Analisis Kedalaman Ekspansi off-chain

1. Kebutuhan untuk Ekspansi

Masa depan blockchain adalah visi yang megah: desentralisasi, keamanan, dan skalabilitas; tetapi biasanya blockchain hanya dapat memenuhi dua dari ketiga hal tersebut, sementara memenuhi ketiga persyaratan ini disebut sebagai masalah segitiga ketidakmungkinan blockchain. Selama bertahun-tahun, orang-orang telah menjelajahi bagaimana menyelesaikan tantangan ini, bagaimana meningkatkan throughput dan kecepatan transaksi blockchain dengan menjamin desentralisasi dan keamanan, yaitu menyelesaikan masalah skalabilitas, merupakan salah satu topik hangat yang dibahas dalam proses perkembangan blockchain saat ini.

Mari kita secara umum mendefinisikan desentralisasi, keamanan, dan skalabilitas blockchain:

• Desentralisasi: Siapa pun dapat menjadi node yang berpartisipasi dalam produksi dan verifikasi sistem blockchain, semakin banyak jumlah node, semakin tinggi tingkat desentralisasi, sehingga memastikan jaringan tidak berada di bawah kendali sekelompok kecil peserta terpusat yang besar.
• Keamanan: Semakin tinggi biaya yang dikeluarkan untuk mendapatkan kontrol atas sistem blockchain, maka semakin tinggi keamanannya, sehingga rantai dapat menahan serangan dari proporsi peserta yang lebih besar.
• Skalabilitas: kemampuan blockchain untuk memproses sejumlah besar transaksi.

Hard fork besar pertama dari jaringan Bitcoin berasal dari masalah skalabilitas. Dengan meningkatnya jumlah pengguna dan volume transaksi Bitcoin, jaringan Bitcoin yang memiliki batas maksimum 1MB per blok mulai menghadapi masalah kemacetan; sejak tahun 2015, komunitas Bitcoin telah memiliki perbedaan pendapat mengenai masalah skalabilitas, di satu pihak ada kelompok pro-skala yang diwakili oleh Bitcoin ABC yang mendukung perluasan blok, di pihak lain ada kelompok blok kecil yang diwakili oleh Bitcoin Core, yang percaya seharusnya menggunakan solusi Segregated Witness (Segwit) untuk mengoptimalkan struktur rantai utama. Pada 1 Agustus 2017, Bitcoin ABC mengembangkan sistem klien hingga 8MB yang mulai berjalan, yang menyebabkan munculnya hard fork besar pertama dalam sejarah Bitcoin, sekaligus melahirkan jenis koin baru BCH.

Demikian juga, jaringan Ethereum juga memilih untuk mengorbankan sebagian dari skalabilitasnya untuk menjaga keamanan dan desentralisasi jaringan; meskipun jaringan Ethereum tidak membatasi jumlah transaksi dengan membatasi ukuran blok seperti jaringan Bitcoin, tetapi berubah menjadi menetapkan batasan pada biaya bahan bakar yang dapat ditampung dalam satu blok, tujuannya tetap untuk mencapai Konsensus Tanpa Kepercayaan dan memastikan distribusi node yang luas ( baik dengan menghapus atau meningkatkan batasan akan menghilangkan banyak node kecil yang kekurangan bandwidth, penyimpanan, dan kapasitas komputasi ).

Dari CryptoKitties pada tahun 2017, musim DeFi, hingga munculnya aplikasi on-chain seperti GameFi dan NFT, permintaan pasar untuk throughput terus meningkat. Namun, bahkan Ethereum yang Turing lengkap hanya dapat memproses 15~45 transaksi per detik ( TPS ), yang mengakibatkan biaya transaksi terus meningkat, waktu penyelesaian menjadi lebih lama, dan sebagian besar Dapps sulit untuk menanggung biaya operasional. Seluruh jaringan juga menjadi lambat dan mahal bagi pengguna, sehingga masalah skalabilitas blockchain perlu segera diatasi. Solusi skalabilitas yang ideal adalah: meningkatkan kecepatan transaksi jaringan blockchain ( waktu finalitas yang lebih pendek ) dan throughput transaksi ( TPS yang lebih tinggi ) tanpa mengorbankan desentralisasi dan keamanan.

2. Jenis Rencana Perluasan

Kami membagi rencana perluasan menjadi dua kategori besar, yaitu ekspansi on-chain dan ekspansi off-chain, berdasarkan standar "apakah ada perubahan pada lapisan utama jaringan".

2.1 ekspansi on-chain

Konsep inti: solusi untuk mencapai efek peningkatan kapasitas dengan mengubah satu lapisan protokol jaringan utama, solusi utama saat ini adalah sharding.

Ada berbagai solusi untuk skalabilitas on-chain, artikel ini tidak akan menguraikannya, berikut adalah dua solusi yang disebutkan secara singkat:

• Solusi satu adalah memperluas ruang blok, yaitu meningkatkan jumlah transaksi yang dib打包 di setiap blok, tetapi ini akan meningkatkan persyaratan untuk perangkat node berkinerja tinggi, meningkatkan ambang batas untuk bergabung sebagai node, dan mengurangi tingkat "desentralisasi".
• Solusi kedua adalah sharding, membagi buku besar blockchain menjadi beberapa bagian, bukan lagi setiap node berpartisipasi dalam semua pencatatan, tetapi oleh sharding yang berbeda yaitu node yang berbeda bertanggung jawab untuk pencatatan yang berbeda, 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 ini berarti kekuatan komputasi di seluruh jaringan terdistribusi, yang akan mengurangi "keamanan" seluruh jaringan.

Mengubah kode protokol mainnet dapat menghasilkan dampak negatif yang tidak terduga, karena setiap celah keamanan yang halus di lapisan bawah dapat mengancam keamanan seluruh jaringan secara serius, jaringan mungkin terpaksa melakukan fork atau menghentikan pemeliharaan untuk peningkatan. Misalnya, insiden kerentanan inflasi Zcash pada tahun 2018: Kode Zcash didasarkan pada modifikasi kode versi Bitcoin 0.11.2, pada tahun 2018 seorang insinyur menemukan bahwa ada kerentanan tinggi dalam kode dasarnya, yang memungkinkan token dicetak tanpa batas, segera setelah itu tim menghabiskan waktu 8 bulan untuk perbaikan rahasia, dan insiden tersebut baru diungkapkan setelah perbaikan celah keamanan selesai.

2.2 off-chain ekspansi

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

Solusi perluasan off-chain dapat dibagi lagi menjadi Layer2 dan solusi lainnya:

3. Solusi Skalabilitas 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 saat menyelesaikan perselisihan, dan melakukan interaksi antara pengguna di luar rantai, 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 orang. 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 menyebarkan kontrak di jaringan blockchain, mereka menyetor sejumlah dana dan menguncinya, setelah kedua belah pihak menandatangani konfirmasi, saluran secara resmi dibuka. Saluran memungkinkan perdagangan off-chain gratis tanpa batas antara peserta ( asalkan nilai bersih transfer mereka tidak melebihi total token yang disetor ). Peserta secara bergiliran mengirimkan pembaruan status kepada satu sama lain, menunggu konfirmasi tanda tangan dari pihak lain. Setelah pihak lain memberikan konfirmasi tanda tangan, pembaruan status ini dianggap selesai. Dalam keadaan normal, pembaruan status yang disetujui oleh kedua belah pihak tidak akan diunggah ke jaringan utama, hanya dalam kasus sengketa atau penutupan saluran, yang akan bergantung pada konfirmasi jaringan utama. Ketika saluran perlu ditutup, salah satu peserta dapat mengajukan permintaan transaksi di jaringan utama, jika permintaan keluar mendapatkan persetujuan tanda tangan konsensus dari semua orang, maka secara langsung dieksekusi di chain, yaitu kontrak pintar mendistribusikan sisa dana yang terkunci berdasarkan saldo setiap peserta di status akhir saluran; jika peserta lain tidak memberikan persetujuan tanda tangan, maka semua orang harus menunggu hingga akhir "periode tantangan" untuk menerima sisa dana.

Secara keseluruhan, skema 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 buku putih jaringan Lightning.
• 2015/11, Jeff Coleman pertama kali merangkum secara sistematis konsep State Channel, mengusulkan bahwa Payment Channel Bitcoin adalah salah satu subkasus dari konsep State Channel.
• 2016/01, Joseph Poon dan Thaddeus Dryja secara resmi menerbitkan whitepaper "The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments" yang mengusulkan skema perluasan untuk jaringan Lightning Bitcoin Payment Channel( saluran pembayaran), skema ini hanya digunakan untuk memproses pembayaran transfer di jaringan Bitcoin.
• 2017/11, desain spesifikasi tentang State Channel yang pertama kali diusulkan berdasarkan kerangka Payment Channel adalah Sprites.
• 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 mengusulkan konsep State Channel Networks dan Virtual Channels.
• 2019/02, konsep saluran status diperluas ke N-Party Channels, Nitro adalah protokol pertama yang dibangun berdasarkan ide tersebut.
• 2019/10, Pisa memperluas konsep Watchtowers untuk menyelesaikan masalah semua peserta yang perlu terus online.
• 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 dideploy di mainnet, pengguna mengubah status kontrak pintar dengan mengirimkan transaksi ke rantai. Kekurangan dari ini adalah membawa 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 on-chain.

• Langkah pertama, Alice dan Bob berinteraksi dengan menyetor dana dari EOA pribadi mereka ke alamat kontrak on-chain (, sebesar 1,2), dana ini dikunci dalam kontrak sampai saldo dikembalikan kepada pengguna saat saluran ditutup; setelah kedua pihak menandatangani dan mengonfirmasi, saluran status antara mereka secara resmi dibuka.
• Langkah kedua, Alice dan Bob secara teoritis dapat melakukan transaksi tanpa batas di luar rantai melalui saluran tersebut ( garis putus-putus biru ), peserta saling berkomunikasi melalui pesan tanda tangan terenkripsi ( daripada berkomunikasi dengan jaringan blockchain ). Kedua pengguna perlu menandatangani setiap transaksi untuk mencegah penipuan ganda. Melalui pesan-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 menyelesaikan transaksi dengan Bob, Alice perlu mengajukan status akhir dari akun miliknya ( interaksi 3) kepada kontrak. Jika Bob menandatangani dan menyetujui, kontrak akan melepaskan dana yang terkunci dan mengembalikannya kepada pengguna yang sesuai berdasarkan status akhir ( 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 situasi pesimis: Pada awalnya, dua peserta menyetorkan dana ( interaksi 1,2), kemudian mulai bertukar pembaruan status ( garis putus-putus biru ). Misalkan pada suatu titik waktu, Bob tidak merespons tanda tangan pembaruan status yang dikirim Alice ( interaksi 3), saat ini, Alice dapat memulai tantangan dengan menyerahkan status valid terakhirnya kepada kontrak ( interaksi 4), status valid ini juga mencakup tanda tangan Bob sebelumnya, sehingga membuktikan bahwa transaksi terakhir telah disetujui Bob, dan status akhir telah dikonfirmasi oleh Bob. Kemudian, kontrak memungkinkan Bob untuk merespons dalam jangka waktu tertentu dengan menyerahkan status berikutnya kepada kontrak; jika Bob merespons, maka kedua orang dapat terus bertransaksi di dalam saluran status; jika Bob tidak merespons dalam periode waktu tersebut, maka kontrak secara otomatis menutup saluran status dan mengembalikan dana kepada Alice ( interaksi 5).

3.1.4 Kelebihan dan Kekurangan

Keuntungan:

• Ketersediaan segera: transaksi off-chain dapat dikonfirmasi segera, tanpa perlu menunggu konfirmasi blok.
• Tingkat throughput yang tinggi: hanya perlu berinteraksi dengan jaringan utama saat saluran dibuka dan ditutup, secara signifikan meningkatkan throughput
• Biaya rendah: transaksi off-chain tidak memerlukan pembayaran biaya penambang, hanya perlu membayar sedikit biaya saat saluran dibuka dan ditutup.
• Privasi: Konten transaksi off-chain tidak akan dicatat di blockchain, hanya status akhir yang akan dikirim ke mainnet.

Kekurangan:

• Kompleksitas: Implementasi dan penggunaan saluran status cukup rumit
• Kunci likuiditas: perlu mengunci sejumlah dana tertentu sebelumnya
• Permintaan online: Peserta perlu tetap online untuk merespons status terbaru
• Lingkup penggunaan terbatas: terutama berlaku untuk skenario di mana kedua belah pihak sering berinteraksi.

3.1.5 Aplikasi

Jaringan Lightning Bitcoin:

Ringkasan: Jaringan Lightning adalah saluran pembayaran kecil di jaringan Bitcoin, yang mengalami evolusi teknologi keseluruhan: 2/2 multi-tanda tangan membangun pembayaran satu arah.