A visão futura da blockchain é descentralização, segurança e escalabilidade, mas geralmente apenas dois desses aspectos podem ser realizados, o que é conhecido como o problema do triângulo impossível da blockchain. Ao longo dos anos, as pessoas têm explorado como aumentar a capacidade de throughput e a velocidade das transações da blockchain, garantindo a descentralização e a segurança, ou seja, resolver o problema da escalabilidade, que é um dos tópicos quentes no desenvolvimento atual da blockchain.
A descentralização, segurança e escalabilidade da blockchain podem ser definidas de forma simples como:
Descentralização: qualquer pessoa pode se tornar um nó e participar do sistema de blockchain; quanto mais nós houver, maior será o nível de descentralização.
Segurança: Quanto maior o custo para obter o controle do sistema de blockchain, maior a segurança, podendo resistir a ataques de participantes em grande escala.
Escalabilidade: a capacidade da blockchain de processar um grande número de transações.
A primeira grande bifurcação do network Bitcoin surgiu de problemas de escalabilidade. Com o aumento do número de usuários e do volume de transações, o limite de 1MB por bloco levou à congestão da rede. Desde 2015, a comunidade Bitcoin tinha divergências sobre a questão da escalabilidade, que culminaram na primeira grande bifurcação do Bitcoin em 1 de agosto de 2017, resultando na criação da nova moeda BCH.
A rede Ethereum também optou por sacrificar uma parte da escalabilidade para garantir a segurança e a descentralização. Embora não exista uma limitação do tamanho do bloco como no Bitcoin, a quantidade de transações é indiretamente limitada pela restrição do custo do gás de um único bloco, com o objetivo de alcançar um consenso sem confiança e garantir uma ampla distribuição de nós.
Desde os CryptoKitties de 2017 até a ascensão posterior do DeFi, GameFi e NFT, a demanda do mercado por profundidade tem aumentado constantemente, mas o Ethereum consegue processar apenas 15-45 transações por segundo. Isso resultou em um aumento nos custos de transação, tempos de liquidação mais longos e a maioria das Dapps não consegue suportar os custos operacionais, fazendo com que toda a rede se tornasse lenta e cara, e o problema de escalabilidade da blockchain precisa ser resolvido urgentemente. A solução ideal de escalabilidade é: aumentar a velocidade das transações e a profundidade tanto quanto possível, sem sacrificar a descentralização e a segurança.
2. Tipos de soluções de escalabilidade
De acordo com o padrão "se mudar uma camada da mainnet", podemos dividir as soluções de escalabilidade em duas grandes categorias: escalabilidade on-chain e escalabilidade fora da cadeia.
2.1 expansão na cadeia
Conceito central: uma solução que alcança o efeito de escalabilidade ao alterar uma camada do protocolo da mainnet, sendo a solução principal atualmente o sharding.
A escalabilidade na cadeia tem várias soluções, aqui estão brevemente duas delas:
A opção um é expandir o espaço do bloco, aumentando o número de transações empacotadas em cada bloco, mas isso aumentará os requisitos dos dispositivos dos nós, reduzindo o nível de descentralização.
A solução dois é o sharding, que divide o livro razão da blockchain em várias partes, onde diferentes nós são responsáveis por diferentes registos. O cálculo em paralelo pode processar várias transações simultaneamente. Isso pode reduzir a pressão de cálculo sobre os nós e o limiar de entrada, aumentar a velocidade de processamento de transações e o nível de descentralização, mas pode reduzir a segurança de toda a rede.
Alterar o código do protocolo da camada principal da rede pode ter impactos negativos imprevisíveis, uma vez que qualquer vulnerabilidade de segurança subjacente pode ameaçar seriamente a segurança de toda a rede, possivelmente levando a bifurcações ou interrupções nas atualizações. Por exemplo, o incidente de vulnerabilidade de inflação do Zcash em 2018, que a equipe levou 8 meses a corrigir secretamente antes de torná-lo público.
2.2 fora da cadeia expansão
Conceito central: solução de escalabilidade que não altera o protocolo da camada principal existente.
A solução de escalabilidade fora da cadeia pode ser subdividida em Layer2 e outras soluções:
Layer2:
Canais de Estado
Plasma
Rollups
Rollups Otimistas
ZK Rollups
Outros:
Sidechains
Validium
3. Planos de escalabilidade fora da cadeia
Canais de Estado 3.1
3.1.1 Resumo
Os canais de estado estipulam que os usuários só precisam interagir com a mainnet quando o canal é aberto, fechado ou para resolver disputas, realizando as interações entre os usuários fora da cadeia, com o objetivo de reduzir o tempo e custo das transações, permitindo um número ilimitado de transações.
Os canais de estado são protocolos P2P simples, adequados para "aplicações baseadas em turnos", como o jogo de xadrez para duas pessoas. Cada canal é gerido por um contrato inteligente de múltiplas assinaturas na rede principal, que controla os ativos depositados, valida as atualizações de estado e arbitra disputas ( com base em provas de fraude assinadas e carimbadas com hora ). Os participantes depositam fundos e os bloqueiam após a implantação do contrato na rede, e o canal é oficialmente aberto após a confirmação de assinatura de ambas as partes. O canal permite que os participantes realizem transações fora da cadeia gratuitas sem limite de número (, desde que o valor líquido da transferência não exceda o total depositado ). Os participantes enviam atualizações de estado alternadamente e aguardam a confirmação da assinatura do outro. Normalmente, as atualizações de estado acordadas por ambas as partes não são enviadas para a rede principal, sendo apenas necessárias para a confirmação da rede principal em caso de disputas ou fechamento do canal. No fechamento, qualquer uma das partes pode solicitar na rede principal, e se obtiver a aprovação da assinatura de todos, é executada imediatamente; caso contrário, deve aguardar o término do "período de contestação" para receber os fundos.
Os canais de estado podem 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 Lightning
2015/11: Jeff Coleman fez uma primeira síntese sistemática do conceito de State Channel
2016/01: O white paper da Lightning Network foi oficialmente publicado, propondo uma solução de escalabilidade para o Canal de Pagamento do Bitcoin.
2017/11: O primeiro padrão de design de State Channel baseado em Payment Channel proposto pela Sprites
2018/06: Counterfactual apresentou um design detalhado de Canais de Estado Generalizados
2018/10: Redes de Canais de Estado Generalizadas propuseram os conceitos de Redes de Canais de Estado e Canais Virtuais
2019/02: Nitro estabeleceu o protocolo pela primeira vez com base nos Canais N-Partido
2019/10: Pisa expandiu o conceito de Watchtowers para resolver o problema de participantes estarem continuamente online.
Fluxo de trabalho tradicional em cadeia: os usuários alteram o estado do contrato inteligente enviando transações para a cadeia, mas isso traz problemas de tempo e custo.
Fluxo de trabalho do canal de estado:
Alice e Bob abrem um canal de estado depositando fundos em um contrato na cadeia
Ambas as partes podem realizar transações ilimitadas fora da cadeia, comunicando-se através de mensagens assinadas.
Se Alice quiser fechar o canal, deve submeter o estado final ao contrato.
Se Bob assinar a aprovação, o contrato distribuirá os fundos de acordo com o estado final.
Se Bob não responder, os fundos serão distribuídos após o término do período de contestação.
Fluxo de trabalho em situações pessimistas:
Se Bob não responder à assinatura da atualização de estado, Alice pode submeter o último estado válido ao contrato para iniciar um desafio.
O contrato permite que o Bob responda dentro de um período de tempo
Se Bob responder, pode continuar a transação; se não responder, o contrato fecha automaticamente o canal e devolve os fundos.
3.1.4 Vantagens e desvantagens
Vantagens:
Confirmação de transação instantânea
Taxas de transação extremamente baixas
Boa privacidade
Forte escalabilidade
Desvantagens:
Necessita de monitorização contínua online
Custo de configuração inicial elevado
Eficiência de capital baixa
Difícil de lidar com transações de múltiplas partes
Falta de combinabilidade
3.1.5 Aplicação
As principais aplicações incluem a Lightning Network do Bitcoin, a Lightning Network do Ethereum e a Celer Network.
Rede Lightning do Bitcoin:
Rascunho do white paper publicado em fevereiro de 2015
Lançamento da primeira versão da mainnet em março de 2018
Em 2021, El Salvador adotou o Bitcoin como moeda legal e lançou a carteira Chivo baseada na rede Lightning.
Em novembro de 2022, havia 76.236 canais de pagamento, com um total de 5049 BTC em fundos dos canais.
Rede Lightning do Ethereum:
Fundada em 2017, semelhante à rede Lightning
Em outubro de 2017, o ICO arrecadou mais de 30 milhões de dólares.
O primeiro Light Client foi lançado na mainnet em maio de 2020
Atualmente, a barreira de entrada é alta, e o desenvolvimento do ecossistema é lento
Celer Network:
Essencialmente, é uma rede Lightning que aumenta a camada de incentivos.
Pode-se construir Dapps de interação de alta frequência rápidas, de baixo custo e seguras através de tecnologia de expansão fora da cadeia e modelos económicos de incentivo.
Lançamento na rede principal do Ethereum em julho de 2019
Atualmente transformou-se em uma plataforma de agregação de escalabilidade L2 que suporta cross-chain.
3.1.6 Comparação de Aplicações
Rede Lightning do Bitcoin:
Vantagens: custos de transação baixos, boa privacidade
Desvantagens: necessidade de bloquear fundos, roteamento complexo
Rede Lightning do Ethereum:
Vantagens: suporta contratos inteligentes
Desvantagens: progresso de desenvolvimento lento, alta barreira de entrada
Celer Network:
Vantagens: suporta cross-chain, mecanismo de incentivo completo
Desvantagens: grau de centralização bastante elevado
3.2 Sidechains
3.2.1 Resumo
O conceito de sidechain foi proposto pela primeira vez em 2012 em um chat de desenvolvedores do Bitcoin, e em 2014, um pesquisador da Blockstream escreveu o primeiro artigo relacionado. A sidechain é uma forma de blockchain que surgiu para acelerar as transações do Bitcoin, podendo utilizar contratos mais complexos ou melhorar o mecanismo de consenso. Quando os resultados das transações da sidechain são finalmente enviados de volta para a cadeia principal, são registrados na parte dos validadores. Esse modelo de blockchain não é uma nova forma, mas sim uma infraestrutura que se anexa à cadeia principal e ajuda 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: Publicação do artigo sobre sidechains do Bitcoin, propondo Symmetric Pegged e Asymmetric Pegged
2017/04: A rede POA foi lançada na rede de teste de sidechain baseada no consenso PoA do Ethereum
2017/10: Matic Network lançado
2017/12: Lançamento da rede principal do POA Network
2018/01: Lançamento da rede de testes Skale
2018/10: Lançamento da rede de testes xDai Chain
2020/06: Lançamento da mainnet Skale
2020/06: Lançamento da mainnet da cadeia Matic PoS do Ethereum
2021/02: Matic Network passou a se chamar Polygon Network
2021/02: A rede principal do sidechain Ronin do jogo Axie Infinity entrou em funcionamento
2021/12: xDai Chain fundiu-se com Gnosis Dao para formar Gnosis Chain
2022/03: POA Network fundiu-se com a Gnosis Chain
3.2.3 Princípios Técnicos
As cadeias laterais comunicam-se com a cadeia principal através de duas formas: ancoragem bidirecional e ancoragem não coordenada.
Âncora bidirecional ( Âncora Simétrica ):
Os validadores da cadeia principal e da cadeia lateral registam em tempo real o estado atual um do outro
Utilizar tecnologia SPV bidirecional para transmissão de informações
Quando o token da cadeia principal é enviado para a cadeia lateral, gera uma Saída Bloqueada SPV
Validadores de sidechain desbloqueiam com prova SPV
Após o período de confirmação e o período do concurso, os usuários podem usar ativos encapsulados recém-mintados na cadeia lateral.
Ancoragem não coordenada ( Ancoragem Assimétrica ):
Validadores de sidechain monitorizam em tempo real a atividade da mainchain
As transações da cadeia principal para a cadeia lateral podem ser registradas diretamente
As transações da sidechain para a mainchain devem introduzir o mecanismo de Certificadores.
Certificadores registram informações chave e agregam assinaturas
É necessário garantir ativos em garantia para não comprometer o sistema
Atualmente, cada vez mais sidechains optam por usar o mecanismo PoA ou Relayers para confirmar o estado dos blocos da cadeia principal.
Resumo do mecanismo de cadeia lateral:
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 wrapped, a cadeia principal desbloqueia o ativo
A segurança dos ativos de cadeia lateral depende da segurança do mecanismo de consenso da cadeia lateral.
3.2.4 Vantagens e desvantagens
Vantagens:
Alta flexibilidade, funcionalidades personalizáveis
Os ativos da cadeia principal podem ser interconectados
Reduzir a carga da cadeia principal
Reduzir os custos de transação
Desvantagens:
A segurança depende do seu próprio mecanismo de consenso
Necessita de uma entidade federativa ou autoridade confiável
Transações entre cadeias são complexas
Pode haver fragmentação de liquidez
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GasGuzzler
· 21h atrás
Já é uma velha história sobre a escalabilidade, ainda não foi resolvido?
Análise Profunda das Soluções de Escalabilidade Fora da Cadeia: Canais de Estado, Sidechains e suas Aplicações
Explicação Profunda da Expansão Fora da Cadeia
1. A necessidade de escalabilidade
A visão futura da blockchain é descentralização, segurança e escalabilidade, mas geralmente apenas dois desses aspectos podem ser realizados, o que é conhecido como o problema do triângulo impossível da blockchain. Ao longo dos anos, as pessoas têm explorado como aumentar a capacidade de throughput e a velocidade das transações da blockchain, garantindo a descentralização e a segurança, ou seja, resolver o problema da escalabilidade, que é um dos tópicos quentes no desenvolvimento atual da blockchain.
A descentralização, segurança e escalabilidade da blockchain podem ser definidas de forma simples como:
A primeira grande bifurcação do network Bitcoin surgiu de problemas de escalabilidade. Com o aumento do número de usuários e do volume de transações, o limite de 1MB por bloco levou à congestão da rede. Desde 2015, a comunidade Bitcoin tinha divergências sobre a questão da escalabilidade, que culminaram na primeira grande bifurcação do Bitcoin em 1 de agosto de 2017, resultando na criação da nova moeda BCH.
A rede Ethereum também optou por sacrificar uma parte da escalabilidade para garantir a segurança e a descentralização. Embora não exista uma limitação do tamanho do bloco como no Bitcoin, a quantidade de transações é indiretamente limitada pela restrição do custo do gás de um único bloco, com o objetivo de alcançar um consenso sem confiança e garantir uma ampla distribuição de nós.
Desde os CryptoKitties de 2017 até a ascensão posterior do DeFi, GameFi e NFT, a demanda do mercado por profundidade tem aumentado constantemente, mas o Ethereum consegue processar apenas 15-45 transações por segundo. Isso resultou em um aumento nos custos de transação, tempos de liquidação mais longos e a maioria das Dapps não consegue suportar os custos operacionais, fazendo com que toda a rede se tornasse lenta e cara, e o problema de escalabilidade da blockchain precisa ser resolvido urgentemente. A solução ideal de escalabilidade é: aumentar a velocidade das transações e a profundidade tanto quanto possível, sem sacrificar a descentralização e a segurança.
2. Tipos de soluções de escalabilidade
De acordo com o padrão "se mudar uma camada da mainnet", podemos dividir as soluções de escalabilidade em duas grandes categorias: escalabilidade on-chain e escalabilidade fora da cadeia.
2.1 expansão na cadeia
Conceito central: uma solução que alcança o efeito de escalabilidade ao alterar uma camada do protocolo da mainnet, sendo a solução principal atualmente o sharding.
A escalabilidade na cadeia tem várias soluções, aqui estão brevemente duas delas:
A opção um é expandir o espaço do bloco, aumentando o número de transações empacotadas em cada bloco, mas isso aumentará os requisitos dos dispositivos dos nós, reduzindo o nível de descentralização.
A solução dois é o sharding, que divide o livro razão da blockchain em várias partes, onde diferentes nós são responsáveis por diferentes registos. O cálculo em paralelo pode processar várias transações simultaneamente. Isso pode reduzir a pressão de cálculo sobre os nós e o limiar de entrada, aumentar a velocidade de processamento de transações e o nível de descentralização, mas pode reduzir a segurança de toda a rede.
Alterar o código do protocolo da camada principal da rede pode ter impactos negativos imprevisíveis, uma vez que qualquer vulnerabilidade de segurança subjacente pode ameaçar seriamente a segurança de toda a rede, possivelmente levando a bifurcações ou interrupções nas atualizações. Por exemplo, o incidente de vulnerabilidade de inflação do Zcash em 2018, que a equipe levou 8 meses a corrigir secretamente antes de torná-lo público.
2.2 fora da cadeia expansão
Conceito central: solução de escalabilidade que não altera o protocolo da camada principal existente.
A solução de escalabilidade fora da cadeia pode ser subdividida em Layer2 e outras soluções:
Layer2:
Outros:
3. Planos de escalabilidade fora da cadeia
Canais de Estado 3.1
3.1.1 Resumo
Os canais de estado estipulam que os usuários só precisam interagir com a mainnet quando o canal é aberto, fechado ou para resolver disputas, realizando as interações entre os usuários fora da cadeia, com o objetivo de reduzir o tempo e custo das transações, permitindo um número ilimitado de transações.
Os canais de estado são protocolos P2P simples, adequados para "aplicações baseadas em turnos", como o jogo de xadrez para duas pessoas. Cada canal é gerido por um contrato inteligente de múltiplas assinaturas na rede principal, que controla os ativos depositados, valida as atualizações de estado e arbitra disputas ( com base em provas de fraude assinadas e carimbadas com hora ). Os participantes depositam fundos e os bloqueiam após a implantação do contrato na rede, e o canal é oficialmente aberto após a confirmação de assinatura de ambas as partes. O canal permite que os participantes realizem transações fora da cadeia gratuitas sem limite de número (, desde que o valor líquido da transferência não exceda o total depositado ). Os participantes enviam atualizações de estado alternadamente e aguardam a confirmação da assinatura do outro. Normalmente, as atualizações de estado acordadas por ambas as partes não são enviadas para a rede principal, sendo apenas necessárias para a confirmação da rede principal em caso de disputas ou fechamento do canal. No fechamento, qualquer uma das partes pode solicitar na rede principal, e se obtiver a aprovação da assinatura de todos, é executada imediatamente; caso contrário, deve aguardar o término do "período de contestação" para receber os fundos.
Os canais de estado podem 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
3.1.3 Princípios Técnicos
Fluxo de trabalho tradicional em cadeia: os usuários alteram o estado do contrato inteligente enviando transações para a cadeia, mas isso traz problemas de tempo e custo.
Fluxo de trabalho do canal de estado:
Fluxo de trabalho em situações pessimistas:
3.1.4 Vantagens e desvantagens
Vantagens:
Desvantagens:
3.1.5 Aplicação
As principais aplicações incluem a Lightning Network do Bitcoin, a Lightning Network do Ethereum e a Celer Network.
Rede Lightning do Bitcoin:
Rede Lightning do Ethereum:
Celer Network:
3.1.6 Comparação de Aplicações
Rede Lightning do Bitcoin:
Rede Lightning do Ethereum:
Celer Network:
3.2 Sidechains
3.2.1 Resumo
O conceito de sidechain foi proposto pela primeira vez em 2012 em um chat de desenvolvedores do Bitcoin, e em 2014, um pesquisador da Blockstream escreveu o primeiro artigo relacionado. A sidechain é uma forma de blockchain que surgiu para acelerar as transações do Bitcoin, podendo utilizar contratos mais complexos ou melhorar o mecanismo de consenso. Quando os resultados das transações da sidechain são finalmente enviados de volta para a cadeia principal, são registrados na parte dos validadores. Esse modelo de blockchain não é uma nova forma, mas sim uma infraestrutura que se anexa à cadeia principal e ajuda a resolver problemas.
3.2.2 Linha do tempo
3.2.3 Princípios Técnicos
As cadeias laterais comunicam-se com a cadeia principal através de duas formas: ancoragem bidirecional e ancoragem não coordenada.
Âncora bidirecional ( Âncora Simétrica ):
Ancoragem não coordenada ( Ancoragem Assimétrica ):
Atualmente, cada vez mais sidechains optam por usar o mecanismo PoA ou Relayers para confirmar o estado dos blocos da cadeia principal.
Resumo do mecanismo de cadeia lateral:
A segurança dos ativos de cadeia lateral depende da segurança do mecanismo de consenso da cadeia lateral.
3.2.4 Vantagens e desvantagens
Vantagens:
Desvantagens: