off-chain Ölçeklenebilirlik Derinlik Analizi

1. Ölçeklenmenin Gerekliliği

Blok zincirinin gelecekteki vizyonu, merkeziyetsizlik, güvenlik ve ölçeklenebilirliği gerçekleştirmek iken, genellikle sadece bunlardan ikisini aynı anda karşılayabilir, bu da blok zincirinin imkansız üçgen problemi olarak adlandırılır. Yıllar boyunca, insanlar merkeziyetsizliği ve güvenliği sağlarken blok zincirinin işleme kapasitesini ve işlem hızını artırmanın yollarını araştırmaktadır, yani ölçekleme sorununu çözmektedir.

Blok zincirinin merkeziyetsizliği, güvenliği ve ölçeklenebilirliği şu şekilde tanımlanır:

• Merkeziyetsizlik: Herkes blok zinciri sisteminin üretimine ve doğrulamasına katılabilir, düğüm sayısı ne kadar fazla olursa, merkeziyetsizlik seviyesi o kadar yüksek olur.
• Güvenlik: Blok zinciri sisteminin kontrolünü elde etme maliyeti ne kadar yüksekse, güvenlik o kadar yüksektir ve daha büyük oranlarda saldırılara karşı dayanıklıdır.
• Ölçeklenebilirlik: Blok zincirinin büyük miktarda işlemi işleme yeteneği.

Bitcoin ve Ethereum ağları, güvenlik ve merkeziyetsizlik sağlamak için bir miktar ölçeklenebilirlikten vazgeçmeyi seçti. Ancak, zincir üstü uygulamaların yükselmesiyle birlikte, piyasada işlem hacmi talebi sürekli artmakta, bu da işlem maliyetlerinin artmasına ve hesaplama sürelerinin uzamasına neden olmaktadır; bu nedenle çoğu DApp işletme maliyetlerini karşılamakta zorlanmaktadır. İdeal ölçeklendirme çözümü, merkeziyetsizlik ve güvenlikten ödün vermeden, blockchain ağının işlem hızını ve hacmini artırmaktır.

2. Ölçekleme çözümlerinin türleri

Kapasite artırma çözümleri, "birincil ağı değiştirip değiştirmediğine" göre on-chain ve off-chain olmak üzere iki ana kategoriye ayrılabilir.

2.1 Zincir üstü genişleme

Ana kavram: Bir ana ağ protokolünün bir katmanını değiştirerek ölçeklenebilirlik sağlama çözümü, mevcut ana çözüm parçalama (sharding) olarak belirlenmiştir.

On-chain ölçeklenme ana planları şunlardır:

1. Blok alanını genişletmek, her blokta paketlenen işlem sayısını artırmak, ancak düğüm gereksinimlerini artıracak ve merkeziyetsizlik derecesini azaltacaktır.

2. Parçalama, blok zinciri defterini birkaç parçaya ayırarak, farklı düğümlerin farklı kayıt tutmasını sağlar, bu da düğümlerin üzerindeki baskıyı azaltabilir, işlem işleme hızını ve merkeziyetsizliği artırabilir, ancak tüm ağın güvenliğini azaltabilir.

Bir ana ağ protokolünü değiştirmek, tahmin edilemeyen olumsuz etkiler yaratabilir; alt katmandaki en küçük güvenlik açıkları bile ağın güvenliğini ciddi şekilde tehdit edebilir.

2.2 off-chain genişleme

Temel Kavram: Mevcut birinci katman ana ağ protokolünü değiştirmeden genişletme çözümü.

off-chain ölçeklendirme çözümleri Layer2 ve diğer çözümler olarak ayrılabilir:

• Layer2: Durum Kanalları, Yan Zincirler, Plasma, Rollups vb. içerir.
• Diğer çözümler: Validium gibi.

3. off-chain ölçeklendirme çözümleri

3.1 Eyalet Kanalları

3.1.1 Özet

Durum kanalı, yalnızca kanal açıldığında, kapandığında veya anlaşmazlık çözüldüğünde kullanıcıların ana ağ ile etkileşimde bulunması gerektiğini belirtir. Kullanıcılar arasındaki etkileşim off-chain gerçekleştirilir, böylece işlem süreleri ve maliyetleri azaltılır ve işlem sayısı sınırsız hale getirilir.

Durum kanalları, iki kişilik satranç oyunu gibi "tur bazlı uygulamalar" için uygun, basit bir P2P protokolüdür. Her kanal, ana ağda çalışan çok imzalı bir akıllı sözleşme tarafından yönetilir; bu sözleşme, kanala yatırılan varlıkları kontrol eder, durum güncellemelerini doğrular ve katılımcılar arasındaki anlaşmazlıkları hakemlik eder.

3.1.2 Zaman Çizgisi

• 2015/02: Joseph Poon ve Thaddeus Dryja, Lightning Network beyaz kağıdı taslağını yayınladı.
• 2015/11: Jeff Coleman, State Channel konseptini sistematik olarak ilk kez özetledi.
• 2016/01: Joseph Poon ve Thaddeus Dryja, Bitcoin Lightning Network beyaz kitabını resmi olarak yayımladı.
• 2017/11: Payment Channel çerçevesine dayanan ilk State Channel tasarım standardı Sprites'i sundu.
• 2018/06:Counterfactual, ayrıntılı Genel Devlet Kanalları tasarımını sundu.
• 2018/10: State Channel Networks ve Sanal Kanallar kavramları önerildi.
• 2019/02: Durum kanalı kavramı N-Party Kanalları'na genişletildi, Nitro bu fikir üzerine kurulmuş ilk protokoldür.
• 2019/10:Pisa, katılımcıların sürekli çevrimiçi olma sorununu çözmek için Watchtowers konseptini genişletti.
• 2020/03:Hydra Hızlı Isomorfik Kanallarını önerdi.

3.1.3 Teknik Prensip

Durum kanallarının iş akışı aşağıdaki gibidir:

1. Kullanıcı ana ağ akıllı sözleşmesine fon yatırarak kanalı açar.
2. Kullanıcılar, off-chain sınırsız sayıda işlem gerçekleştirebilir ve imzalı mesajlar aracılığıyla birbirleriyle iletişim kurabilirler.
3. Kanal kapatıldığında, kullanıcı sözleşmeye son durumu sunar. Taraflar imza ile onaylarsa, sözleşme son duruma göre fonları dağıtır; eğer bir ihtilaf varsa, itiraz süresinin sona ermesini beklemek gerekir.

3.1.4 Artıları ve Eksileri

Avantajlar:

• Anında onay
• Düşük işlem ücreti
• Yüksek gizlilik
• Sık sık küçük miktar işlemleri için uygundur

Eksiklikler:

• Önceden fonları kilitlemek gerekir
• Çoklu işlemler için geçerli değildir
• Katılımcıların çevrimiçi kalması gerekmektedir.
• Kapatma kanalı için zorluk dönemini beklemek gerekir.

3.1.5 Uygulama

Başlıca uygulamalar şunlardır:

1. Bitcoin Lightning Network: Bitcoin ağı üzerindeki küçük ölçekli ödeme kanalları, hızlı ve düşük maliyetli işlemler gerçekleştirebilir.

2. Ethereum Şimşek Ağı: Ethereum tabanlı küçük ölçekli ödeme kanalları, hedefi anlık, düşük maliyetli ve ölçeklenebilir ERC20 token ödemelerini gerçekleştirmektir.

3. Celer Network: Yüksek frekanslı etkileşim türündeki DApp'ler için teşvik katmanı ekleyen Lightning Network.

3.1.6 Uygulama Karşılaştırması

Bitcoin Lightning Network, Ethereum Lightning Network ve Celer Network, teknik uygulama, kullanım senaryoları ve ekosistem gelişimi açısından belirli farklılıklar göstermektedir. Bitcoin Lightning Network öncelikle Bitcoin ödemeleri için kullanılır, Lightning Network ise Ethereum token ödemeleri için kullanılmaktadır, Celer Network ise daha geniş bir uygulama alanına sahiptir.

3.2 Yan Zincirler

3.2.1 Özet

Yan zincir, ana zincir işlemlerini hızlandırmak için ortaya çıkan bir blok zincir biçimidir; daha karmaşık sözleşmeler veya konsensüs mekanizmasını iyileştirmek için kullanılabilir. Yan zincirin işlem sonuçları nihayetinde ana zincir doğrulayıcı tarafında kaydedilecektir.

3.2.2 Zaman Çizgisi

• 2012/01: Bitcoin yan zincir kavramı sohbet odasında ortaya atıldı
• 2014/10: Bitcoin yan zinciri makalesi yayımlandı
• 2017/04: POA Network test ağı çevrimiçi
• 2017/10:Matic Network başlatıldı
• 2017/12: POA Network ana ağı çevrimiçi
• 2018/01: Skales test ağı çevrimiçi
• 2018/10:xDai Chain test ağı çevrimiçi
• 2020/06: Skale ana ağı çevrimiçi
• 2020/06: Ethereum yan zinciri Matic PoS Chain ana ağı çevrimiçi
• 2021/02: Matic Network, Polygon Network olarak yeniden adlandırıldı.
• 2021/02: Axie Infinity oyununun yan zinciri Ronin ana ağı çalışıyor
• 2021/12:xDai Chain ve Gnosis Dao, Gnosis Chain olarak birleştirildi
• 2022/03: POA Network, Gnosis Chain'e katıldı.

3.2.3 Teknik Prensip

Yan zincirlerin ana zincirle iletişim kurmasının iki ana yolu vardır:

1. İki yönlü sabitleme ( Simetrik Sabit ): Ana zincir ve yan zincirin doğrulayıcıları, birbirlerinin blok başı bilgilerini gerçek zamanlı olarak kaydeder.

2. Uyumlu Olmayan ( Asimetrik Sabit ): Yan zincir doğrulayıcıları ana zincir aktivitelerini izler, ancak ana zincir yan zincir bilgilerini kaydetmez. Yan zincirden geri dönen işlemleri doğrulamak için Sertifikatör mekanizmasının uygulanması gerekir.

Yan zinciri mekanizması özeti:

• Varlıklar ana zincirden yan zincire: Ana zincir varlıkları kilitler, yan zincir paketlenmiş varlıklar oluşturur.
• Varlıkların yan zincirden ana zincire: Yan zincir, paketlenmiş varlıkları yok eder, ana zincir varlıkları kilidini açar.

Yan zincir varlıklarının güvenliği, yan zincirin konsensüs mekanizmasına bağlıdır.

3.2.4 Artıları ve Eksileri

Avantajlar:

• Daha yüksek işlem hacmi
• Daha düşük işlem ücretleri
• Esnek uygulama senaryoları
• Ana zincir güvenliğini etkilemez

Eksiler:

• Ekstra güven varsayımları
• Kısa zincir köprüsü güvenlik riskleri barındırabilir
• Likidite Dağıtımı

3.2.5 Uygulama

Ana uygulamalar şunlardır:

1. xDai( mevcut Gnosis Chain): $xDai'yi işlem ücretleri için kullanır, PoSDAO konsensüs mekanizmasını benimser.

2. Polygon: Ethereum ölçeklenebilirlik çözümü toplayıcısı, PoS yan zincirleri ve Plasma zinciri sunar.

3. Ronin: Axie Infinity oyunu için geliştirilen yan zincir, PoA konsensüs mekanizmasını kullanmaktadır.

3.2.6 Uygulama Karşılaştırması

xDai, Polygon ve Ronin'in konsensüs mekanizması, uygulama alanları ve ekosistem gelişimi açısından farklılıkları bulunmaktadır. xDai esas olarak ödeme için kullanılır, Polygon çok işlevli ölçekleme çözümüdür, Ronin ise oyun uygulamalarına odaklanmaktadır.

3.3 Plasma

3.3.1 Genel Bakış

Plasma, kullanıcıların yan zincir Operatörüne olan güvenini en aza indirmek için tasarlanmış, ölçeklenebilir DApp'ler inşa etmek için bir çerçevedir. Operatör kötü niyetli davransa bile, Plasma kullanıcı fonlarının çalınmasını önleyebilir.

3.3.2 Zaman Çizgisi

• 2017/08: Vitalik ve Joseph Poon, Plasma beyaz kağıdını sundu.
• 2018/01: Plasma MVP önerildi
• 2018/03: Plasma Cash önerildi
• 2018/06: Plasma Debit önerildi
• 2018/11: Plasma Prime önerildi
• 2019'dan itibaren: Ethereum topluluğu Rollups çözümünü keşfetmeye başladı

3.3.3 Teknik Prensip

Plasma'nın temel düşüncesi:

• off-chain yürütme: Çoğu iş ana ağın dışında işlenir
• Durum Taahhüdü: Operator, ana ağda düzenli olarak Merkle Kökünü sunar.
• Çıkış mekanizması: Kullanıcılar Merkle Proof ile fonları çekebilir.

Plasma ana akışları:

1. Kullanıcı ana ağa para yatırır
2. Kullanıcı Plasma zincirinde işlem yapar
3. Operator işlemleri paketler, Merkle Kökünü ana ağa gönderir.
4. Kullanıcılar Merkle Proof ile Plasma zincirinden çıkabilir.

3.3.4 Artıları ve Eksileri

Avantajlar:

• Yüksek hacim
• Düşük işlem ücretleri
• Ana ağ güvenliğini devralma

Eksiler:

• Karmaşık çıkış mekanizması
• Veri kullanılabilirliği sorunu
• Büyük ölçekli çıkışlar tıkanıklığa neden olabilir.
• Sınırlı akıllı sözleşme işlevselliği

3.3.5 Uygulama

Başlıca uygulamalar şunlardır:

1. Plasma Grubu: Optimism'e dönüşerek, Optimistic Rollup araştırmalarına odaklandı.

2. OMG Network: Daha sonra Boba Network olarak yeniden adlandırıldı, Optimistic Rollup çözümüne yöneldi.

3. Polygon: Plasma zinciri sağlıyor, daha sonra odak Rollup teknolojisine kaydırılıyor.

3.3.6 Özet

Plasma, teknik sınırlamalar nedeniyle yaygın olarak uygulanmamış geçici bir teknoloji çözümüdür. Çoğu proje Rollup çözümüne yönelmiştir.

3.4 Rollups

3.4.1 Özet

Rolluplar'ın temel fikri, hesaplamayı ve durum depolamayı off-chain'de tutarken, zincir üzerinde durum taahhüdü ve sıkıştırılmış işlem verilerini saklamaktır. Temelde Optimist Rolluplar ve ZK Rolluplar olarak iki ana kategoriye ayrılır.

3.4.2 Teknik Prensip

Rollup'ların ana teknik özellikleri:

• off-chain sanal makinesi: işlem hesaplama ve durum değişikliği tamamlandı
• İşlem sıkıştırma: zincir üzerindeki veri depolama miktarını azaltma
• Durum Taahhütü: Ana ağda düzenli olarak durum kökü gönderin
• Veri kullanılabilirliği: İşlem verileri ana ağ calldata'sında depolanır

Rollups işlem maliyeti = L1 veri depolama maliyeti + L2 hesaplama işleme maliyeti

3.4.3 Artılar ve Eksiler

Avantajlar:

• Yüksek throughput
• Düşük işlem ücretleri
• Ana ağın güvenliğini devralma
• Güveni ortadan kaldırmak

Eksiler:

• Çekim Gecikmesi