تحليل العمق لتوسيع خارج السلسلة

المؤلفون: إيلين شو، هيتي جيانغ، يونيو وانغ، والون لين، ييليو لين

1. ضرورة التوسع

الرؤية المستقبلية للبلوكشين هي اللامركزية، والأمان، وقابلية التوسع. ولكن عادةً ما يمكن للبلوكشين تحقيق اثنين فقط من هذه الثلاثة، وهو ما يُعرف بمشكلة مثلث البلوكشين المستحيل. على مدى سنوات، كان الناس يستكشفون كيفية زيادة سعة البلوكشين وسرعة المعاملات مع ضمان اللامركزية والأمان، أي حل مشكلة التوسع، وهي واحدة من المواضيع الساخنة في عملية تطوير البلوكشين الحالية.

دعنا نبدأ بتعريف اللامركزية والأمان والقابلية للتوسع في blockchain:

• اللامركزية: يمكن لأي شخص أن يصبح عقدة ويشارك في نظام البلوكشين، كلما زاد عدد العقد، زادت درجة اللامركزية، مما يضمن عدم السيطرة على الشبكة من قبل عدد قليل من المشاركين.

• الأمان: كلما زادت تكلفة الحصول على السيطرة على نظام blockchain، زادت الأمان، ويمكن أن تقاوم السلسلة هجمات نسبة أكبر من المشاركين.

• القابلية للتوسع: قدرة البلوكشين على معالجة عدد كبير من المعاملات.

تعود أول عملية انقسام كبيرة في شبكة البيتكوين إلى مشكلة التوسع. مع زيادة عدد مستخدمي البيتكوين وحجم المعاملات، بدأ الشبكة ذات الحد الأقصى للكتل 1 ميجابايت تواجه الازدحام. منذ عام 2015، كانت هناك اختلافات في مجتمع البيتكوين حول مشكلة التوسع، حيث كان أحد الأطراف يدعم توسيع الكتل، بينما كان الطرف الآخر يدعم استخدام الشهادة المنفصلة Segwit لتحسين هيكل السلسلة الرئيسية. في 1 أغسطس 2017، بدأ الطرف الداعم للكتل الكبيرة بتطوير نظام عميل بسعة 8 ميجابايت، مما أدى إلى حدوث أول انقسام كبير في البيتكوين، وولادة عملة جديدة هي BCH.

وبالمثل، ض sacrificedت شبكة الإيثيريوم بعض القابلية للتوسع لضمان أمان الشبكة واللامركزية، من خلال وضع حد أقصى لرسوم الغاز التي يمكن أن تستوعبها كتلة واحدة لتقييد حجم المعاملات. الهدف هو تحقيق إجماع بدون ثقة وضمان توزيع واسع للنقاط.

من CryptoKitties في عام 2017، وصيف DeFi، إلى ظهور تطبيقات على السلسلة مثل GameFi وNFT، تزايدت الحاجة إلى القدرة على المعالجة في السوق بشكل مستمر، لكن الإيثيريوم لا يزال قادرًا على معالجة 15-45 معاملة في الثانية. وهذا أدى إلى زيادة تكاليف المعاملات، وطول فترة التسوية، مما جعل معظم التطبيقات اللامركزية تواجه صعوبة في تحمل تكاليف التشغيل، وأصبح الشبكة بأكملها بطيئة ومكلفة للمستخدمين، مما يجعل مشكلة توسيع نطاق blockchain بحاجة ماسة إلى الحل. الحل المثالي للتوسع هو زيادة سرعة المعاملات وقدرة التحميل في شبكة blockchain قدر الإمكان دون التضحية باللامركزية والأمان.

2. فئات خطط التوسع

نحن نصنف خطط التوسع إلى فئتين رئيسيتين بناءً على "ما إذا كنا سنغير طبقة الشبكة الرئيسية"، وهما التوسع على السلسلة والتوسع خارج السلسلة.

2.1 توسيع السلسلة

المفهوم الأساسي: حل لتحقيق تأثير التوسع من خلال تغيير طبقة بروتوكول الشبكة الرئيسية، والخطة الرئيسية الحالية هي الشظايا.

هناك العديد من الحلول لتوسيع السلسلة، لن يتم التوسع في هذا المقال، وسأذكر بإيجاز نوعين:

• الخيار الأول هو توسيع مساحة الكتلة، وزيادة عدد المعاملات المعبأة في كل كتلة، لكن هذا سيزيد من متطلبات الأجهزة عالية الأداء، مما يرفع من عتبة انضمام العقد، ويقلل من درجة "اللامركزية".

• الخيار الثاني هو التقسيم، حيث يتم تقسيم دفتر الأستاذ الخاص بسلسلة الكتل إلى عدة أجزاء، ويتولى كل جزء مسؤولية تسجيل مختلف، ويمكن للحساب المتوازي معالجة عدة معاملات في نفس الوقت. وهذا يمكن أن يقلل من الضغط على حسابات العقد ويخفض من عوائق الانضمام، مما يزيد من سرعة معالجة المعاملات ودرجة اللامركزية، ولكن سيقلل من "الأمان" في الشبكة بأكملها.

يمكن أن يؤدي تغيير بروتوكول الشبكة الرئيسية إلى آثار سلبية غير متوقعة، حيث إن أي ثغرة أمنية طفيفة في الطبقة الأساسية تهدد بشكل خطير أمان الشبكة بأكملها. على سبيل المثال، حادثة ثغرة التضخم في Zcash عام 2018: كانت قاعدة رمز Zcash مبنية على تعديل نسخة Bitcoin 0.11.2، وفي عام 2018 تم اكتشاف وجود ثغرة حرجة في رمزها الأساسي، مما سمح بإصدار غير محدود من الرموز. قضى الفريق 8 أشهر في إصلاح سري، وبعد الإصلاح، تم الإعلان عن هذه الحادثة.

2.2 خارج السلسلة توسيع

المفهوم الأساسي: حل توسيع نطاق لا يغير بروتوكول الشبكة الرئيسية من الطبقة الأولى الحالي.

خارج السلسلة توسعة الحلول يمكن تقسيمها إلى Layer2 وحلول أخرى:

3. حلول توسيع خارج السلسلة

3.1 قنوات الدولة

3.1.1 ملخص

تنص قنوات الحالة على أنه يجب على المستخدمين التفاعل مع الشبكة الرئيسية فقط عند فتح القناة أو إغلاقها أو حل النزاعات، وأن يتم إجراء التفاعلات بين المستخدمين خارج السلسلة، وذلك لتقليل الوقت وتكاليف المعاملات للمستخدمين، وتحقيق عدد غير محدود من المعاملات.

قناة الحالة هي بروتوكول P2P بسيط، مناسب لتطبيقات "المبنية على الجولات"، مثل لعبة الشطرنج بين شخصين. يتم إدارة كل قناة بواسطة عقد ذكي متعدد التوقيعات يعمل على الشبكة الرئيسية، والذي يتحكم في الأصول المودعة في القناة، ويحقق تحديثات الحالة، ويتوسط في النزاعات بين المشاركين ( بناءً على إثبات الاحتيال الموقعة والمختومة بوقت ). بعد نشر العقد على شبكة البلوكشين، يقوم المشاركون بإيداع الأموال وإغلاقها، وبعد توقيع الطرفين على التأكيد، يتم فتح القناة رسميًا. تتيح القناة معاملات مجانية غير محدودة خارج السلسلة ( طالما أن صافي قيمة تحويلاتهم لا يتجاوز إجمالي الرموز المودعة ). يتناوب المشاركون على إرسال تحديثات الحالة إلى بعضهم البعض، في انتظار تأكيد توقيع الطرف الآخر. بمجرد تأكيد الطرف الآخر على التوقيع، يُعتبر تحديث الحالة قد اكتمل. في الظروف العادية، لا يتم رفع تحديثات الحالة المتفق عليها من الطرفين إلى الشبكة الرئيسية، فقط في حالة وجود نزاع أو إغلاق القناة، يتم الاعتماد على تأكيد الشبكة الرئيسية. عند الحاجة لإغلاق القناة، يمكن لأي مشارك تقديم طلب معاملة على الشبكة الرئيسية، إذا تم الحصول على موافقة توقيع بالإجماع على طلب الخروج، يتم التنفيذ على السلسلة على الفور، أي أن العقد الذكي يقوم بتوزيع الأموال المقفلة المتبقية بناءً على رصيد كل مشارك في الحالة النهائية للقناة؛ إذا لم يوافق المشاركون الآخرون على التوقيع، يجب على الجميع الانتظار حتى انتهاء "فترة التحدي" لاستلام الأموال المتبقية.

بناءً على ما سبق، يمكن أن يقلل نظام قنوات الحالة بشكل كبير من كمية الحسابات على الشبكة الرئيسية، ويعزز سرعة المعاملات، ويخفض تكاليف المعاملات.

3.1.2 الجدول الزمني

• 2015/02، نشر جوزيف بون وتاديوس دريجا مسودة ورقة بيضاء لشبكة البرق.

• 2015/11، قام جيف كولمان بتلخيص مفهوم قناة الدولة بشكل منهجي لأول مرة، وأشار إلى أن قناة الدفع الخاصة بالبيتكوين هي حالة فرعية من مفهوم قناة الدولة.

• 2016/01، قدم جوزيف بون وثاديوس دريا رسميًا الورقة البيضاء "شبكة بيتكوين لايتنينغ: المدفوعات الفورية القابلة للتوسع خارج السلسلة" والتي اقترحت خطة توسيع لشبكة بيتكوين المعروفة بقناة الدفع (، حيث تم تصميم هذه الخطة فقط لمعالجة المدفوعات على شبكة بيتكوين.

• في نوفمبر 2017، تم تقديم المواصفات التصميمية الأولى لـ Sprites المتعلقة بقناة الحالة استنادًا إلى إطار قناة الدفع.

• 2018/06، قدمت Counterfactual تصميمًا مفصلًا للغاية لقنوات الحالة العامة، وهو أول تصميم مرتبط تمامًا بقنوات الحالة.

• 2018/10، قدمت المقالة Generalised State Channel Networks مفهوم شبكات قناة الحالة وقنوات افتراضية.

• 2019/02، تم توسيع مفهوم قنوات الحالة إلى قنوات N-Party، وNitro هو أول بروتوكول تم إنشاؤه استنادًا إلى هذه الفكرة.

• 2019/10, Pisa لتلبية احتياجات جميع المشاركين الذين يحتاجون إلى البقاء متصلين، وسعت مفهوم Watchtowers.

• 2020/03، قدمت Hydra قنوات متشابهة سريعة.

)# 3.1.3 المبادئ التقنية

تظهر الصورة 1 سير العمل التقليدي على السلسلة: يتفاعل أليس وبوب مع العقد الذكي الموجود على الشبكة الرئيسية، حيث يقوم المستخدمون بإرسال المعاملات على السلسلة لتغيير حالة العقد الذكي. العيب هو أنه سيؤدي إلى مشكلات الوقت والتكلفة التي تم مناقشتها أعلاه.

![تقرير بحثي معمق: تحليل شامل لتوسيع خارج السلسلة]###https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-087d35594a04d33375b8199b93eb355e.webp(

تظهر الصورة 2 سير العمل العام الذي تتبعه معظم بروتوكولات قنوات الحالة: في الحالة المتفائلة، يحتاج أليس وبوب إلى تنفيذ نفس العملية السابقة، ولكن هذه المرة يستخدمون قناة الحالة، بدلاً من التفاعل مع العقد على السلسلة.

• الخطوة الأولى، أليس وبوب يتفاعلان من خلال إيداع الأموال من EOA الشخصي إلى عنوان العقد على السلسلة )، هذه الأموال تُقفل في العقد، حتى يتم إعادة الرصيد إلى المستخدم عند إغلاق القناة؛ بعد تأكيد توقيع كلاهما، تُفتح القناة بينهما رسميًا.

• الخطوة الثانية، يمكن لأليس وبob من الناحية النظرية إجراء عدد غير محدود من المعاملات خارج السلسلة ( خط متقطع أزرق )، يتواصل المشاركون عبر رسائل موقعة مشفرة ( بدلاً من التواصل مع شبكة blockchain ). يحتاج كلا المستخدمين إلى التوقيع على كل معاملة، لمنع أي سوء استخدام للإنفاق المزدوج. من خلال هذه الرسائل، يقدمون تحديثات حالة حساباتهم، ويقبلون تحديثات الحالة المقدمة من الطرف الآخر.

• الخطوة الثالثة، إذا كانت أليس تريد إغلاق القناة وإنهاء الصفقة مع بوب، يجب على أليس تقديم الحالة النهائية لحسابها ( تفاعل 3) إلى العقد، إذا قام بوب بالتوقيع والموافقة، فإن العقد سيحرر الأموال المقفلة بناءً على الحالة النهائية ويعيدها إلى المستخدم المقابل ( تفاعل 4،5). إذا لم يستجب بوب للتوقيع، فسوف يقوم العقد بإطلاق الأموال المقفلة بعد انتهاء فترة التحدي وإعادتها إلى المستخدم المقابل.

يوضح الشكل 3 سير عمل قناة الحالة في حالة التشاؤم: في البداية، يقوم المشاركان بإيداع الأموال ( التفاعل 1، 2)، ثم يبدأان في تبادل تحديثات الحالة ( الخط المتقطع الأزرق ). لنفترض أنه في某 نقطة زمنية، بوب لا يستجيب لتحديث الحالة المرسل من أليس ( التفاعل 3)، في هذه الحالة، يمكن لأليس أن تبدأ تحديًا من خلال تقديم آخر حالة صالحة لها إلى العقد ( التفاعل 4)، تحتوي هذه الحالة الصالحة أيضًا على توقيع بوب السابق، مما يثبت أن الصفقة الأخيرة قد حصلت على موافقة بوب، وتم استلام الحالة النهائية بتأكيد بوب. ثم، يسمح العقد لبوب بالاستجابة خلال فترة معينة من خلال تقديم الحالة التالية إلى العقد؛ إذا استجاب بوب، يمكن للطرفين مواصلة التداول في قناة الحالة؛ إذا لم يستجب بوب خلال هذه الفترة، يغلق العقد قناة الحالة تلقائيًا ويعيد الأموال إلى أليس ( التفاعل 5).

(# 3.1.4 المزايا والعيوب

المميزات:

• الفورية: معاملات خارج السلسلة تكاد تكون فورية
• القابلية للتوسع: عدد المعاملات خارج السلسلة غير محدود
• الخصوصية: فقط الحالة النهائية للقناة ستُسجل على السلسلة
• رسوم منخفضة: خفضت بشكل كبير رسوم المعاملات على السلسلة

العيوب:

• القابلية للاستخدام: يحتاج المشاركون إلى أن يكونوا متصلين بالإنترنت باستمرار للرد على تحديات الخصوم
• كفاءة رأس المال: تحتاج إلى قفل الأموال
• مخاطر المركزية: قد تؤدي التنمية الطويلة الأمد لشبكة القنوات إلى أن تصبح بعض العقد "محاور" مركزية.
• التعقيد: آلية تحديث الحالة معقدة نسبياً

)# 3.1.5 تطبيق

شبكة البرق للبيتكوين

نظرة عامة:

شبكة البرق هي قناة الدفع الصغيرة في شبكة البيتكوين، وقد شهدت تطوراً تقنياً شاملاً: بناء قناة دفع أحادية الاتجاه باستخدام التوقيع المتعدد 2/2، وبعد إضافة RSMC### عقد استحقاق التسلسل القابل للإلغاء ###، يمكن بناء قناة دفع ثنائية الاتجاه، ثم بعد إضافة HTLC( عقد قفل الوقت بالهاش )، يمكن توصيل قنوات الدفع لتوسيعها لتشمل مدفوعات متعددة الأشخاص، وأخيراً بناء شبكة الدفع، وهي شبكة البرق. من خلال قنوات الدفع الصغيرة خارج السلسلة، ثم بمساعدة الوسطاء، يتم تشكيل شبكة المعاملات، مما يمكن أن يحل مشكلة توسيع شبكة البيتكوين. الاستخدام العام لشبكة البرق يتبع العملية التالية: "إيداع ( إنشاء قناة ) → معاملات شبكة البرق ( تحديث حالة القناة ) → استرداد/ تسوية ( إنهاء القناة )"؛ نظرياً، يمكن لشبكة البرق معالجة مليون معاملة في الثانية.

الخط الزمني:

• في فبراير 2015، نشر جوزيف بون وثاديوس دريجا مسودة ورقة بيضاء لشبكة البرق؛
• تم إصدار النسخة الرسمية من الورقة البيضاء في يناير 2016 وتأسيس Lightning Labs؛
• في 15 مارس 2018، أصدرت Lightning Labs النسخة الرئيسية الأولى من شبكة Lightning Network Daemon (LND) الإصدار 0.4.
• في بداية عام 2021، كانت السعة العامة لشبكة البرق (TVL) حوالي 40 مليون دولار، وكان هناك حوالي 100,000 مستخدم يستخدمون شبكة البرق.
• في يونيو 2021، أعلنت السلفادور عن اعتماد البيتكوين كعملة قانونية، وفي سبتمبر تم إصدار محفظة Chivo المبنية على شبكة البرق.
• في عام 2022، أعلنت Cash App و 26 منصة لتداول العملات المشفرة بما في ذلك OKX و Kraken و Bitfinex عن دعم شبكة البرق، مما يتيح وظائف الإيداع والسحب وتحويل BTC بشكل فوري ورخيص.
• في أكتوبر 2022، أصدرت Lightning Labs بروتوكولًا جديدًا يعتمد على Taproot - بروتوكول Taro( الإصدار alpha)، الهدف