Análise profunda das soluções de escalabilidade fora da cadeia: de State Channels à Rede de iluminação

Explicação Profunda da Expansão Fora da Cadeia

1. A necessidade de escalabilidade

A visão futura da blockchain é descentralização, segurança e escalabilidade. Mas geralmente só é possível realizar dois desses três, o que é conhecido como o problema do triângulo impossível da blockchain. Ao longo dos anos, as pessoas têm explorado como resolver esse dilema, como aumentar a taxa de transferência e a velocidade das transações da blockchain, garantindo ao mesmo tempo a descentralização e a segurança, ou seja, resolver o problema da escalabilidade, que é um dos tópicos quentes no processo de desenvolvimento da blockchain atualmente.

Definição de descentralização, segurança e escalabilidade da blockchain:

  • Descentralização: qualquer pessoa pode se tornar um nó e participar da produção e validação do sistema de blockchain. Quanto maior o número de nós, maior o grau de descentralização, garantindo que a rede não esteja sob o controle de um pequeno grupo.

  • Segurança: quanto maior o custo para obter o controle do sistema de blockchain, maior a segurança, a cadeia pode resistir a ataques de uma proporção maior de participantes.

  • 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. Com o aumento do número de usuários e do volume de transações do Bitcoin, a rede, com um limite de 1MB por bloco, começou a enfrentar congestionamentos; desde 2015, a comunidade Bitcoin tem divergências sobre a questão da escalabilidade, com um lado apoiando a expansão do bloco e o outro acreditando que deve-se usar a solução Segwit para otimizar a estrutura da cadeia principal. Em 1 de agosto de 2017, o lado que apoiava a expansão do bloco executou autonomamente um novo cliente, resultando na primeira grande bifurcação da história do Bitcoin, dando origem à nova criptomoeda BCH.

Da mesma forma, a rede Ethereum também optou por sacrificar uma parte da escalabilidade para garantir a segurança e a descentralização da rede. Embora não tenha limitado o tamanho dos blocos como a rede Bitcoin, impôs indiretamente um teto sobre as taxas de gás que um único bloco pode acomodar, com o objetivo de alcançar o Consenso Sem Confiança e garantir uma ampla distribuição de nós.

Desde os CryptoKitties de 2017, passando pelo verão DeFi, até o surgimento posterior de aplicações na cadeia como GameFi e NFT, a demanda do mercado por capacidade de processamento tem aumentado continuamente. No entanto, mesmo o Ethereum, que é Turing completo, só consegue processar entre 15 e 45 transações por segundo (TPS), resultando em aumento dos custos de transação e tempos de liquidação mais longos. A maioria das Dapps tem dificuldade em suportar os custos operacionais, e toda a rede se torna lenta e cara para os usuários, o problema da escalabilidade da blockchain precisa ser resolvido com urgência. A solução ideal de escalabilidade é: aumentar a velocidade e a capacidade de processamento da rede blockchain tanto quanto possível, sem sacrificar a descentralização e a segurança.

Relatório de pesquisa profunda: Análise completa da expansão fora da cadeia

2. Tipos de soluções de escalabilidade

De acordo com o padrão "se mudar uma camada da mainnet", as soluções de escalabilidade podem ser divididas em duas grandes categorias: escalabilidade em cadeia e escalabilidade fora da cadeia.

2.1 Expansão na cadeia

Conceito central: solução que alcança o efeito de escalabilidade através da alteração de um nível do protocolo da rede principal, sendo a principal proposta atual a fragmentação.

A expansão em cadeia tem várias soluções, este artigo não irá se aprofundar, apenas elencarei duas:

  • A opção um é expandir o espaço do bloco, ou seja, aumentar o número de transações empacotadas em cada bloco, mas isso irá aumentar os requisitos para equipamentos de nós de alto desempenho, elevar a barreira de entrada para nós e diminuir o grau de "descentralização".

  • A opção dois é a fragmentação, que divide o livro-razão da blockchain em várias partes. Em vez de cada nó participar de todos os registros, diferentes fragmentos, ou seja, diferentes nós, são responsáveis por diferentes registros, permitindo que o cálculo em paralelo processe múltimas transações ao mesmo tempo; isso pode reduzir a pressão de cálculo nos nós e o limiar de entrada, aumentando a velocidade de processamento de transações e o grau de descentralização; mas significa que a potência de cálculo da rede é dispersa, o que pode reduzir a "segurança" de toda a rede.

Alterar o código do protocolo da camada principal da rede pode ter efeitos negativos imprevisíveis, qualquer pequena vulnerabilidade de segurança na camada subjacente pode ameaçar seriamente a segurança de toda a rede, que pode ser forçada a realizar uma bifurcação ou interrupção para reparação e atualização.

2.2 fora da cadeia expansão

Conceito central: solução de escalabilidade que não altera o protocolo da mainnet de camada 1 existente.

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

Layer2:

  • Canais de Estado
  • Plasma
  • Rollups
    • Rollups Otimistas
    • ZK Rollups

Outros:

  • Sidechains
  • Validium

Relatório aprofundado: Análise completa da expansão fora da cadeia

3. Solução de escalabilidade fora da cadeia

3.1 Canais de Estado

3.1.1 Resumo

Os canais de estado estipulam que os usuários só precisam interagir com a rede principal quando o canal é aberto, fechado ou quando há uma disputa a ser resolvida; as interações entre os usuários ocorrem fora da cadeia, reduzindo assim o tempo e o custo das transações, permitindo 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 multi-assinatura que opera na rede principal, responsável pelo controlo dos ativos depositados no canal, pela verificação das atualizações de estado e pela arbitragem de disputas entre os participantes ( com base em provas de fraude acompanhadas de assinaturas e carimbos de data ). Após a implantação do contrato na rede, os participantes depositam e bloqueiam fundos, e após a confirmação da assinatura de ambas as partes, o canal é oficialmente aberto. O canal permite transações gratuitas fora da cadeia entre os participantes, sem limite de número (, desde que o valor líquido transferido não exceda o total de tokens depositados ). Os participantes alternam o envio de atualizações de estado um ao outro, aguardando a confirmação da assinatura do outro. Uma vez que a assinatura do outro seja confirmada, a atualização de estado é considerada concluída. Normalmente, as atualizações de estado acordadas por ambas as partes não são carregadas na rede principal; apenas em caso de disputas ou ao fechar o canal, é que se recorre à confirmação da rede principal. Ao fechar o canal, qualquer um dos participantes pode solicitar uma transação na rede principal; se obtiver a aprovação da assinatura unânime, a execução na cadeia ocorre imediatamente, ou seja, o contrato distribui os fundos restantes bloqueados com base nos saldos de cada participante no estado final do canal; se outros participantes não assinarem a aprovação, todos devem aguardar o término do "período de contestação" para receber os fundos restantes.

Em suma, a solução de canais de estado pode reduzir significativamente a carga computacional da rede principal, aumentar a velocidade das transações e diminuir os custos das transações.

Relatório de Pesquisa Profundidade: Análise Completa da Expansão fora da cadeia

3.1.2 Linha do tempo

  • 2015/02, Joseph Poon e Thaddeus Dryja publicaram o rascunho do white paper da Lightning Network.

  • 2015/11, Jeff Coleman fez a primeira síntese sistemática do conceito de State Channel, propondo que o Payment Channel do Bitcoin é um subcaso do conceito de State Channel.

  • 2016/01, Joseph Poon e Thaddeus Dryja publicaram oficialmente o white paper "The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments" propondo a solução de escalabilidade da rede Lightning do Bitcoin Payment Channel( canal de pagamento), que é utilizada apenas para processar pagamentos de transferência na rede Bitcoin.

  • 2017/11, a primeira especificação de design sobre State Channel baseada na estrutura do Payment Channel, chamada Sprites, foi proposta.

  • 2018/06, Counterfactual apresentou um design detalhado de Canais de Estado Generalizados, este é o primeiro design completamente relacionado a canais de estado.

  • 2018/10, o artigo Generalised State Channel Networks apresentou os conceitos de State Channel Networks e Virtual Channels.

  • 2019/02, o conceito de canais de estado foi expandido para canais N-Partido, Nitro é o primeiro protocolo construído com base nessa ideia.

  • 2019/10, Pisa expandiu o conceito de Watchtowers para resolver o problema da necessidade de todos os participantes estarem continuamente online.

  • 2020/03, a Hydra propôs Canais Isomórficos Rápidos.

3.1.3 Princípios Técnicos

Fluxo de trabalho tradicional em cadeia: Alice e Bob interagem com o contrato inteligente implantado na mainnet, os usuários alteram o estado do contrato inteligente enviando transações para a cadeia. A desvantagem é que isso traz os problemas de tempo e custo discutidos anteriormente.

A maioria dos fluxos de trabalho gerais que os protocolos de canais de estado seguem: em um cenário otimista, Alice e Bob precisam executar as mesmas operações que antes, mas desta vez usando o canal de estado, sem interagir com o contrato na cadeia.

  • Primeiro passo, Alice e Bob depositam fundos de uma EOA pessoal para um endereço de contrato na cadeia, e esses fundos são bloqueados no contrato até que o canal seja fechado e retornem ao usuário; após a confirmação das assinaturas, o canal de estado entre os dois é oficialmente aberto.

  • Segundo passo, Alice e Bob podem teoricamente realizar transações ilimitadas fora da cadeia através deste canal, os participantes comunicam-se entre si através de mensagens assinadas criptograficamente ( em vez de se comunicarem com a rede blockchain ). Ambos os usuários precisam assinar cada transação para evitar fraudes de duplo gasto. Através dessas mensagens, eles propõem atualizações de estado de suas contas e aceitam as atualizações de estado propostas pelo outro.

  • Terceiro passo, se Alice quiser fechar o canal e finalizar a transação com Bob, Alice deve submeter o estado final da sua conta ao contrato. Se Bob assinar e aprovar, o contrato irá liberar os fundos bloqueados de acordo com o estado final e devolvê-los ao usuário correspondente. Se Bob não responder à assinatura, o contrato irá liberar os fundos bloqueados de volta ao usuário correspondente após o término do período de contestação.

Fluxo de trabalho do canal de estado em um cenário pessimista: inicialmente, dois participantes depositam fundos e depois começam a trocar atualizações de estado. Suponha que em algum momento, Bob não responda à atualização de estado assinada enviada por Alice durante a rodada, neste momento, Alice pode iniciar um desafio apresentando seu último estado válido ao contrato, esse estado válido também inclui a assinatura anterior de Bob, provando que a última transação foi aprovada por Bob e que o estado final foi confirmado por Bob. Em seguida, o contrato permite que Bob responda dentro de um período de tempo, apresentando o próximo estado ao contrato; se Bob responder, os dois podem continuar a negociar dentro do canal de estado; se Bob não responder dentro desse período, o contrato fecha automaticamente o canal de estado e devolve os fundos a Alice.

Relatório de Pesquisa Profunda: Análise Completa da expansão fora da cadeia

3.1.4 Vantagens e desvantagens

Vantagens:

  • Confirmação de transação instantânea
  • Taxas de transação extremamente baixas
  • Boa escalabilidade, teoricamente TPS infinito
  • Boa privacidade, apenas o estado final é colocado na cadeia
  • Atualização de estado flexível

Desvantagens:

  • É necessário bloquear os fundos antecipadamente
  • Os participantes devem monitorar continuamente online
  • É necessário aguardar o período de contestação quando o canal estiver fechado.
  • Estabelecer canais múltiplos é complexo
  • Não é adequado para transferências de valor em grande escala

Relatório de Pesquisa Profunda: Análise Completa da Expansão fora da cadeia

3.1.5 Aplicação

Rede Lightning do Bitcoin:

Resumo: A Lightning Network é um canal de pagamento de pequeno valor na rede Bitcoin, cuja evolução técnica global passou por: a construção de um canal de pagamento unidirecional com 2/2 multi-assinatura, a adição de RSMC para construir um canal de pagamento bidirecional, e após a adição de HTLC, a possibilidade de conectar canais de pagamento para expandir para pagamentos entre múltiplas pessoas, construindo finalmente uma rede de pagamentos, ou seja, a Lightning Network. Por meio de canais de pagamento de pequeno valor fora da cadeia, e utilizando intermediários para formar uma rede de transações, é possível resolver o problema de escalabilidade da rede Bitcoin. O uso da Lightning Network segue o processo "depósito ( estabelecer canal ) → transação da Lightning Network ( atualizar estado do canal ) → reembolso/liqidação ( encerrar canal )"; teoricamente, pode processar um milhão de transações por segundo.

Linha do tempo:

  • Em fevereiro de 2015, Joseph Poon e Thaddeus Dryja publicaram o rascunho do white paper da Lightning Network
  • Lançamento da versão oficial do white paper em janeiro de 2016 e fundação da Lightning Labs
  • 15 de março de 2018, a Lightning Labs lançou a primeira versão da mainnet da rede Lightning, Lightning Network Daemon (LND) versão 0.4
  • No início de 2021, a capacidade pública da Lightning Network (TVL) era de cerca de 40 milhões de dólares, com cerca de 100 mil usuários.
  • Em junho de 2021, El Salvador anunciou a adoção do Bitcoin como moeda oficial, em setembro lançou a carteira Chivo baseada na Lightning Network.
  • Em 2022, o Cash App e 26 plataformas de negociação de criptomoedas, incluindo OKX, Kraken e Bitfinex, anunciaram suporte para a rede Lightning, permitindo depósitos e retiradas de BTC instantâneos e baratos.
  • Outubro de 2022, a Lightning Labs lançou a nova versão alpha do protocolo Taro protocol( baseada em Taproot), que está atualmente em testes na rede de testes, e no futuro poderá ser utilizada para criar, enviar e receber ativos na rede Bitcoin, além de realizar transações instantâneas, de grande volume e com baixas taxas através da rede Lightning.
  • Em 23 de novembro de 2022, de acordo com 1ml.com, a rede Lightning tinha um total de 76.236 canais de pagamento, com fundos de 5049 $BTC($81.8M)

Desenvolvimento ecológico: O ecossistema da rede relâmpago BTC é composto da seguinte forma: a rede BTC de base -- infraestrutura central -- diversos Dapps.

Infraestrutura básica central inclui:

  • Solução de rede relâmpago: indivíduos e empresas podem operar e conectar-se a
BTC1.35%
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Comentário
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LiquidationWatchervip
· 23h atrás
Layer2 é muito bom de usar
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LiquidityWitchvip
· 08-05 22:29
A escalabilidade é um ponto que vale a pena discutir.
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SchrodingerGasvip
· 08-05 22:19
A face triangular parece eterna
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