Análise Profunda da Expansão Fora da Cadeia

1. A necessidade de escalabilidade

A visão futura da blockchain é alcançar a descentralização, segurança e escalabilidade, mas normalmente só é possível satisfazer simultaneamente duas delas, o que é conhecido como o problema do triângulo impossivel da blockchain. Ao longo dos anos, as pessoas têm explorado como aumentar a capacidade de processamento e a velocidade das transações da blockchain, garantindo a descentralização e a segurança, ou seja, resolver o problema de escalabilidade.

A descentralização, segurança e escalabilidade da blockchain são definidas da seguinte forma:

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

As redes do Bitcoin e do Ethereum optaram por sacrificar uma parte da escalabilidade para garantir a segurança e a descentralização da rede. No entanto, com o surgimento de aplicações na cadeia, a demanda do mercado por capacidade de processamento tem aumentado constantemente, levando ao aumento dos custos de transação e ao prolongamento dos tempos de liquidação, tornando a maioria das DApps difícil de suportar os custos operacionais. A solução ideal de escalabilidade é: aumentar a velocidade de transação e a profundidade da rede blockchain sem sacrificar a descentralização e a segurança.

2. Tipos de planos de escalabilidade

As soluções de escalabilidade podem ser divididas em duas grandes categorias, que são a escalabilidade on-chain e a escalabilidade fora da cadeia, de acordo com "se alteram ou não a camada principal da rede".

2.1 expansão na cadeia

Conceito central: uma solução que atinge o efeito de escalabilidade através da alteração de uma camada do protocolo da rede principal, sendo a principal solução atual a fragmentação.

Os principais planos de escalabilidade na cadeia incluem:

1. Expandir o espaço do bloco, aumentar o número de transações empacotadas em cada bloco, mas isso aumentará os requisitos dos nós e diminuirá o grau de descentralização.

2. Sharding, dividir o livro-razão da blockchain em várias partes, com diferentes nós responsáveis por diferentes registos, pode reduzir a pressão sobre os nós, aumentar a velocidade de processamento de transações e o grau de descentralização, mas pode reduzir a segurança de toda a rede.

Mudar um protocolo de rede principal pode ter efeitos negativos imprevisíveis; qualquer pequena vulnerabilidade de segurança na camada subjacente pode ameaçar seriamente 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.

A solução de escalabilidade fora da cadeia pode ser subdividida em Layer2 e outras soluções:

• Layer2: inclui canais de estado, cadeias laterais, Plasma, Rollups, etc.
• Outras soluções: incluindo Validium e outros.

3. Fora da cadeia expansão do plano

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 em caso de resolução de disputas, realizando a interação entre usuários fora da cadeia, a fim de reduzir o tempo e o custo das transações, 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 para duas pessoas. Cada canal é gerido por um contrato inteligente multi-assinatura que opera na rede principal, que controla os ativos depositados no canal, valida as atualizações de estado e arbitra disputas entre os participantes.

3.1.2 Linha do tempo

• 2015/02: Joseph Poon e Thaddeus Dryja publicam o rascunho do white paper da rede Lightning.
• 2015/11: Jeff Coleman resumiu sistematicamente o conceito de State Channel pela primeira vez.
• 2016/01: Joseph Poon e Thaddeus Dryja publicaram oficialmente o white paper da Lightning Network do Bitcoin.
• 2017/11: Apresentada a 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: apresentação dos conceitos de State Channel Networks e Virtual Channels.
• 2019/02: O conceito de canais de estado foi expandido para canais N-partidos, Nitro é o primeiro protocolo construído com base nessa ideia.
• 2019/10: Pisa expandiu o conceito de Watchtowers, resolvendo o problema de os participantes precisarem estar continuamente online.
• 2020/03: Hydra apresentou Canais Isomórficos Rápidos.

3.1.3 Princípios técnicos

O fluxo de trabalho do canal de estado é o seguinte:

1. O utilizador deposita fundos no contrato inteligente da mainnet para abrir um canal.
2. Os usuários podem realizar transações ilimitadas fora da cadeia e comunicar-se mutuamente através de mensagens assinadas.
3. Ao fechar o canal, o usuário submete o estado final ao contrato. Se ambas as partes confirmarem a assinatura, o contrato distribui os fundos com base no estado final; se houver disputas, é necessário esperar o término do período de contestação.

3.1.4 Vantagens e desvantagens

Vantagens:

• Confirmação instantânea
• Baixas taxas
• Alta privacidade
• Adequado para transações frequentes de pequeno montante

Desvantagens:

• É necessário bloquear os fundos com antecedência
• Não aplicável a transações multi-partes
• Os participantes devem estar online continuamente
• É necessário esperar pelo período de contestação ao fechar o canal

3.1.5 Aplicação

As principais aplicações incluem:

1. Rede Lightning do Bitcoin: um canal de pagamento de baixo valor na rede Bitcoin, que permite transações rápidas e de baixo custo.

2. Rede Lightning do Ethereum: um canal de pagamento de baixo valor baseado em Ethereum, com o objetivo de realizar pagamentos de tokens ERC20 instantâneos, de baixo custo e escaláveis.

3. Celer Network: Aumentar a camada de incentivos da rede relâmpago, adequada para DApps de tipo de interação de alta frequência.

3.1.6 Comparação de Aplicações

A Lightning Network do Bitcoin, a Lightning Network do Ethereum e a Celer Network apresentam algumas diferenças em termos de implementação técnica, cenários de aplicação e desenvolvimento ecológico. A Lightning Network do Bitcoin é principalmente utilizada para pagamentos em Bitcoin, a Lightning Network é utilizada para pagamentos de tokens Ethereum, enquanto a Celer Network tem um alcance mais amplo.

3.2 Sidechains

3.2.1 Resumo

A sidechain é uma forma de blockchain que surgiu para acelerar as transações da cadeia principal, podendo usar contratos mais complexos ou melhorar o mecanismo de consenso. O resultado das transações da sidechain será finalmente registado no lado do validador da cadeia principal.

3.2.2 Linha do tempo

• 2012/01: O conceito de sidechain do Bitcoin foi proposto em salas de chat
• 2014/10: Publicação do artigo sobre sidechains do Bitcoin
• 2017/04: Lançamento da rede de testes POA Network
• 2017/10: Lançamento da Matic Network
• 2017/12:Lançamento da mainnet POA Network
• 2018/01: Lançamento da rede de testes Skales
• 2018/10: Lançamento da rede de testes da xDai Chain
• 2020/06: Lançamento da mainnet Skale
• 2020/06: A rede principal da cadeia PoS Matic do Ethereum foi lançada
• 2021/02: Matic Network passou a ser chamado de Polygon Network
• 2021/02: O jogo Axie Infinity na cadeia lateral Ronin começou a operar na mainnet
• 2021/12:a cadeia xDai fundiu-se com o Gnosis Dao para formar a Gnosis Chain
• 2022/03: A POA Network foi incorporada à Gnosis Chain

3.2.3 Princípios técnicos

As cadeias laterais têm principalmente duas formas de comunicação com a cadeia principal:

1. Ancoragem bidirecional ( Symmetric Pegged ): os validadores da cadeia principal e da cadeia lateral registram em tempo real as informações do cabeçalho dos blocos um do outro.

2. Ancoragem não coordenada ( Ancoragem Assimétrica ): validadores de cadeia lateral monitoram atividades da cadeia principal, mas a cadeia principal não registra informações da cadeia lateral. É necessário introduzir o mecanismo de Certificadores para validar as transações retornadas pela cadeia lateral.

Resumo do mecanismo de cadeia lateral:

• Ativos da cadeia principal para a cadeia lateral: a cadeia principal bloqueia ativos, a cadeia lateral gera ativos encapsulados
• Ativos da sidechain para a mainchain: ativos encapsulados destruídos na sidechain, ativos desbloqueados na mainchain

A segurança dos ativos da sidechain depende do mecanismo de consenso da sidechain.

3.2.4 Vantagens e desvantagens

Vantagens:

• Maior taxa de transferência de transações
• Taxas de transação mais baixas
• Cenários de aplicação flexíveis
• não afeta a segurança da cadeia principal

Desvantagens:

• Suposição adicional de confiança
• A ponte de cadeia cruzada pode apresentar riscos de segurança
• Liquidez dispersa

3.2.5 Aplicação

As principais aplicações incluem:

1. xDai( agora Gnosis Chain): utiliza $xDai como taxa de transação, adotando o mecanismo de consenso PoSDAO.

2. Polygon: agregador de soluções de escalabilidade da Ethereum, oferecendo cadeias PoS e Plasma.

3. Ronin: uma sidechain desenvolvida para o jogo Axie Infinity, que utiliza o mecanismo de consenso PoA.

3.2.6 Comparação de aplicações

xDai, Polygon e Ronin apresentam diferenças em termos de mecanismo de consenso, cenários de aplicação e desenvolvimento ecológico. xDai é principalmente utilizado para pagamentos, Polygon é uma solução de escalabilidade multifuncional, e Ronin foca em aplicações de jogos.

3.3 Plasma

3.3.1 Resumo

Plasma é um framework para construir DApps escaláveis, projetado para minimizar a confiança dos usuários nos operadores de sidechain. Mesmo que os operadores ajam de forma maliciosa, o Plasma pode impedir que os fundos dos usuários sejam roubados.

3.3.2 Linha do tempo

• 2017/08: Vitalik e Joseph Poon apresentaram o white paper do Plasma
• 2018/01: Proposta do Plasma MVP
• 2018/03: proposta do Plasma Cash
• 2018/06: Proposta de 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: O operador submete regularmente a raiz Merkle na mainnet.
• Mecanismo de saída: os usuários podem retirar fundos através da Prova Merkle

Processo principal do Plasma:

1. O utilizador deposita fundos na mainnet
2. O usuário negocia na cadeia Plasma
3. O operador empacota a transação e envia a Raiz de Merkle para a mainnet
4. O usuário pode sair da cadeia Plasma através da Prova de Merkle.

3.3.4 Vantagens e desvantagens

Vantagens:

• Alta taxa de transferência
• Baixos custos de transação
• Herança da segurança da rede principal

Desvantagens:

• Mecanismo de saída complexo
• Problemas de disponibilidade de dados
• Uma saída em massa pode causar congestionamento
• Funções limitadas de contrato inteligente

3.3.5 Aplicação

Principais aplicações incluem:

1. Plasma Group: transformou-se em Optimism, focando na pesquisa de Optimistic Rollup

2. OMG Network: posteriormente renomeado para Boba Network, mudando para a solução Optimistic Rollup

3. Polygon: fornece a cadeia Plasma, com o foco posteriormente voltado para a tecnologia Rollup

3.3.6 Resumo

Plasma é uma solução técnica transitória, limitada por tecnologia, que não foi amplamente adotada. A maioria dos projetos mudou para soluções Rollup.

3.4 Rollups

3.4.1 Resumo

A ideia central dos Rollups é colocar o cálculo e o armazenamento de estado fora da cadeia, enquanto armazena o compromisso de estado e os dados de transação comprimidos na cadeia. Eles são principalmente divididos em duas categorias: Optimistic Rollups e ZK Rollups.

3.4.2 Princípio Técnico

Características técnicas principais dos Rollups:

• Máquina virtual fora da cadeia: completar cálculos de transação e mudanças de estado
• Compressão de transações: reduzir a quantidade de dados armazenados na cadeia
• Compromisso de estado: Submissão periódica da raiz do estado na mainnet
• Disponibilidade de dados: os dados da transação são armazenados no calldata da mainnet

Custo de transação de Rollups = Custo de armazenamento de dados L1 + Custo de processamento computacional L2

3.4.3 Vantagens e desvantagens

Vantagens:

• Alta capacidade de processamento
• Baixos custos de transação
• Herdar a segurança da mainnet
• Ir para a confiança

Desvantagens:

• Atraso na retirada