Análise Profunda da Expansão fora da cadeia

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

1. A necessidade de escalabilidade

O problema do triângulo impossível que a blockchain enfrenta: a descentralização, a segurança e a escalabilidade são difíceis de satisfazer simultaneamente. Um dos tópicos mais quentes no desenvolvimento da blockchain atualmente é como aumentar a capacidade de processamento e a velocidade das transações da blockchain, ou seja, resolver o problema da escalabilidade, garantindo ao mesmo tempo a descentralização e a segurança.

Definição de descentralização, segurança e escalabilidade da blockchain:

• Descentralização: quanto maior o número de nós, maior o grau de descentralização, a rede não é controlada por um pequeno grupo.
• Segurança: Quanto maior o custo para obter o controle do sistema de blockchain, maior a segurança, resistindo a ataques de uma proporção significativa de participantes.
• Escalabilidade: a capacidade da blockchain de processar um grande número de transações.

A primeira grande bifurcação do rede Bitcoin originou-se de problemas de escalabilidade. Em 1 de agosto de 2017, o sistema cliente de 8MB desenvolvido autonomamente pelo Bitcoin ABC começou a funcionar, resultando na primeira grande bifurcação da história do Bitcoin, que deu origem à nova moeda BCH.

A rede Ethereum limita o volume de transações ao restringir a taxa de gás que pode ser incluída em um único bloco, a fim de alcançar o consenso sem confiança e garantir uma ampla distribuição de nós. Com o surgimento de aplicações em cadeia, a demanda do mercado por throughput tem aumentado constantemente, mas o Ethereum só consegue processar de 15 a 45 transações por segundo, resultando em custos de transação mais altos e tempos de liquidação mais longos, tornando difícil para a maioria dos Dapps suportar os custos operacionais, e a rede torna-se lenta e cara, o problema da escalabilidade da blockchain precisa ser resolvido.

2. Tipos de soluções de escalabilidade

De acordo com o padrão “se mudar uma camada da mainnet”, as soluções de escalabilidade são divididas em duas grandes categorias: escalabilidade on-chain e escalabilidade fora da cadeia.

2.1 Expansão na cadeia

Conceito central: solução que alcança efeito de escalabilidade ao alterar um nível do protocolo da mainnet, a principal solução atual é o sharding.

A escalabilidade na cadeia tem várias soluções, este artigo não vai se aprofundar, a seguir são listadas brevemente duas soluções:

• A opção um é expandir o espaço do bloco, ou seja, aumentar 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 segunda solução é a fragmentação, onde o livro-razão da blockchain é dividido em várias partes, de modo que não é mais necessário que cada nó participe de todos os registros, mas sim que diferentes fragmentos, ou seja, diferentes nós, sejam responsáveis por diferentes registros, permitindo que o cálculo em paralelo possa processar várias transações ao mesmo tempo; isso pode reduzir a pressão de cálculo nos nós e o limiar de entrada, aumentando a velocidade de processamento das transações e o grau de descentralização; mas isso significa que o poder de cálculo da rede inteira é disperso, o que diminuirá a “segurança” de toda a rede.

Alterar o código do protocolo da camada principal da rede pode ter efeitos negativos imprevisíveis, uma vez que qualquer pequena vulnerabilidade de segurança na camada subjacente pode ameaçar seriamente a segurança de toda a rede, que pode ser forçada a realizar um fork ou uma interrupção para uma atualização de reparação.

2.2 fora da cadeia expansão

Conceito central: solução de escalabilidade que não altera o protocolo da mainnet de camada 1 existente.

O plano de expansão fora da cadeia pode ser subdividido em Layer2 e outras soluções:

• Layer2: Canais de Estado, Plasma, Rollups ( Rollups Otimistas, Rollups ZK )
• Outras soluções: Sidechains, Validium

3. Plano de expansão fora da cadeia

3.1 Canais de Estado

3.1.1 Resumo

Os canais de estado estipulam que os usuários só precisam interagir com a rede principal ao abrir, fechar ou resolver disputas no canal, realizando assim a interação entre usuários fora da cadeia, a fim de reduzir o tempo e o custo do dinheiro das transações dos usuários, além de permitir que o número de transações não tenha limite.

Os canais de estado são protocolos P2P simples, adequados para “aplicações baseadas em turnos”, como, por exemplo, jogos de xadrez para duas pessoas. Cada canal é gerido por um contrato inteligente de múltiplas assinaturas que opera na rede principal, que controla os ativos depositados no canal, verifica as atualizações de estado e arbitra disputas entre os participantes ( com base em provas de fraude acompanhadas de assinaturas e carimbos de data/hora ).

3.1.2 Linha do tempo

• 2015/02, Joseph Poon e Thaddeus Dryja publicaram o rascunho do white paper da Lightning Network.
• 2015/11, Jeff Coleman fez a primeira síntese sistemática do conceito de State Channel, propondo 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 do Bitcoin Lightning Network, Payment Channel ( canal de pagamento ), que é usado apenas para processar pagamentos de transferência na rede Bitcoin.
• 2017/11, a primeira norma de design sobre State Channel baseada na estrutura de Payment Channel, chamada Sprites, foi proposta.
• 2018/06, a Counterfactual apresentou um design de Canais de Estado Generalizados muito detalhado, sendo este o primeiro design totalmente relacionado com canais de estado.
• 2018/10, o artigo Generalised State Channel Networks apresentou os conceitos de State Channel Networks e Virtual Channels.
• 2019/02, o conceito de canais de estado foi expandido para canais N-partidos, 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

Fluxo de trabalho do canal de estado:

1. O usuário deposita fundos no contrato em cadeia e os bloqueia, o canal é aberto.
2. O usuário realiza transações fora da cadeia, confirmando cada transação através de assinatura.
3. Quando precisar fechar o canal, envie o estado final para o contrato na cadeia.
4. Se houver disputas, pode-se entrar no período de contestação e apresentar provas.
5. O contrato devolve os fundos ao usuário com base no estado final ou no resultado do desafio.

3.1.4 Vantagens e Desvantagens

Vantagens:

• Confirmação instantânea
• Baixas taxas
• Alta privacidade
• Alta capacidade de processamento

Desvantagens:

• Necessita de monitorização contínua online
• Incapaz de lidar com saídas em grande escala
• A capacidade do canal é limitada
• Baixa liquidez
• Falta de universalidade

3.1.5 Aplicação

Rede Lightning do Bitcoin:

• é um canal de pagamentos de pequeno valor na rede Bitcoin
• Através de um canal de pagamento de baixo valor fora da cadeia e intermediários, forma-se uma rede de transações para resolver o problema de escalabilidade da rede Bitcoin.
• Teoricamente, pode-se processar um milhão de transações por segundo
• O ecossistema está em constante evolução, com aplicações que abrangem várias categorias, como pagamentos, carteiras, gestão de nós, entre outros.

Rede Lightning do Ethereum:

• Canal de pagamento de baixo valor baseado em Ethereum
• Atualmente, esta tecnologia não foi amplamente adotada.
• A equipe está reformando a Raiden Network para que funcione na rede Rollup Layer2 do Ethereum.

Celer Network:

• É essencialmente uma rede relâmpago com uma camada de incentivos adicionada.
• Pode-se construir Dapps de blockchain de alta frequência rápidos, fáceis de usar, de baixo custo e seguros através de tecnologia de expansão fora da cadeia e modelos econômicos incentivadores.
• Foi lançado o produto de ponte de ativos entre cadeias cBridge.

3.2 Sidechains

3.2.1 Resumo

Uma sidechain é uma forma de blockchain que surgiu para acelerar as transações de Bitcoin, podendo utilizar contratos mais complexos, ou através da melhoria do mecanismo de consenso (, como PoS ), ou parâmetros de bloco que fazem a sidechain se adequar a funções específicas. O resultado das transações da sidechain, quando finalmente enviado de volta para a chain principal, será registrado no lado do validador. Este modelo de blockchain não é uma nova forma de blockchain, mas sim uma infraestrutura que se anexa à chain principal e auxilia a chain principal a resolver problemas.

3.2.2 Linha do Tempo

• 2012/01, o conceito de sidechain do Bitcoin foi proposto em salas de chat
• 2014/10, o artigo sobre sidechains do Bitcoin foi publicado pela primeira vez: Symmetric Pegged e Asymmetric Pegged
• 2017/04, a rede POA lançou a rede de testes de uma sidechain baseada no consenso Proof of Authentication do Ethereum
• 2017/10, Matic Network foi lançado
• 2017/12, Lançamento da mainnet da POA Network
• 2018/01, Lançamento da rede de testes Skales
• 2018/10, lançamento da rede de testes xDai Chain
• 2020/06, Lançamento da mainnet Skale
• 2020/06, a rede principal da cadeia lateral Matic PoS Chain do Ethereum foi lançada.
• 2021/02, a marca Matic Network foi renomeada para Polygon Network
• 2021/02, a mainnet Ronin da sidechain do jogo Axie Infinity começou a funcionar
• 2021/12, xDai Chain fundiu-se com Gnosis Dao para formar Gnosis Chain
• 2022/03, a POA Network foi incorporada à Gnosis Chain

3.2.3 Princípios Técnicos

As duas principais mecânicas de cadeia lateral:

1. Ancoragem bidirecional(Ancoragem Simétrica): Os validadores da cadeia principal e da cadeia lateral registram em tempo real o estado um do outro. Quando o token da cadeia principal é transferido para a cadeia lateral, é gerado uma saída especial que só os validadores da cadeia lateral podem desbloquear.

2. Ancoragem não coordenada ( Ancoragem Assimétrica ): Os validadores de sidechain monitoram as atividades da mainchain e podem registrar ativamente as transações da mainchain para a sidechain. No entanto, quando se trata de sidechain para mainchain, a mainchain não pode confirmar o estado da sidechain, sendo necessário introduzir o mecanismo de Certificadores.

Em termos simples, o mecanismo de sidechain:

• Cadeia principal para cadeia lateral: a cadeia principal bloqueia ativos, a cadeia lateral gera ativos embrulhados
• Cadeia lateral para a cadeia principal: a cadeia lateral destrói o ativo embrulhado, a cadeia principal desbloqueia o ativo

A segurança dos ativos de cadeia lateral depende do mecanismo de consenso da cadeia lateral.

3.2.4 Vantagens e desvantagens

Vantagens:

• Altamente personalizável
• Os ativos da cadeia principal podem ser usados
• Não afeta a cadeia principal
• Pode realizar funções complexas

Desvantagens:

• segurança relativamente baixa
• Baixa profundidade de descentralização
• Liquidez dispersa
• Falta de ativos nativos

3.2.5 Aplicação

xDai ( agora Gnosis Chain ):

• O token $xDai está ancorado 1:1 com $Dai
• Adotar o mecanismo de consenso PoSDAO
• Já se fundiu com a Gnosis

Polygon:

• Agregador de soluções de escalabilidade do Ethereum
• Fornecer sidechain PoS da Polygon e várias soluções de Rollup
• O desenvolvimento ecológico é rápido, com uma grande quantidade de Dapps e usuários

Ronin:

• Sidechain do jogo Axie Infinity
• Adotar o mecanismo de consenso PoA
• Já foi alvo de um ataque de hacker grave

3.3 Plasma

3.3.1 Resumo

Plasma é uma estrutura para construir Dapps escaláveis. Ele surgiu como uma solução evolutiva para cadeias laterais, com o objetivo de reduzir a confiança do usuário nos operadores da cadeia lateral ao mínimo.