Analisis Kedalaman Perluasan off-chain

Penulis: Cobo Ventures

1. Kebutuhan untuk Memperluas Kapasitas

Visi masa depan blockchain adalah desentralisasi, keamanan, dan skalabilitas, tetapi biasanya hanya dua dari ketiga hal ini yang dapat dicapai, yang dikenal sebagai masalah segitiga tidak mungkin dalam blockchain. Selama bertahun-tahun, orang telah menjelajahi bagaimana cara menyelesaikan tantangan ini, bagaimana meningkatkan throughput dan kecepatan transaksi blockchain dengan tetap menjamin desentralisasi dan keamanan, yaitu menyelesaikan masalah skalabilitas, yang merupakan salah satu topik hangat dalam proses pengembangan blockchain saat ini.

Definisi desentralisasi, keamanan, dan skalabilitas blockchain:

• Desentralisasi: Siapa pun dapat menjadi node untuk berpartisipasi dalam produksi dan verifikasi sistem blockchain, semakin banyak jumlah node, semakin tinggi tingkat desentralisasinya, memastikan jaringan tidak dikendalikan oleh beberapa peserta terpusat yang besar.

• Keamanan: Semakin tinggi biaya yang dikeluarkan untuk mendapatkan kendali atas sistem blockchain, semakin tinggi pula keamanannya, dan rantai dapat menahan serangan dari proporsi peserta yang lebih besar.

• Skalabilitas: Kemampuan blockchain untuk memproses sejumlah besar transaksi.

Fork utama pertama jaringan Bitcoin berasal dari masalah perluasan. Seiring bertambahnya jumlah pengguna dan volume transaksi, jaringan Bitcoin dengan batas maksimum 1MB per blok mulai menghadapi masalah kemacetan; sejak 2015, komunitas Bitcoin telah memiliki perbedaan pendapat tentang masalah perluasan, satu sisi mendukung perluasan blok yang lebih besar, sementara sisi lain mendukung penggunaan solusi Segwit untuk blok kecil. Pada 1 Agustus 2017, pihak perluasan mengembangkan sistem klien hingga 8MB yang mulai beroperasi, menyebabkan fork keras utama pertama dalam sejarah Bitcoin, sekaligus melahirkan cryptocurrency baru BCH.

Jaringan Ethereum juga memilih untuk mengorbankan sebagian dari skalabilitas untuk menjaga keamanan dan desentralisasi jaringan. Meskipun jaringan Ethereum tidak membatasi volume transaksi dengan membatasi ukuran blok seperti jaringan Bitcoin, namun secara tidak langsung mengubahnya menjadi menetapkan batasan pada biaya bahan bakar yang dapat ditampung dalam satu blok, tetapi tujuannya adalah untuk mencapai konsensus tanpa kepercayaan dan memastikan distribusi node yang luas.

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-complete hanya dapat memproses 15-45 transaksi per detik (TPS), yang menyebabkan biaya transaksi terus meningkat, waktu penyelesaian menjadi lebih lama, sebagian besar Dapps sulit untuk menanggung biaya operasional, dan seluruh jaringan menjadi lambat dan mahal bagi pengguna, sehingga masalah skalabilitas blockchain perlu segera dipecahkan. Solusi skalabilitas yang ideal adalah: meningkatkan kecepatan transaksi dan throughput jaringan blockchain sebisa mungkin tanpa mengorbankan desentralisasi dan keamanan.

2. Kategori Rencana Perluasan

Kami membagi rencana perluasan menjadi dua kategori besar yaitu perluasan on-chain dan perluasan off-chain berdasarkan standar "apakah mengubah satu lapisan jaringan utama".

2.1 Ekspansi on-chain

Konsep inti: solusi untuk mencapai efek skalabilitas dengan mengubah satu lapisan protokol jaringan utama, solusi utama saat ini adalah pemotongan.

Ada beberapa solusi untuk skalabilitas di chain, artikel ini tidak akan membahas secara mendetail, hanya mencantumkan dua solusi secara singkat:

• Solusi pertama adalah memperluas ruang blok, yaitu meningkatkan jumlah transaksi yang打包 dalam setiap blok, tetapi ini akan meningkatkan tuntutan pada 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, tidak lagi setiap node berpartisipasi dalam semua pencatatan, melainkan bagian yang berbeda atau node yang berbeda bertanggung jawab untuk pencatatan yang berbeda, dan komputasi paralel dapat memproses beberapa transaksi sekaligus; ini dapat mengurangi tekanan komputasi pada node dan ambang batas untuk bergabung, meningkatkan kecepatan pemrosesan transaksi dan tingkat desentralisasi; tetapi ini berarti kekuatan komputasi seluruh jaringan terdistribusi, yang akan mengurangi "keamanan" seluruh jaringan.

Mengubah kode protokol mainnet pada satu lapisan dapat menghasilkan dampak negatif yang tidak terduga, karena setiap celah keamanan kecil pada lapisan dasar dapat secara serius mengancam keamanan seluruh jaringan, dan jaringan mungkin terpaksa melakukan fork atau menghentikan pemeliharaan untuk melakukan upgrade. Misalnya, kejadian celah inflasi Zcash pada tahun 2018: Kode Zcash didasarkan pada modifikasi kode versi Bitcoin 0.11.2, pada tahun 2018 seorang insinyur menemukan celah berbahaya dalam kode dasarnya, yaitu token dapat diterbitkan tanpa batas, dan tim menghabiskan waktu 8 bulan untuk melakukan perbaikan secara rahasia, kejadian ini baru diumumkan setelah perbaikan celah dilakukan.

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 menjadi Layer2 dan solusi lainnya:

3. Solusi Skalabilitas off-chain

3.1 Saluran Negara

3.1.1 Ringkasan

Saluran status menetapkan bahwa hanya saat saluran dibuka, ditutup, atau menyelesaikan sengketa, pengguna perlu berinteraksi dengan jaringan utama, dan interaksi antara pengguna dilakukan off-chain, untuk mengurangi waktu dan biaya transaksi pengguna, serta memungkinkan jumlah transaksi tidak terbatas.

Saluran status adalah protokol P2P sederhana, cocok untuk "aplikasi berbasis giliran", misalnya, permainan catur dua orang. Setiap saluran dikelola oleh kontrak pintar multi-tanda tangan yang berjalan di jaringan utama, kontrak ini mengendalikan 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 menerapkan kontrak di jaringan blockchain, mereka menyetor sejumlah dana dan menguncinya, setelah kedua belah pihak menandatangani dan mengonfirmasi, saluran secara resmi dibuka. Saluran memungkinkan transaksi gratis off-chain tanpa batas antara peserta ( selama nilai bersih transfer mereka tidak melebihi total token yang disetor ). Peserta secara bergantian mengirim pembaruan status 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 kedua belah pihak tidak diunggah ke jaringan utama, hanya ketika terjadi sengketa atau saluran ditutup, baru akan bergantung pada konfirmasi jaringan utama. Ketika perlu menutup saluran, salah satu peserta dapat mengajukan permintaan transaksi di jaringan utama, jika permintaan keluar mendapatkan persetujuan tanda tangan bulat, maka akan dieksekusi segera di chain, yaitu kontrak pintar mendistribusikan sisa dana yang terkunci berdasarkan saldo masing-masing peserta pada status akhir saluran; jika peserta lain tidak menyetujui tanda tangan, maka semua orang harus menunggu akhir "masa tantangan" untuk menerima sisa dana.

Secara keseluruhan, solusi saluran status dapat secara signifikan mengurangi beban komputasi di mainnet, meningkatkan kecepatan transaksi, dan mengurangi 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 secara sistematis merangkum konsep State Channel, dan mengusulkan bahwa Payment Channel Bitcoin adalah salah satu sub-kasus dari konsep State Channel.

• 2016/01, Joseph Poon dan Thaddeus Dryja secara resmi menerbitkan makalah putih "The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments" yang mengusulkan solusi skalabilitas untuk jaringan Bitcoin, Payment Channel( saluran pembayaran), solusi ini hanya digunakan untuk menangani pembayaran transfer di jaringan Bitcoin.

• 2017/11, desain spesifikasi State Channel pertama yang berbasis pada kerangka Payment Channel, Sprites, diusulkan.

• 2018/06, Counterfactual mengajukan desain Generalized State Channels yang sangat rinci, ini adalah desain pertama yang sepenuhnya terkait dengan saluran status.

• 2018/10, artikel Generalised State Channel Networks memperkenalkan konsep State Channel Networks dan Virtual Channels.

• 2019/02, konsep saluran status diperluas menjadi N-Party Channels, Nitro adalah protokol pertama yang dibangun berdasarkan ide tersebut.

• 2019/10, Pisa memperluas konsep Watchtowers untuk mengatasi masalah semua peserta yang perlu tetap online.

• 2020/03, Hydra mengemukakan Fast Isomorphic Channels.

3.1.3 Prinsip Teknologi

Gambar 1 menunjukkan alur kerja tradisional di blockchain: Alice dan Bob berinteraksi dengan kontrak pintar yang dikerahkan di jaringan utama, pengguna mengubah status kontrak pintar dengan mengirimkan transaksi ke blockchain. Kekurangan dari metode ini adalah akan 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 kondisi optimis, Alice dan Bob perlu melakukan operasi yang sama seperti sebelumnya, tetapi kali ini mereka menggunakan saluran status, bukan berinteraksi dengan kontrak di rantai.

• Langkah pertama, Alice dan Bob berinteraksi dengan menyetor dana dari EOA pribadi mereka ke alamat kontrak on-chain ( sebesar 1,2), dana ini terkunci dalam kontrak hingga saluran ditutup dan saldo dikembalikan kepada pengguna; setelah kedua pihak menandatangani konfirmasi, saluran status di antara mereka secara resmi dibuka.

• Langkah kedua, Alice dan Bob secara teori dapat melakukan transaksi tanpa batas di luar rantai melalui saluran tersebut ( garis putus-putus biru ), para peserta saling berkomunikasi melalui pesan tanda tangan terenkripsi ( alih-alih 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 mengakhiri transaksi dengan Bob, Alice perlu mengirimkan status akhir akun dirinya ( interaksi 3) ke kontrak. Jika Bob menandatangani persetujuan, kontrak akan melepaskan dana yang terkunci berdasarkan status akhir dan mengembalikannya kepada pengguna yang sesuai ( 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 pesimistis: pada awalnya, dua peserta menyetor 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 dikirimkan Alice dalam giliran-nya ( interaksi 3), pada saat ini, Alice dapat memulai tantangan dengan mengajukan status terakhir yang valid kepada kontrak ( interaksi 4), status valid ini juga berisi tanda tangan Bob sebelumnya, sehingga membuktikan bahwa transaksi terakhir telah disetujui oleh Bob, dan status terakhir telah dikonfirmasi oleh Bob. Kemudian, kontrak memungkinkan Bob untuk merespons dalam jangka waktu tertentu dengan mengajukan status berikutnya kepada kontrak; jika Bob merespons, keduanya dapat melanjutkan transaksi 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

Kelebihan:

• Kepastian Instan
• Biaya yang sangat rendah
• Privasi yang baik
• Skalabilitas tinggi
• Fleksibilitas Tinggi

Kekurangan:

• Memerlukan semua pihak yang terlibat tetap online
• Tidak cocok untuk perhitungan yang kompleks
• Biaya awal untuk membangun saluran tinggi
• Skalabilitas buruk
• Memerlukan penyimpanan dana yang terkunci

3.1.5 Aplikasi

Jaringan Lightning Bitcoin

Ringkasan:

Jaringan Lightning adalah saluran pembayaran kecil di jaringan Bitcoin, yang mengalami evolusi teknologi secara keseluruhan: membangun saluran pembayaran satu arah dengan multi-tanda tangan 2/2, setelah menambahkan RSMC(Revocable Sequence Maturity Contract), saluran pembayaran dua arah dapat dibangun, kemudian setelah menambahkan HTLC(Hash Time Lock Contract), saluran pembayaran dapat diperluas untuk pembayaran multipihak, akhirnya membangun jaringan pembayaran yaitu Jaringan Lightning. Melalui saluran pembayaran kecil off-chain, dan kemudian dengan bantuan perantara membentuk jaringan transaksi, dapat menyelesaikan masalah skalabilitas jaringan Bitcoin. Penggunaan keseluruhan Jaringan Lightning mengikuti proses "setoran(membangun saluran)→transaksi Jaringan Lightning(memperbarui status saluran)→pengembalian dana/penyelesaian(mengakhiri saluran)"; secara teoritis, Jaringan Lightning dapat memproses satu juta transaksi per detik.

Garis waktu:

• Pada Februari 2015, Joseph Poon dan Thaddeus Dryja merilis draf whitepaper jaringan Lightning;
• Menerbitkan versi resmi whitepaper pada Januari 2016 dan mendirikan Lightning Labs;
• Pada 15 Maret 2018, Lightning Labs merilis versi utama pertama dari jaringan Lightning, Lightning Network Daemon (LND) versi 0.4.
• Awal tahun 2021, kapasitas publik jaringan Lightning (TVL) hanya sekitar 40 juta dolar, dengan kurang dari 100 ribu pengguna yang menggunakan jaringan Lightning.