Explicação Profundidade da expansão fora da cadeia

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

1. A Necessidade de Escalabilidade

A visão futura da blockchain é descentralizada, segura e escalável. Mas normalmente a blockchain só consegue realizar duas dessas características, o que é conhecido como o problema do triângulo impossível da blockchain. Durante anos, as pessoas têm explorado como aumentar a taxa de transferência e a velocidade das transações da blockchain, garantindo ao mesmo tempo a descentralização e a segurança, ou seja, resolver o problema da escalabilidade, que é um dos tópicos mais quentes no processo de desenvolvimento atual da blockchain.

Vamos primeiro definir a descentralização, segurança e escalabilidade da blockchain:

• Descentralização: qualquer pessoa pode tornar-se um nó para participar do sistema de blockchain, quanto maior o número de nós, maior o grau de descentralização, garantindo que a rede não seja controlada por um pequeno número de participantes.

• Segurança: quanto maior for o custo para obter o controle do sistema de blockchain, maior será a segurança, e a cadeia poderá resistir a ataques de uma proporção maior de participantes.

• Escalabilidade: a capacidade da blockchain de processar um grande volume de transações.

A primeira grande hard fork da rede Bitcoin originou-se de problemas de escalabilidade. Com o aumento do número de usuários e do volume de transações do Bitcoin, a rede com limite de bloco de 1MB começou a enfrentar congestionamento. A partir de 2015, a comunidade Bitcoin teve divergências sobre a questão da escalabilidade, com um lado a favor da ampliação do bloco e o outro a favor da utilização do Segwit para otimizar a estrutura da mainchain. Em 1 de agosto de 2017, o lado que apoiava grandes blocos desenvolveu um sistema cliente de 8MB que começou a funcionar, resultando na primeira grande hard fork do Bitcoin e na criação da nova criptomoeda BCH.

Da mesma forma, a rede Ethereum também sacrificou parte da sua escalabilidade para garantir a segurança e a descentralização da rede, limitando o volume de transações através da definição de um teto para as taxas de gás que podem ser incluídas em um único bloco. O objetivo é alcançar um consenso sem confiança e garantir uma ampla distribuição de nós.

Desde os CryptoKitties de 2017, o verão DeFi, até o surgimento posterior de aplicações em cadeia como GameFi e NFT, a demanda do mercado por profundidade tem aumentado constantemente, mas o Ethereum ainda consegue processar apenas 15-45 transações por segundo. Isso leva ao aumento dos custos de transação, ao prolongamento do tempo de liquidação, e a maioria das DApps tem dificuldade em suportar os custos operacionais, tornando toda a rede lenta e cara para os usuários; o problema de escalabilidade da blockchain precisa ser resolvido urgentemente. A solução ideal de escalabilidade é aumentar a velocidade e a profundidade da transação da rede blockchain o máximo possível, sem sacrificar a descentralização e a segurança.

2. Tipos de soluções de escalabilidade

Nós classificamos as soluções de escalabilidade em duas grandes categorias: escalabilidade em cadeia e escalabilidade fora da cadeia, com base no critério de "se mudar um nível da rede principal".

2.1 expansão na cadeia

Conceito central: uma solução que atinge o efeito de escalabilidade ao alterar um nível do protocolo da mainnet, sendo a principal solução atual a fragmentação.

A escalabilidade na cadeia tem várias soluções, este artigo não vai se aprofundar, apenas lista duas de forma sucinta:

• A opção um é expandir o espaço do bloco, aumentando o número de transações empacotadas em cada bloco, mas isso aumentará os requisitos para dispositivos de nós de alto desempenho, elevando a barreira de entrada para os nós e reduzindo o grau de "descentralização".

• A opção dois é a fragmentação, que divide o livro razão da blockchain em várias partes, onde diferentes fragmentos são responsáveis por diferentes registros, e o cálculo em paralelo pode processar várias transações simultaneamente. Isso pode reduzir a pressão computacional nos nós e o limiar de entrada, aumentando a velocidade de processamento das transações e o grau de descentralização, mas diminuirá a "segurança" de toda a rede.

Alterar um protocolo de rede principal pode ter efeitos negativos imprevisíveis, uma vez que qualquer pequeno erro de segurança na camada subjacente pode ameaçar seriamente a segurança de toda a rede. Por exemplo, o incidente da vulnerabilidade de inflação do Zcash em 2018: a base de código do Zcash foi modificada a partir da versão 0.11.2 do Bitcoin, e em 2018 foi descoberto que o seu código subjacente tinha uma vulnerabilidade crítica que permitia a emissão ilimitada de tokens; a equipe levou 8 meses a corrigir secretamente o problema e só o revelou após a correção.

2.2 fora da cadeia expansão

Conceito central: solução de escalabilidade que não altera o protocolo da camada principal existente.

As soluções de escalabilidade fora da cadeia podem ser subdivididas em Layer2 e outras soluções:

3. Fora da cadeia expansão do plano

3.1 Canais de Estado

3.1.1 Resumo

O canal de estado estipula que os usuários só precisam interagir com a rede principal ao abrir, fechar ou resolver disputas no canal, e que as interações entre usuários devem ser realizadas fora da cadeia, a fim de reduzir o tempo e o custo financeiro das transações dos usuários, permitindo 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 atualizações de estado e arbitra disputas entre os participantes ( com base em provas de fraude ) que contêm assinaturas e carimbos de data/hora. Após os participantes implementarem o contrato na rede blockchain, depositam e bloqueiam fundos, e após a confirmação de assinatura de ambas as partes, o canal é oficialmente aberto. O canal permite transações gratuitas fora da cadeia entre os participantes sem limite de número (, desde que o valor líquido de suas transferências não exceda o total de tokens depositados ). Os participantes alternam o envio de atualizações de estado um ao outro, aguardando a confirmação da assinatura da outra parte. Assim que a outra parte confirma com assinatura, essa atualização de estado é considerada concluída. Normalmente, as atualizações de estado acordadas por ambas as partes não são carregadas na rede principal; apenas em caso de disputa ou fechamento do canal é que se dependerá da confirmação da rede principal. Quando for necessário fechar o canal, qualquer participante pode solicitar uma transação na rede principal, e se o pedido de saída obtiver a aprovação de assinaturas unânimes, será executado imediatamente na cadeia, ou seja, o contrato inteligente distribuirá os fundos restantes bloqueados com base no saldo de cada participante no estado final do canal; se outros participantes não aprovaram a assinatura, todos devem aguardar o fim do "período de contestação" para receber os fundos restantes.

Em suma, a solução de canais de estado pode reduzir significativamente a carga computacional da rede principal, aumentar a velocidade das transações e diminuir os custos das transações.

3.1.2 Linha do tempo

• 2015/02, Joseph Poon e Thaddeus Dryja publicaram o rascunho do white paper da rede relâmpago.

• 2015/11, Jeff Coleman fez a primeira síntese sistemática do conceito de State Channel, apresentando que o Payment Channel do Bitcoin é um subcaso do conceito de State Channel.

• 2016/01, Joseph Poon e Thaddeus Dryja publicaram oficialmente o white paper "The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments" propondo a solução de escalabilidade da rede Lightning do Bitcoin, Payment Channel (, que é utilizada apenas para processar pagamentos de transferências na rede Bitcoin.

• 2017/11, a primeira especificação de design sobre State Channel baseada na estrutura de Payment Channel, chamada Sprites, foi proposta.

• 2018/06, Counterfactual apresentou um design muito detalhado de Canais de Estado Generalizados, sendo este o primeiro design completamente relacionado a canais de estado.

• 2018/10, o artigo Generalised State Channel Networks propôs os conceitos de State Channel Networks e Virtual Channels.

• 2019/02, o conceito de canais de estado foi expandido para Canais de N-Partes, Nitro é o primeiro protocolo baseado nessa ideia.

• 2019/10, Pisa expandiu o conceito de Watchtowers para resolver o problema de todos os participantes precisarem estar continuamente online.

• 2020/03, Hydra propôs Canais Isomórficos Rápidos.

)# 3.1.3 Princípios Técnicos

A Figura 1 mostra o fluxo de trabalho tradicional na cadeia: Alice e Bob interagem com contratos inteligentes implantados na rede principal, e os usuários alteram o estado do contrato inteligente enviando transações para a cadeia. A desvantagem é que isso traz os problemas de tempo e custo discutidos acima.

![Relatório de Pesquisa Profunda: Análise Completa da Expansão fora da cadeia]###https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-087d35594a04d33375b8199b93eb355e.webp(

A Figura 2 mostra o fluxo de trabalho geral que a maioria dos protocolos de canal de estado segue: em uma situação otimista, Alice e Bob precisam realizar a mesma operação que antes, mas desta vez eles usam um canal de estado, em vez de interagir com um contrato na cadeia.

• Primeiro passo, Alice e Bob interagem ao depositar fundos de suas EOA pessoais no endereço do contrato em cadeia ), 1,2(, esses fundos são bloqueados no contrato até que o canal seja fechado, quando o saldo é devolvido ao usuário; após a confirmação das assinaturas, o canal de estado entre os dois é oficialmente aberto.

• Segundo passo, Alice e Bob podem teoricamente realizar um número ilimitado de transações fora da cadeia através do canal ) linha azul pontilhada (, os participantes comunicam-se entre si através de mensagens assinadas criptograficamente ) em vez de se comunicarem com a rede blockchain (. Ambos os usuários precisam assinar cada transação para prevenir fraudes de double spending. Através dessas mensagens, eles propõem atualizações de estado de suas contas e aceitam as atualizações de estado propostas pelo outro.

• Terceiro passo, se Alice quiser fechar o canal e encerrar a transação com Bob, Alice precisa enviar ao contrato o estado final de sua conta ) interagir 3(. Se Bob assinar e aprovar, o contrato liberará os fundos bloqueados de acordo com o estado final e retornará ao usuário correspondente ) interagir 4,5(. Se Bob não responder à assinatura, o contrato liberará os fundos bloqueados de volta ao usuário correspondente após o término do período de desafio.

![Relatório de pesquisa em profundidade: Análise completa da expansão fora da cadeia])https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-ead28de03be9fc22dcfe3f679ee36bc5.webp(

A Figura 3 mostra o fluxo de trabalho do canal de estado em uma situação pessimista: inicialmente, dois participantes depositam fundos ) interação 1, 2(, e então começam a trocar atualizações de estado ) linha azul pontilhada (. Suponha que em algum momento, Bob não responda à atualização de estado assinada enviada por Alice ) interação 3(, neste momento, Alice pode iniciar um desafio ao submeter seu último estado válido ao contrato ) interação 4(, este estado válido também contém a assinatura anterior de Bob, provando que a última transação já recebeu a aprovação de Bob, e que o estado final foi confirmado por Bob. Então, o contrato permite que Bob responda dentro de um determinado período, submetendo o próximo estado ao contrato; se Bob responder, os dois podem continuar a transacionar dentro do canal de estado; se Bob não responder dentro desse período, o contrato fecha automaticamente o canal de estado e devolve os fundos a Alice ) interação 5(.

![Relatório de pesquisa profunda: Análise completa da expansão fora da cadeia])https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-ad088ac016d75b1ae0b0eda699e74709.webp(

)# 3.1.4 Vantagens e desvantagens

Vantagens:

• Imediata: transações fora da cadeia são quase imediatas
• Escalabilidade: o número de transações fora da cadeia não é limitado
• Privacidade: apenas o estado final do canal será registrado na cadeia
• Baixos custos: reduz significativamente as taxas de transação na cadeia

Desvantagens:

• Usabilidade: É necessário que os participantes estejam online continuamente para responder aos desafios dos oponentes.
• Eficiência de capital: é necessário bloquear fundos
• Risco de centralização: O desenvolvimento a longo prazo da rede de canais pode levar a que alguns nós se tornem "hubs" centralizados.
• Complexidade: o mecanismo de atualização de estado é relativamente complexo

3.1.5 Aplicação

Rede Lightning do Bitcoin

Resumo:

A Lightning Network é um canal de pagamentos de baixo valor na rede Bitcoin, cuja evolução técnica geral passou por: construção de um canal de pagamento unidirecional com 2/2 multi-assinaturas, aumentando para um canal de pagamento bidirecional após a adição do RSMC###Revocable Sequence Maturity Contract(, e depois expandindo os canais de pagamento para pagamentos em grupo com a adição do HTLC)Hash Time Lock Contract(, culminando na construção da rede de pagamentos, ou seja, a Lightning Network. Através de canais de pagamento fora da cadeia, e utilizando intermediários para formar uma rede de transações, é possível resolver o problema de escalabilidade da rede Bitcoin. O uso geral da Lightning Network segue o fluxo: "depósito)estabelecer canal(→transações na Lightning Network)atualizar o estado do canal(→reembolso/ajustamento)encerrar canal("; teoricamente, a Lightning Network pode processar um milhão de transações por segundo.

Linha do tempo:

• Em fevereiro de 2015, Joseph Poon e Thaddeus Dryja publicaram o rascunho do white paper da Lightning Network;
• A versão final do white paper foi lançada em janeiro de 2016 e a Lightning Labs foi fundada;
• 15 de março de 2018, a Lightning Labs lançou a primeira versão da rede principal do Lightning Network, o Lightning Network Daemon )LND( versão 0.4.
• No início de 2021, a capacidade pública da Lightning Network )TVL( era de apenas cerca de 40 milhões de dólares, com cerca de 100 mil usuários a utilizar a Lightning Network.
• Em junho de 2021, El Salvador anunciou a adoção do Bitcoin como moeda de curso legal, e em setembro lançou a carteira Chivo baseada na Lightning Network.
• Em 2022, o Cash App e 26 plataformas de negociação de criptomoedas, incluindo OKX, Kraken e Bitfinex, anunciaram suporte para a Lightning Network, permitindo depósitos e saques de BTC instantâneos e baratos.
• Outubro de 2022, a Lightning Labs lançou um novo protocolo baseado em Taproot -- Taro protocol)alpha versão(, com o objetivo