Analisis Kedalaman Perluasan off-chain

Penulis: Ellaine Xu, Hettie Jiang, June Wang, Walon Lin, Yiliu Lin

1. Necessity untuk Ekspansi

Visi masa depan blockchain adalah desentralisasi, keamanan, dan skalabilitas. Namun, biasanya blockchain hanya dapat mencapai dua dari ketiganya, yang dikenal sebagai masalah segitiga ketidakmungkinan blockchain. Selama bertahun-tahun, orang telah menjelajahi bagaimana meningkatkan throughput dan kecepatan transaksi blockchain dengan tetap menjamin desentralisasi dan keamanan, yaitu menyelesaikan masalah skalabilitas, yang merupakan salah satu topik hangat dalam proses pengembangan blockchain saat ini.

Mari kita mulai dengan mendefinisikan desentralisasi, keamanan, dan skalabilitas blockchain:

• Desentralisasi: Siapa pun dapat menjadi node yang berpartisipasi dalam sistem blockchain, semakin banyak jumlah node, semakin tinggi tingkat desentralisasi, memastikan jaringan tidak dikendalikan oleh sedikit peserta.

• Keamanan: Semakin tinggi biaya untuk mendapatkan kontrol atas sistem blockchain, semakin tinggi keamanannya, dan rantai dapat menahan serangan dari proporsi peserta yang lebih besar.

• Skalabilitas: Kemampuan blockchain untuk memproses sejumlah besar transaksi.

Forking besar pertama jaringan Bitcoin berasal dari masalah skalabilitas. Dengan meningkatnya jumlah pengguna dan volume transaksi Bitcoin, jaringan dengan batas blok 1MB mulai menghadapi kemacetan. Sejak 2015, komunitas Bitcoin telah mengalami perbedaan pendapat mengenai masalah skalabilitas, satu pihak mendukung perluasan blok, sementara pihak lainnya mendukung penggunaan Segwit untuk mengoptimalkan struktur rantai utama. Pada 1 Agustus 2017, pihak yang mendukung blok besar secara mandiri mengembangkan sistem klien 8MB yang mulai beroperasi, yang mengakibatkan terjadinya fork besar pertama Bitcoin dan lahirnya mata uang baru BCH.

Demikian pula, jaringan Ethereum juga牺牲了一部分可扩展性 untuk menjaga keamanan dan desentralisasi jaringan, dengan menetapkan batas maksimum biaya bahan bakar yang dapat ditampung dalam satu blok untuk membatasi volume transaksi. Tujuannya adalah untuk mencapai konsensus tanpa kepercayaan dan memastikan distribusi node yang luas.

Dari CryptoKitties pada tahun 2017, musim DeFi, hingga munculnya aplikasi on-chain seperti GameFi dan NFT, permintaan pasar terhadap throughput terus meningkat, tetapi Ethereum masih hanya dapat memproses 15-45 transaksi per detik. Ini menyebabkan biaya transaksi meningkat, waktu penyelesaian menjadi lebih lama, dan sebagian besar DApps sulit untuk menanggung biaya operasional, sehingga seluruh jaringan menjadi lambat dan mahal bagi pengguna, masalah skalabilitas blockchain perlu segera diatasi. Solusi skalabilitas yang ideal adalah meningkatkan kecepatan dan throughput jaringan blockchain sebanyak mungkin tanpa mengorbankan desentralisasi dan keamanan.

2. Kategori Rencana Skalabilitas

Kami membagi skema perluasan menjadi dua kategori besar, yaitu perluasan on-chain dan perluasan off-chain, berdasarkan standar "apakah mengubah satu lapisan mainnet".

2.1 Perluasan on-chain

Konsep inti: solusi yang mencapai efektivitas skalabilitas dengan mengubah lapisan protokol jaringan utama, saat ini solusi utama adalah sharding.

Ada berbagai solusi untuk skalabilitas di on-chain, artikel ini tidak akan membahas lebih lanjut, hanya mencantumkan dua secara singkat:

• Rencana satu adalah memperluas ruang blok, meningkatkan jumlah transaksi yang dib打包 dalam setiap blok, tetapi ini akan meningkatkan persyaratan untuk perangkat node berkinerja tinggi, meningkatkan ambang batas untuk bergabungnya node, dan mengurangi tingkat "desentralisasi".

• Skema kedua adalah sharding, membagi buku besar blockchain menjadi beberapa bagian, di mana setiap shard bertanggung jawab untuk pencatatan yang berbeda, dan perhitungan paralel dapat memproses beberapa transaksi secara bersamaan. Ini dapat mengurangi tekanan komputasi pada node dan ambang batas untuk bergabung, meningkatkan kecepatan pemrosesan transaksi dan tingkat desentralisasi, tetapi akan mengurangi "keamanan" seluruh jaringan.

Mengubah protokol jaringan utama dapat memiliki dampak negatif yang sulit diprediksi, karena setiap celah keamanan kecil di lapisan dasar dapat mengancam keselamatan seluruh jaringan dengan serius. Misalnya, insiden celah inflasi Zcash pada tahun 2018: Kode Zcash didasarkan pada modifikasi versi Bitcoin 0.11.2, pada tahun 2018 ditemukan bahwa ada celah berbahaya dalam kode dasarnya yang memungkinkan pencetakan token tanpa batas, tim menghabiskan waktu 8 bulan untuk memperbaikinya secara diam-diam, dan baru setelah perbaikan mereka mengungkapkan insiden ini.

2.2 off-chain skalabilitas

Konsep inti: solusi skalabilitas yang tidak mengubah protokol jaringan utama lapisan satu yang ada.

Rencana skalabilitas off-chain dapat dibagi lagi menjadi Layer2 dan rencana lainnya:

3. Rencana ekspansi off-chain

3.1 Saluran Negara

3.1.1 Ringkasan

Saluran status menetapkan bahwa pengguna hanya perlu berinteraksi dengan jaringan utama saat saluran dibuka, ditutup, atau menyelesaikan sengketa, dan melakukan interaksi antar pengguna di off-chain untuk mengurangi waktu dan biaya transaksi pengguna, serta memungkinkan jumlah transaksi tidak terbatas.

Saluran status adalah protokol P2P sederhana yang cocok untuk "aplikasi berbasis giliran", seperti permainan catur dua pemain. Setiap saluran dikelola oleh kontrak pintar multi-tanda tangan yang berjalan di jaringan utama, kontrak ini mengontrol aset yang disimpan dalam saluran, memverifikasi pembaruan status, dan mengadili sengketa antara peserta ( berdasarkan bukti penipuan yang dilengkapi dengan tanda tangan dan cap waktu ). Setelah peserta menerapkan kontrak di jaringan blockchain, mereka menyetor dana dan menguncinya, setelah kedua belah pihak menandatangani dan mengonfirmasi, saluran secara resmi dibuka. Saluran memungkinkan transaksi gratis off-chain tanpa batas antara peserta ( selama nilai bersih transfer mereka tidak melebihi total token yang disetor ). Peserta secara bergantian mengirimkan pembaruan status satu sama lain, menunggu konfirmasi tanda tangan dari pihak lain. Setelah pihak lain menandatangani dan mengonfirmasi, pembaruan status ini dianggap selesai. Dalam kondisi normal, pembaruan status yang disepakati oleh kedua belah pihak tidak diunggah ke jaringan utama, hanya dalam kasus sengketa atau penutupan saluran, jaringan utama yang akan dikonfirmasi. Ketika perlu menutup saluran, salah satu peserta dapat mengajukan permintaan transaksi di jaringan utama, jika permintaan keluar memperoleh persetujuan tanda tangan konsensus dari semua, maka akan segera dieksekusi di on-chain, yaitu kontrak pintar akan mendistribusikan sisa dana terkunci berdasarkan saldo setiap peserta dalam status akhir saluran; jika peserta lain tidak memberikan persetujuan tanda tangan, semua orang harus menunggu hingga "masa tantangan" berakhir untuk menerima sisa dana.

Secara keseluruhan, solusi saluran status dapat secara signifikan mengurangi beban komputasi di jaringan utama, meningkatkan kecepatan transaksi, dan menurunkan biaya transaksi.

3.1.2 Garis Waktu

• 2015/02, Joseph Poon dan Thaddeus Dryja menerbitkan draf dokumen putih jaringan Lightning.

• 2015/11, Jeff Coleman pertama kali mengumpulkan secara sistematis konsep State Channel, mengusulkan bahwa Payment Channel Bitcoin adalah salah satu sub-kasus dari konsep State Channel.

• 2016/01, Joseph Poon dan Thaddeus Dryja secara resmi menerbitkan kertas putih "The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments" yang mengusulkan solusi skala untuk jaringan bitcoin yaitu Payment Channel( saluran pembayaran), solusi ini hanya digunakan untuk memproses pembayaran transfer di jaringan bitcoin.

• November 2017, spesifikasi desain pertama tentang State Channel berdasarkan kerangka Payment Channel, Sprites, diusulkan.

• 2018/06, Counterfactual mengusulkan desain Generalized State Channels yang sangat rinci, ini adalah desain pertama yang sepenuhnya terkait dengan saluran status.

• 2018/10, artikel Generalised State Channel Networks memperkenalkan konsep State Channel Networks dan Virtual Channels.

• 2019/02, konsep saluran status diperluas menjadi N-Party Channels, Nitro adalah protokol pertama yang dibangun berdasarkan ide tersebut.

• 2019/10, Pisa untuk menyelesaikan masalah semua peserta yang perlu tetap online, memperluas konsep Watchtowers.

• 2020/03, Hydra mengajukan Fast Isomorphic Channels.

3.1.3 Prinsip Teknologi

Gambar 1 menunjukkan alur kerja tradisional di rantai: Alice dan Bob berinteraksi dengan kontrak pintar yang diterapkan di jaringan utama, pengguna mengubah status kontrak pintar dengan mengirimkan transaksi ke rantai. Kekurangan dari metode ini adalah menimbulkan masalah waktu dan biaya yang telah dibahas di atas.

Gambar 2 menunjukkan alur kerja umum yang diikuti oleh sebagian besar protokol saluran status: dalam kasus optimis, Alice dan Bob perlu melakukan operasi yang sama seperti sebelumnya, tetapi kali ini mereka menggunakan saluran status, bukan berinteraksi dengan kontrak di rantai.

• Langkah pertama, Alice dan Bob berinteraksi dengan menyetor dana dari EOA pribadi ke alamat kontrak on-chain (, 1,2), dana ini terkunci dalam kontrak hingga saluran ditutup, dan saldo akan dikembalikan kepada pengguna; setelah kedua pihak menandatangani konfirmasi, saluran status di antara mereka secara resmi dibuka.

• Langkah kedua, Alice dan Bob secara teoritis dapat melakukan transaksi tanpa batas melalui saluran tersebut secara off-chain ( garis putus-putus biru ), para peserta saling berkomunikasi melalui pesan tanda tangan terenkripsi ( alih-alih berkomunikasi dengan jaringan blockchain ). Kedua pengguna perlu menandatangani setiap transaksi untuk mencegah penipuan double-spending. Melalui pesan ini, mereka mengajukan pembaruan status akun mereka dan menerima pembaruan status yang diajukan oleh pihak lain.

• Langkah ketiga, jika Alice ingin menutup saluran dan mengakhiri transaksi dengan Bob, Alice perlu menyerahkan status akhir akunnya ( interaksi 3) kepada kontrak. Jika Bob menandatangani persetujuan, kontrak akan melepaskan dana yang terkunci berdasarkan status akhir dan mengembalikannya kepada pengguna yang sesuai ( interaksi 4,5). Jika Bob tidak merespons tanda tangan, kontrak akan melepaskan dana yang terkunci dan mengembalikannya kepada pengguna yang sesuai setelah periode tantangan berakhir.

Gambar 3 menunjukkan alur kerja saluran status dalam keadaan pesimis: Awalnya, dua peserta menyetor dana ( interaksi 1, 2), lalu mulai bertukar pembaruan status ( garis putus-putus biru ). Misalkan pada suatu waktu, Bob tidak merespons tanda tangan pembaruan status yang dikirim Alice ( interaksi 3), pada saat ini, Alice dapat memulai tantangan dengan mengajukan status terakhir yang valid kepada kontrak ( interaksi 4), status yang valid ini juga mencakup tanda tangan Bob sebelumnya, sehingga membuktikan bahwa transaksi terakhir telah disetujui oleh Bob, dan status akhir telah diterima oleh Bob. Kemudian, kontrak memungkinkan Bob untuk merespons dalam jangka waktu tertentu dengan mengajukan status berikutnya ke kontrak; jika Bob merespons, kedua pihak dapat melanjutkan transaksi dalam saluran status; jika Bob tidak merespons dalam jangka waktu tersebut, kontrak secara otomatis menutup saluran status dan mengembalikan dana kepada Alice ( interaksi 5).

3.1.4 Kelebihan dan Kekurangan

Keuntungan:

• Ketersediaan: transaksi off-chain hampir instan
• Skalabilitas: jumlah transaksi off-chain tidak terbatas
• Privasi: Hanya status akhir saluran yang akan dicatat di blockchain.
• Biaya rendah: secara signifikan mengurangi biaya transaksi on-chain

Kekurangan:

• Ketersediaan: Peserta perlu tetap online untuk merespons tantangan dari lawan
• Efisiensi modal: perlu mengunci dana
• Risiko sentralisasi: Pengembangan jangka panjang jaringan saluran dapat menyebabkan beberapa node menjadi "hub" yang terpusat.
• Kompleksitas: mekanisme pembaruan status relatif kompleks

3.1.5 Aplikasi

Jaringan Lightning Bitcoin

Ringkasan:

Jaringan Lightning adalah saluran pembayaran kecil di jaringan Bitcoin, yang mengalami evolusi teknologi secara keseluruhan: membangun saluran pembayaran satu arah dengan mult signature 2/2, setelah menambahkan RSMC(Revocable Sequence Maturity Contract), saluran pembayaran dua arah dapat dibangun, dan setelah menambahkan HTLC(Hash Time Lock Contract), saluran pembayaran dapat diperluas untuk pembayaran multi-pihak, akhirnya membangun jaringan pembayaran yaitu Jaringan Lightning. Melalui saluran pembayaran kecil off-chain, kemudian dengan bantuan perantara membentuk jaringan transaksi, dapat menyelesaikan masalah skalabilitas jaringan Bitcoin. Penggunaan keseluruhan Jaringan Lightning mengikuti proses "Setoran(Membangun Saluran)→Transaksi Jaringan Lightning(Memperbarui Status Saluran)→Pengembalian/Settle(Mengakhiri Saluran)"; secara teoritis, Jaringan Lightning dapat memproses satu juta transaksi per detik.

Garis waktu:

• Pada Februari 2015, Joseph Poon dan Thaddeus Dryja merilis draf buku putih jaringan Lightning;
• Versi resmi whitepaper dirilis pada Januari 2016 dan Lightning Labs didirikan;
• Pada 15 Maret 2018, Lightning Labs merilis versi utama pertama dari Lightning Network yaitu Lightning Network Daemon (LND) versi 0.4.
• Awal tahun 2021, kapasitas publik jaringan Lightning (TVL) hanya sekitar 40 juta dolar, dengan hampir 100 ribu pengguna menggunakan jaringan Lightning.
• Pada bulan Juni 2021, El Salvador mengumumkan adopsi Bitcoin sebagai mata uang resmi, dan pada bulan September meluncurkan dompet berbasis jaringan Lightning, Chivo.
• Pada tahun 2022, Cash App dan 26 platform perdagangan cryptocurrency termasuk OKX, Kraken, Bitfinex mengumumkan dukungan untuk jaringan Lightning, memungkinkan fungsi setoran dan penarikan BTC yang instan dan murah.
• Oktober 2022, Lightning Labs merilis protokol baru berbasis Taproot -- versi alpha Taro protocol(), tujuan