса хочет закрыть канал, она должна подать окончательное состояние контракту. Если Боб подпишет одобрение, контракт немедленно выполнит распределение средств; если Боб не ответит, необходимо дождаться окончания "периода оспаривания", прежде чем средства будут получены.

Рабочий процесс в пессимистичном сценарии:

Если Боб не ответит на подпись обновления состояния Алисы, Алиса может подать в контракт последнее действительное состояние, чтобы начать вызов. Боб может в течение некоторого времени представить следующее состояние в ответ; если он не ответит, контракт автоматически закроет канал и вернет средства Алисе.

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

3.1.4 Плюсы и минусы

Преимущества:

• Мгновенное подтверждение
• Высокая пропускная способность
• Хорошая приватность
• Высокая универсальность

Недостатки:

• Необходимо заранее заблокировать средства
• Участники должны оставаться онлайн
• Поддержка меньшего числа участников
• Невозможно решить проблему массового выхода

3.1.5 Приложение

Биткойн-Глубина сети:

• Предложен в 2015 году, выпущена версия основной сети в 2018 году
• В ноябре 2022 года было 76 236 платежных каналов, средства в каналах составили 5049 BTC
• Экосистема включает в себя несколько категорий, таких как платежи, кошельки, управление узлами и более 100 приложений

Эфириум Рейдент Сеть:

• Основана в 2017 году, выпущена версия основной сети в 2020 году
• Высокий порог входа, медленное развитие экосистемы
• Переход на работу в сети Layer2 Rollup

Сеть Celer:

• Увеличен уровень стимулов в сети Lightning
• Подходит для приложений с высокой частотой взаимодействия, таких как платформы для киберспорта
• Запущены продукты, такие как кросс-цепочный мост cBridge

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

3.2 Боковые цепочки

3.2.1 Обзор

Сайдчейн — это форма блокчейна, которая появилась для ускорения транзакций биткойнов, позволяя использовать более сложные контракты или улучшать механизмы консенсуса. Результаты транзакций сайдчейна в конечном итоге будут записаны на стороне валидатора и переданы обратно на основную цепь.

3.2.2 Таймлайн

• 2012/01: Концепция боковой цепи биткойна была впервые предложена
• 2014/10: Опубликована статья о побочных цепях Биткойна
• 2017/04: Запуск тестовой сети POA Network
• 2017/10:Запуск сети Matic
• 2018/01: Запуск тестовой сети Skale
• 2020/06: Запуск основной сети Matic PoS Chain
• 2021/02:Запуск основной сети Ronin
• 2021/12: xDai Chain объединилась с Gnosis Dao в Gnosis Chain

3.2.3 Технический принцип

Сайдчейн в основном имеет два способа общения с основной цепью:

1. Двустороннее якорение ( Симметричное якорение ): валидаторы основной цепи и побочной цепи в реальном времени фиксируют текущее состояние друг друга, используя технологию SPV для проверки транзакций.

2. Несогласованная привязка ( Ассиметрическая привязка ): Проверяющие побочные цепи следят за активностью основной цепи, но основная сеть не может подтвердить состояние побочной цепи, необходимо ввести механизм сертифицирующих органов для проверки транзакций побочной цепи.

В настоящее время все больше боковых цепей выбирают использование третьих сторон в качестве нотариусов (PoA) механизма или промежуточного слоя Relayers для подтверждения состояния блоков основной цепи.

Сводка механизма сторонней цепи:

• Активы от основной цепи к боковой цепи: основная цепь блокирует активы, боковая цепь генерирует обернутый актив
• Активы от сайдчейна к основному блокчейну: сайдчейн уничтожает обернутый актив, основной блокчейн разблокирует активы

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

3.2.4 Плюсы и минусы

Преимущества:

• Высокая настраиваемость
• Поддержка сложных смарт-контрактов
• Кросс-чейн перемещение активов
• Независимый механизм управления

Недостатки:

• Низкая безопасность
• Риск централизации
• Высокая сложность межцепочечной связи
• Двустороннее якорение требует длительного времени подтверждения

3.2.5 Приложение

xDai теперь Chain( Gnosis Chain):

• Запуск основной сети в сентябре 2018 года, слияние с Gnosis в апреле 2022 года
• Использует механизм консенсуса PoSDAO
• TVL примерно 53 миллиона долларов, экосистема включает 35 текущих проектов

Многоугольник:

• Запуск основной сети Matic PoS Chain и Plasma Chain в июне 2020 года
• В 2021 году бренд был обновлен на Polygon, произошел переход к агрегаторам
• Уже более 37k Dapp, 1.8B общих сделок и более 135M пользователей

Ронин:

• Сайдчейн, разработанный для игры Axie Infinity
• В марте 2021 года основной сеть была запущена с использованием механизма консенсуса PoA
• В марте 2022 года подвергся хакерской атаке на сумму 624 миллиона долларов

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

3.3 Плазма

3.3.1 Обзор

Plasma является фреймворком для создания масштабируемых Dapp, целью которого является минимизация доверия пользователей к операторам побочных цепей. Основной принцип Plasma заключается в том, что даже если в цепи Plasma произойдет сбой безопасности, все активы пользователей могут быть выведены из цепи Plasma и возвращены в основную сеть.

3.3.2 Хронология

• 2017/08: Выпуск белой книги Plasma
• 2018/01: предложено первое официальное приложение Plasma Plasma MVP
• 2018/03: предложен Plasma Cash для решения проблемы массового выхода
• 2018/06: предложен Plasma Debit
• 2018/11: предложен Plasma Prime
• С 2019 года: сообщество Ethereum начало исследовать решения Rollups

3.3.3 Технические принципы

Основная идея Plasma:

• вне блокчейна выполнение: большая часть работы обрабатывается вне основной сети
• Обещание состояния: хранение сжатой версии состояния Plasma-цепи с помощью Merkle Root
• Механизм выхода: пользователи должны подтвердить в основной сети наличие средств, которые могут быть выведены и сумма которых правильна.

Использование процесса:

1. Пользователь вносит средства в контракт Plasma в основной сети
2. Пользователь торгует на Plasma цепочке
3. Оператор упаковывает транзакцию и отправляет обязательство по состоянию в основную сеть
4. Пользователь инициирует запрос на вывод средств, и после периода оспаривания может вывести средства.

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

3.3.4 Достоинства и недостатки

Преимущества:

• Высокая пропускная способность
• Низкие комиссии за сделки
• Наследование безопасности основной сети

Недостатки:

• Сложный механизм выхода
• Проблемы доступности данных
• Пользователям необходимо часто следить
• Ограниченная функциональность

3.3.5 Приложение

Основное применение:

• Plasma Group → Оптимизм(Оптимистичный Роллап)
• OMG Network → Boba Network(Оптимистичный Роллап)
• Polygon( ранее Matic Network) → Полноценное L2 решение

Резюме: Plasma является переходным решением с технологической точки зрения, ограниченным проблемами самой технологии, и основные применения быстро перешли к разработке на основе Rollups.

3.4 Ролл апы

3.4.1 Обзор

Основная идея Rollups заключается в том, чтобы разместить вычислительные процессы и хранение состояния вне блокчейна, а на основной цепи хранить обязательства по состоянию и сжатые данные о транзакциях.

Rollups делятся на два типа:

• Оптимистичные роллы: обеспечение правильности через доказательства мошенничества
• ZK Rollups: с помощью эффективных доказательств ( нулевого знания ) гарантировать правильность

3.4.2 Технические принципы

Основной механизм:

• вне блокчейна виртуальная машина выполняет транзакции и хранение состояния
• Загрузите сжатые данные транзакций и корень состояния в основной контракт блокчейна