خارج السلسلة توسعة العمق تحليل

1. ضرورة التوسع

رؤية مستقبل blockchain هي اللامركزية والأمان وقابلية التوسع، ولكن غالبًا ما يمكن تحقيق اثنين فقط منها، ويطلق عليه اسم مشكلة مثلث المستحيل. على مدى سنوات، كان الناس يستكشفون كيفية زيادة قدرة blockchain وسرعة المعاملات مع ضمان اللامركزية والأمان، أي حل مشكلة التوسع، وهي واحدة من الموضوعات الساخنة الحالية في عملية تطوير blockchain.

تعريف اللامركزية والأمان وقابلية التوسع في سلسلة الكتل:

• لامركزية: يمكن لأي شخص أن يصبح عقدة للمشاركة في إنتاج والتحقق من النظام، كلما زاد عدد العقد، زادت درجة اللامركزية، مما يضمن أن الشبكة لا تخضع لسيطرة عدد قليل من المشاركين المركزين.

• الأمان: كلما زادت تكلفة الحصول على السيطرة على النظام، زادت الأمان، يمكن أن تتحمل السلسلة هجمات نسبة أكبر من المشاركين.

• القابلية للتوسع: قدرة blockchain على معالجة كميات كبيرة من المعاملات.

نشأت أول عملية انقسام كبيرة في شبكة البيتكوين من مشكلة التوسع. مع زيادة عدد المستخدمين وحجم المعاملات، بدأت شبكة البيتكوين التي لديها حد أقصى قدره 1MB لكل كتلة تواجه مشكلة الازدحام؛ منذ عام 2015، كانت هناك انقسامات في مجتمع البيتكوين بشأن مشكلة التوسع، حيث دعم جانب توسيع الكتل، بينما اعتقد الجانب الآخر أنه يجب استخدام حل Segwit لتحسين هيكل سلسلة الكتل الرئيسية. في 1 أغسطس 2017، بدأت Bitcoin ABC، التي تدعم توسيع الكتل، بتطوير نظام عميل بسعة 8MB، مما أدى إلى أول عملية انقسام كبيرة في تاريخ البيتكوين، وأدى إلى ظهور عملة جديدة BCH.

شبكة إيثريوم أيضًا تختار التضحية بجزء من القابلية للتوسع لضمان أمان الشبكة واللامركزية. على الرغم من أن شبكة إيثريوم لم تقيد حجم الكتلة كما فعلت شبكة بيتكوين للحد من حجم المعاملات، بل تحولت بشكل غير مباشر إلى وضع حد أعلى لرسوم الوقود التي يمكن أن تستوعبها كتلة واحدة، إلا أن الهدف هو تحقيق توافق موثوق وضمان توزيع واسع للعقد.

من CryptoKitties في عام 2017، صيف DeFi، ثم ظهور تطبيقات GameFi و NFT على السلسلة، تزداد طلبات السوق على السعة، ولكن حتى Ethereum القابلة للتوسع فقط يمكنها معالجة 15~45 معاملة في الثانية (TPS)، مما يؤدي إلى زيادة تكاليف المعاملات، واطالة أوقات التسوية، مما يجعل معظم Dapps صعبة التكلفة للتشغيل، ويصبح الشبكة بأكملها بطيئة ومكلفة للمستخدمين، ومشكلة توسيع سلسلة الكتل بحاجة ماسة إلى الحل. الحل المثالي للتوسع هو: زيادة سرعة المعاملات وسعة المعاملات في الشبكة قدر الإمكان دون التضحية باللامركزية والأمان.

2. فئات خطة التوسع

نحن نصنف خطط التوسع إلى نوعين رئيسيين: التوسع داخل السلسلة والتوسع خارج السلسلة، بناءً على معيار "ما إذا كان سيتم تغيير طبقة الشبكة الرئيسية".

2.1 توسيع خارج السلسلة

المفهوم الأساسي: حل لتحقيق توسيع النطاق عن طريق تغيير طبقة بروتوكول الشبكة الرئيسية، الحل الرئيسي الحالي هو التقسيم.

توجد عدة حلول لتوسيع السلسلة، لن يتم توسيع هذا المقال، فيما يلي قائمة مختصرة بحلين:

• الخيار الأول هو توسيع مساحة الكتلة، أي زيادة عدد المعاملات المعبأة في كل كتلة، ولكن هذا سيزيد من متطلبات أجهزة العقد عالية الأداء، مما يزيد من عتبة الانضمام للعقد، ويقلل من درجة "اللامركزية".

• الخيار الثاني هو تقسيم, حيث يتم تقسيم دفتر حسابات blockchain إلى عدة أجزاء, بدلاً من أن تشارك كل عقدة في جميع عمليات المحاسبة, بل يتم تعيين كل جزء مختلف أي عقدة مختلفة مسؤولة عن محاسبة مختلفة, يمكن للحسابات المتزامنة معالجة عدة معاملات في نفس الوقت; بهذه الطريقة يمكن تقليل الضغط على حسابات العقدة وعتبة الانضمام, وزيادة سرعة معالجة المعاملات ودرجة اللامركزية; ولكن هذا يعني أن قوة الحساب الإجمالية للشبكة ستتوزع, مما سيقلل من "الأمان" في الشبكة بأكملها.

قد يؤدي تغيير كود بروتوكول الشبكة الرئيسية إلى آثار سلبية غير متوقعة، حيث أن أي ثغرة أمنية دقيقة في الطبقة الأساسية ستشكل تهديدًا خطيرًا على أمان الشبكة بأكملها، مما قد يجبر الشبكة على القيام بتفريع أو انقطاع لتحديثات الإصلاح. على سبيل المثال، حدث ثغرة التضخم في Zcash في عام 2018: كان كود Zcash مستندًا إلى تعديل كود النسخة 0.11.2 من بيتكوين، وفي عام 2018 اكتشف أحد المهندسين وجود ثغرة عالية الخطورة في الكود الأساسي، وهي أن الرموز يمكن إصدارها بلا حدود، ومن ثم قضى الفريق 8 أشهر في إصلاح سري، وبعد إصلاح الثغرة تم الكشف عن هذا الحدث.

2.2 خارج السلسلة التوسع

المفهوم الأساسي: حل توسيع لا يغير بروتوكول الشبكة الرئيسية من الطبقة الأولى الحالي.

خارج السلسلة توسعة الحلول يمكن تقسيمها إلى Layer2 وحلول أخرى:

3. حلول توسيع خارج السلسلة

3.1 قنوات الدولة

3.1.1 ملخص

تحدد قناة الحالة أنه يجب على المستخدمين التفاعل مع الشبكة الرئيسية فقط عند فتح القناة أو إغلاقها أو حل النزاعات، ويتم إجراء التفاعلات بين المستخدمين خارج السلسلة، وذلك لتقليل الوقت وتكاليف المعاملات على المستخدمين، بالإضافة إلى تحقيق عدد غير محدود من المعاملات.

قناة الحالة هي بروتوكول P2P بسيط، مناسب "للتطبيقات القائمة على الأدوار"، مثل لعبة الشطرنج الدولية بين شخصين. يتم إدارة كل قناة بواسطة عقد ذكي متعدد التوقيع يعمل على الشبكة الرئيسية، حيث يتحكم هذا العقد في الأصول المودعة في القناة، ويحقق تحديثات الحالة، ويحل النزاعات بين المشاركين ( وفقًا لإثبات الاحتيال المرفق بالتوقيع والطابع الزمني ). بعد نشر العقد على شبكة البلوكتشين، يقوم المشاركون بإيداع مبلغ من المال وتأمينه، وعند تأكيد توقيع الطرفين، يتم فتح القناة رسميًا. تتيح القناة للمشاركين إجراء معاملات مجانية غير محدودة خارج السلسلة ( طالما أن صافي قيمة تحويلاتهم لا تتجاوز إجمالي الرموز المودعة ). يرسل المشاركون تحديثات الحالة بالتناوب لبعضهم البعض، في انتظار تأكيد توقيع الطرف الآخر. بمجرد توقيع الطرف الآخر، تعتبر هذه التحديثات مكتملة. بشكل طبيعي، لن يتم رفع تحديثات الحالة المتفق عليها من قبل الطرفين إلى الشبكة الرئيسية، فقط في حالة حدوث نزاع أو إغلاق القناة، سيتم الاعتماد على تأكيد الشبكة الرئيسية. عند الحاجة لإغلاق القناة، يمكن لأي مشارك تقديم طلب للمعاملة على الشبكة الرئيسية، وإذا تم الموافقة على طلب الخروج بتوقيع متفق عليه من الجميع، فسيتم تنفيذ ذلك على الفور على السلسلة، أي أن العقد الذكي يوزع الأموال المعلقة المتبقية بناءً على رصيد كل مشارك في حالة القناة النهائية؛ إذا لم يوافق المشاركون الآخرون، يجب على الجميع الانتظار حتى انتهاء "فترة التحدي" لتلقي الأموال المتبقية.

بالتالي، يمكن أن تقلل خطة قنوات الحالة بشكل كبير من حجم الحساب على الشبكة الرئيسية، وتزيد من سرعة المعاملات، وتخفض تكاليف المعاملات.

3.1.2 الجدول الزمني

• 2015/02، نشر جوزيف بون وثاديوس دريجا مسودة ورقة بيضاء لشبكة البرق.
• 2015/11، قام جيف كولمان بتلخيص مفهوم قناة الدولة بشكل منهجي لأول مرة، مقترحًا أن قناة الدفع في البيتكوين هي حالة فرعية من مفهوم قناة الدولة.
• 2016/01، نشر جوزيف بون وثاديوس دريجا رسميًا الورقة البيضاء "شبكة البيتكوين الضوئية: مدفوعات فورية قابلة للتوسع خارج السلسلة" التي اقترحت خطة توسيع شبكة البيتكوين باستخدام قناة الدفع ( قناة الدفع )، هذه الخطة مخصصة فقط لمعالجة مدفوعات التحويل على شبكة البيتكوين.
• 2017/11، تم اقتراح أول معيار تصميم يتعلق بقناة الحالة تحت إطار قناة الدفع يسمى Sprites.
• 2018/06، اقترحت Counterfactual تصميمًا مفصلًا للغاية لقنوات الحالة العامة، وهو أول تصميم مرتبط تمامًا بقنوات الحالة.
• في أكتوبر 2018 ، اقترحت مقالة شبكات قنوات الدولة المعممة مفهوم شبكات قنوات الدولة والقنوات الافتراضية.
• 2019/02, تم توسيع مفهوم قناة الحالة إلى قنوات N-Party، و Nitro هو البروتوكول الأول الذي تم إنشاؤه بناءً على هذه الفكرة.
• 2019/10، قامت Pisa بتوسيع مفهوم Watchtowers لحل مشكلة احتياج جميع المشاركين للبقاء متصلين باستمرار.
• 2020/03، قدمت Hydra قنوات متساوية سريعة.

3.1.3 المبادئ التقنية

توضح الصورة 1 سير العمل التقليدي على السلسلة: يتفاعل أليس وبوب مع العقد الذكي الذي تم نشره على الشبكة الرئيسية، ويقوم المستخدمون بتغيير حالة العقد الذكي عن طريق إرسال المعاملات إلى السلسلة. العيب هو أنه سيؤدي إلى مشكلات الوقت والتكلفة التي تم مناقشتها أعلاه.

توضح الصورة 2 سير العمل العام الذي تتبعه معظم بروتوكولات قناة الحالة: في الحالة التفاؤلية، يحتاج أليس وبوب إلى تنفيذ نفس العمليات كما في السابق، ولكن هذه المرة يستخدمون قناة الحالة بدلاً من التفاعل مع العقد على السلسلة.

• الخطوة الأولى، أليس وبوب يتفاعلان عن طريق إيداع الأموال من عنوان EOA الشخصي الخاص بهما إلى عنوان العقد على السلسلة ( بمبلغ 1,2)، حيث يتم قفل هذه الأموال في العقد حتى يتم إرجاع الرصيد إلى المستخدم عند إغلاق القناة؛ بعد تأكيد التوقيع من كلا الطرفين، يتم فتح قناة الحالة رسميًا بينهما.
• الخطوة الثانية، يمكن لأليس وبوب من الناحية النظرية إجراء عدد غير محدود من المعاملات خارج السلسلة ( خط متقطع أزرق )، يتواصل المشاركون مع بعضهم البعض من خلال رسائل موقعة مشفرة ( بدلاً من التواصل مع شبكة البلوكشين ). يحتاج كلا المستخدمين إلى توقيع كل معاملة لمنع إساءة استخدام الإنفاق المزدوج. من خلال هذه الرسائل، يقدمون تحديثات حالة حساباتهم، ويقبلون تحديثات الحالة التي يقترحها الطرف الآخر.
• الخطوة الثالثة، إذا أرادت أليس إغلاق القناة وإنهاء المعاملة مع بوب، تحتاج أليس إلى تقديم الحالة النهائية لحسابها إلى العقد ( التفاعل 3)، إذا وقع بوب الموافقة، فإنه سيتم تحرير الأموال المقفلة وفقًا للحالة النهائية وإعادتها إلى المستخدم المعني ( التفاعل 4،5). إذا لم يستجب بوب للتوقيع، فسيتم تحرير الأموال المقفلة وإعادتها إلى المستخدم المعني بعد انتهاء فترة التحدي.

تظهر الصورة 3 سير عمل قناة الحالة في حالة متشائمة: في البداية، يقوم مشاركان بإيداع الأموال ( تفاعل 1، 2)، ثم يبدأان في تبادل تحديثات الحالة ( الخط المنقط الأزرق ). لنفترض أنه في نقطة زمنية معينة، لم يستجب بوب لتحديث حالة التوقيع المرسل من أليس ( تفاعل 3)، في هذه الحالة، يمكن لأليس بدء تحدٍ من خلال تقديم حالتها الفعالة الأخيرة إلى العقد ( تفاعل 4)، هذه الحالة الفعالة تتضمن أيضًا توقيع بوب السابق، وبالتالي تثبت أن الصفقة الأخيرة قد حصلت على موافقة بوب، وأن الحالة النهائية قد تأكدت من بوب. ثم، يسمح العقد لبوب بالاستجابة خلال فترة معينة من خلال تقديم الحالة التالية إلى العقد؛ إذا استجاب بوب، يمكن للاثنين متابعة التجارة في قناة الحالة؛ إذا لم يستجب بوب خلال هذه الفترة، يغلق العقد قناة الحالة تلقائيًا ويعيد الأموال إلى أليس ( تفاعل 5).

3.1.4 المزايا والعيوب

المزايا:

• قابلية التوسع العالية: يمكن إجراء معاملات غير محدودة
• تأخير منخفض: يتم إكمال الصفقة على الفور
• تكلفة منخفضة: خارج السلسلة交易基本没有成本
• الخصوصية: المعاملات خارج السلسلة لن يتم تسجيلها على السلسلة الرئيسية
• القابلية للاستخدام: حتى لو ظهرت مشاكل في السلسلة الرئيسية، لا يزال يمكن استخدام قناة الحالة

العيوب:

• قفل الأموال: يحتاج الطرفان إلى قفل الأموال
• متصل باستمرار: يحتاج المشاركون إلى البقاء متصلين باستمرار لمراقبة حالة القناة
• تكلفة إنشاء القناة: يتطلب فتح القناة تفاعلًا مع السلسلة الرئيسية، وتكون التكلفة عالية
• إغلاق التأخير: يتطلب إغلاق القناة الانتظار لمدة تحدي.
• الأطراف المقابلة المحدودة: يمكن للقناة التداول فقط مع طرف مقابل ثابت
• غير مناسب للاستخدام على نطاق واسع: غير ودود للمستخدمين العاديين

3.1.5 تطبيق

شبكة البرق للبيتكوين

ملخص:

شبكة البرق هي قناة مدفوعات صغيرة على شبكة البيتكوين، وقد شهدت تطوراً تقنياً عاماً تتضمن: إنشاء قناة دفع أحادية الاتجاه باستخدام توقيع متعدد 2/2، وبعد إضافة RSMC( عقد تسلسل الاستحقاق القابل للإلغاء ) يمكن بناء قناة دفع ثنائية الاتجاه، ثم بعد إضافة HTLC( عقد قفل الوقت الهاش ) يمكن توصيل قنوات الدفع لتوسيعها إلى مدفوعات متعددة، وأخيراً يتم بناء شبكة الدفع وهي شبكة البرق. من خلال قنوات الدفع الصغيرة خارج السلسلة، ثم بالاستفادة من الوسطاء لتشكيل شبكة المعاملات، يمكن حل مشكلة توسيع شبكة البيتكوين. الاستخدام العام لشبكة البرق يتبع "إيداع( إنشاء قناة) → معاملات شبكة البرق( تحديث حالة القناة) → استرداد/ تسوية( إنهاء القناة)". نظرياً، يمكن لشبكة البرق معالجة مليون معاملة في الثانية.

الخط الزمني:

• في فبراير 2015، نشر جوزيف بون وثاديوس دريجا مسودة وثيقة شبكة البرق.
• تم إصدار النسخة الرسمية من الورقة البيضاء في يناير 2016 وتم تأسيس Lightning Labs;
• في 15 مارس 2018، أصدرت Lightning Labs الإصدار الأول من شبكة Lightning Network الرئيسية Lightning Network Daemon (LND) الإصدار 0.4.
• في بداية عام 2021، كانت السعة العامة لشبكة Lightning (TVL) حوالي 40 مليون دولار