Глубина анализа вне блокчейна

1. Необходимость масштабирования

Будущее блокчейна видится в достижении децентрализации, безопасности и масштабируемости, но обычно можно одновременно удовлетворить только два из этих условий, что называется невозможной треугольной проблемой блокчейна. На протяжении многих лет люди искали способы повышения пропускной способности и скорости транзакций блокчейна при гарантированной децентрализации и безопасности, то есть решения проблемы масштабирования.

Децентрализация, безопасность и масштабируемость блокчейна определяются следующим образом:

• Децентрализация: любой может участвовать в производстве и проверке блокчейн-системы, чем больше узлов, тем выше степень децентрализации.
• Безопасность: чем выше стоимость получения контроля над системой блокчейн, тем выше безопасность, что позволяет противостоять большему количеству атак.
• Масштабируемость: способность блокчейна обрабатывать большое количество транзакций.

Сети Биткойн и Эфириум выбрали жертву части своей масштабируемости для обеспечения безопасности и децентрализации сети. Но с ростом приложений вне блокчейна, спрос на пропускную способность на рынке постоянно увеличивается, что приводит к росту стоимости транзакций, увеличению времени расчета и затрудняет большинству DApps покрытие операционных расходов. Идеальное решение для масштабирования: повысить скорость транзакций и пропускную способность блокчейн-сети без ущерба для децентрализации и безопасности.

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

2. Категории решений по масштабированию

Планы по расширению можно разделить на две основные категории: на основе "изменения уровня основной сети" — на блокчейн-расширение и внеблокчейн-расширение.

2.1 Масштабирование в цепочке

Основная концепция: решение, достигающее эффекта масштабирования за счет изменения уровня протокола основной сети, в настоящее время основное решение - шarding.

Основные решения для масштабирования на блокчейне включают:

1. Увеличить пространство блоков, увеличить количество транзакций, упакованных в каждый блок, но это повысит требования к узлам и снизит степень децентрализации.

2. Шардинг, разделение бухгалтерской книги блокчейна на несколько частей, за которые отвечают разные узлы, может снизить нагрузку на узлы, повысить скорость обработки транзакций и степень децентрализации, но при этом снизит общую безопасность сети.

Изменение протокола основной сети может вызвать непредсказуемые негативные последствия, и даже небольшие уязвимости в нижнем уровне могут серьезно угрожать безопасности всей сети.

2.2 вне блокчейна расширение

Основная концепция: решение по масштабированию, которое не изменяет существующий протокол основной сети первого уровня.

вне блокчейна расширение может быть подразделено на Layer2 и другие решения:

• Layer2: включает каналы состояния, сайдчейны, Plasma, Rollups и др.
• Другие решения: включая Validium и др.

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

3. Решение для расширения вне блокчейна

3.1 Государственные каналы

3.1.1 Обзор

Состояние канала предполагает, что пользователи должны взаимодействовать с основной сетью только при открытии, закрытии или разрешении споров, а взаимодействие между пользователями осуществляется вне блокчейна, что позволяет снизить время и затраты на транзакции и реализовать неограниченное количество транзакций.

Статус-каналы — это простые P2P протоколы, подходящие для "приложений на основе раундов", таких как двухигроковые шахматы. Каждый канал управляется многоподписным смарт-контрактом, работающим в основной сети, который контролирует активы, вложенные в канал, проверяет обновления статуса и арбитрирует споры между участниками.

3.1.2 Временная шкала

• 2015/02: Джозеф Пун и Таддеус Дрия выпустили черновик белой книги о сети Lightning.
• 2015/11: Джефф Коулман впервые систематически обобщил концепцию State Channel.
• 2016/01: Джозеф Пун и Таддеус Дрия официально опубликовали белую книгу о сети Биткойн Lightning.
• 2017/11: Предложены первые спецификации дизайна State Channel на основе фреймворка Payment Channel Sprites.
• 2018/06: Counterfactual предложил подробный дизайн обобщенных каналов состояния.
• 2018/10: предложены концепции State Channel Networks и Virtual Channels.
• 2019/02: Концепция каналов состояния расширена до N-Party Channels, Nitro является первым протоколом, созданным на основе этой идеи.
• 2019/10: Pisa расширяет концепцию Watchtowers, решая проблему необходимости постоянного онлайн-участия.
• 2020/03: Hydra предложила Быстрые Изоморфные Каналы.

3.1.3 Технические принципы

Рабочий процесс канала состояния следующий:

1. Пользователь вносит средства в смарт-контракт основной сети для открытия канала.
2. Пользователи могут осуществлять неограниченное количество сделок вне блокчейна и обмениваться сообщениями с помощью подписанных сообщений.
3. При закрытии канала пользователь подает контракту окончательное состояние. Если обе стороны подтверждают подписью, контракт распределяет средства в соответствии с окончательным состоянием; в случае спора необходимо дождаться окончания периода оспаривания.

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

3.1.4 Достоинства и недостатки

Преимущества:

• Мгновенное подтверждение
• Низкие комиссии
• Высокая конфиденциальность
• Подходит для частых мелких транзакций

Недостатки:

• Необходимо заранее заблокировать средства
• Не применимо для многосторонней торговли
• Участники должны оставаться онлайн
• При закрытии канала необходимо ждать периода вызова

3.1.5 Приложение

Основные применения включают:

1. Сеть Lightning для биткойнов: канал микроплатежей в сети биткойнов, который позволяет осуществлять быстрые и недорогие транзакции.

2. Эфириум Лайтнинг Сеть: платежный канал на основе Эфириума, цель которого - обеспечить мгновенные, низкие затраты и масштабируемые платежи ERC20 токенов.

3. Celer Network: увеличение уровня стимулов для сети Lightning, подходит для DApps типа высокочастотного взаимодействия.

3.1.6 Сравнение приложений

Биткойн-лайтнинг-сеть, Эфириум-лайтнинг-сеть и Celer Network имеют определенные различия в технической реализации, сценариях применения и экосистемном развитии. Биткойн-лайтнинг-сеть в основном используется для платежей в биткойнах, Эфириум-лайтнинг-сеть предназначена для платежей в токенах Эфириума, тогда как Celer Network имеет более широкий спектр применения.

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

3.2 Сайдчейны

3.2.1 Обзор

Сайдчейн — это форма блокчейна, которая появилась для ускорения транзакций главного цепочки, может использовать более сложные контракты или улучшенные механизмы консенсуса. Результаты транзакций сайдчейна в конечном итоге будут записаны на стороне валидаторов главного цепочки.

3.2.2 Хронология

• 2012/01: Концепция боковой цепи Биткойна была предложена в чате
• 2014/10: Опубликована статья о сайдчейнах биткойна
• 2017/04: Запуск тестовой сети POA Network
• 2017/10:Запуск сети Matic
• 2017/12: Запуск основной сети POA Network
• 2018/01: Запуск тестовой сети Skales
• 2018/10: Запуск тестовой сети xDai Chain
• 2020/06: Запуск основной сети Skale
• 2020/06: Запуск основной сети Ethereum sidechain Matic PoS Chain
• 2021/02: Matic Network переименована в Polygon Network
• 2021/02: Запуск основной сети Ronin, побочной цепи игры Axie Infinity
• 2021/12: xDai Chain объединилась с Gnosis Dao в Gnosis Chain
• 2022/03: POA Network присоединился к Gnosis Chain

3.2.3 Технический принцип

Сайдчейн имеет два основных способа связи с основной цепочкой:

1. Двусторонняя привязка ( Симметричная привязка ): валидаторы основной цепи и побочной цепи в реальном времени записывают заголовки блоков друг друга.

2. Несогласованная привязка ( Ассиметрическая привязка ): Проверяющие боковой цепи контролируют активность основной цепи, но основная цепь не записывает информацию боковой цепи. Необходимо ввести механизм Сертифицирующих организаций для проверки транзакций, возвращаемых боковой цепью.

Резюме механизма сайдчейна:

• Активы от основной цепи к побочной цепи: основная цепь блокирует активы, побочная цепь генерирует обернутые активы
• Активы от сайдчейна к мейнчейну: сайдчейн уничтожает упакованные активы, мейнчейн разблокирует активы

Безопасность активов побочной цепи зависит от механизма консенсуса побочной цепи.

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

3.2.4 Плюсы и минусы

Преимущества:

• Более высокая пропускная способность транзакций
• Более низкие торговые комиссии
• Гибкие сценарии применения
• Не влияет на безопасность основной цепи

Недостатки:

• Дополнительные предположения о доверии
• Мосты между цепями могут представлять собой угрозу безопасности
• Распределенная ликвидность

3.2.5 Приложение

Основные приложения включают:

1. xDai( сейчас Gnosis Chain): используется $xDai в качестве комиссии за транзакции, применяется механизм консенсуса PoSDAO.

2. Polygon: агрегатор решений для расширения Ethereum, предлагающий PoS побочные цепи и Plasma цепи.

3. Ronin: сайдчейн, разработанный для игры Axie Infinity, использующий механизм консенсуса PoA.

3.2.6 Сравнение приложений

xDai, Polygon и Ronin отличаются по механизмам консенсуса, сценариям применения и развитию экосистемы. xDai в основном используется для платежей, Polygon является многофункциональным решением для масштабирования, а Ronin сосредоточен на игровых приложениях.

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

3.3 Плазма

3.3.1 Обзор

Plasma является рамкой для создания масштабируемых DApp, предназначенной для минимизации доверия пользователей к оператору сторонней цепи. Даже если оператор совершает зло, Plasma может предотвратить кражу средств пользователей.

3.3.2 Временная шкала

• 2017/08: Виталик и Джозеф Пун представили белую книгу Plasma
• 2018/01: Предложение Plasma MVP
• 2018/03: предложен Plasma Cash
• 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
• Обязательство статуса: Оператор регулярно подает корень Меркла в основной сети
• Механизм выхода: пользователи могут извлекать средства через Merkle Proof

Основной процесс Plasma:

1. Пользователь вносит средства в основную сеть
2. Пользователь совершает сделку в сети Plasma
3. Оператор упаковывает транзакцию и отправляет корень Меркла в основную сеть
4. Пользователи могут выйти из Plasma цепи с помощью Merkle Proof

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

3.3.4 Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Высокая пропускная способность
• Низкие транзакционные сборы
• Наследовать безопасность основной сети

Недостатки:

• Сложный механизм выхода
• Проблема доступности данных
• Массовый выход может привести к перегрузке
• Ограниченные функции смарт-контрактов

3.3.5 Приложение

Основные применения включают:

1. Plasma Group: после трансформации в Optimism, сосредоточена на исследовании Optimistic Rollup

2. OMG Network: позже переименован в Boba Network, перешел на решение Optimistic Rollup

3. Polygon: предоставляет Plasma цепь, затем центр тяжести смещается к технологии Rollup

3.3.6 Резюме

Plasma является переходным технологическим решением, которое из-за технологических ограничений не получило широкого применения. Большинство проектов переключились на решение Rollup.

3.4 Ролл-апы

3.4.1 Обзор

Основная идея Rollups заключается в том, чтобы размещать вычисления и хранение состояния вне блокчейна, в то время как на блокчейне хранятся обязательства по состоянию и сжатые данные транзакций. В основном делятся на два типа: Optimistic Rollups и ZK Rollups.

3.4.2 Технический принцип

Основные технические характеристики Rollups:

• вне блокчейна виртуальная машина: завершение расчетов по транзакциям и изменения состояния
• Сжатие транзакций: уменьшение объема данных, хранящихся в цепочке
• Обещание состояния: регулярная подача корня состояния в основной сети
• Доступность данных: данные о транзакциях хранятся в calldata основной сети

Стоимость транзакций Rollups = Стоимость хранения данных L1 + Стоимость вычислительной обработки L2

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

3.4.3 Плюсы и минусы

Преимущества:

• Высокая пропускная способность
• Низкие транзакционные расходы
• Унаследовать безопасность основной сети
• Убрать доверие

Недостатки:

• Задержка вывода