Analisis Kedalaman Ekspansi Off-chain

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

1. Kebutuhan untuk Memperbesar Kapasitas

Visi masa depan blockchain adalah desentralisasi, keamanan, dan skalabilitas, tetapi biasanya hanya dua dari ketiganya yang dapat dicapai, yang dikenal sebagai masalah segitiga ketidakmungkinan blockchain. Selama bertahun-tahun, orang telah menjelajahi bagaimana meningkatkan throughput dan kecepatan transaksi blockchain dengan menjamin desentralisasi dan keamanan, yaitu menyelesaikan masalah skalabilitas.

Mari kita mulai dengan mendefinisikan desentralisasi, keamanan, dan skalabilitas dari blockchain:

• Desentralisasi: Siapa pun dapat menjadi node untuk berpartisipasi dalam sistem blockchain, semakin banyak jumlah node, semakin tinggi tingkat desentralisasi.
• Keamanan: semakin tinggi biaya untuk mendapatkan kontrol sistem blockchain, semakin tinggi keamanannya, dapat menahan proporsi serangan yang lebih besar.
• Skalabilitas: Kemampuan blockchain untuk memproses sejumlah besar transaksi.

Fork besar pertama di jaringan Bitcoin berasal dari masalah skalabilitas. Sejak 2015, komunitas Bitcoin telah memiliki perbedaan pendapat mengenai masalah skalabilitas, satu pihak mendukung perluasan blok, sementara pihak lainnya mendukung penggunaan solusi Segregated Witness. Pada 1 Agustus 2017, pihak yang mendukung perluasan blok mulai menjalankan sistem klien baru, yang mengakibatkan fork keras besar pertama dalam sejarah Bitcoin, melahirkan jenis koin baru BCH.

Jaringan Ethereum juga memilih untuk mengorbankan sebagian dari skalabilitasnya untuk menjaga keamanan dan desentralisasi jaringan. Dari CryptoKitties pada tahun 2017 hingga munculnya DeFi, GameFi, dan NFT, permintaan pasar untuk throughput terus meningkat, tetapi Ethereum hanya dapat memproses 15-45 transaksi per detik, yang menyebabkan biaya transaksi meningkat dan waktu penyelesaian menjadi lebih lama. Solusi skalabilitas yang ideal adalah: meningkatkan kecepatan dan throughput transaksi jaringan blockchain sebanyak mungkin tanpa mengorbankan desentralisasi dan keamanan.

2. Jenis Rencana Perluasan

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

2.1 ekspansi on-chain

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

Ekspansi on-chain memiliki berbagai solusi, berikut adalah dua yang dijelaskan secara singkat:

• Solusi pertama adalah memperluas ruang blok, yaitu meningkatkan jumlah transaksi yang dikemas dalam setiap blok, tetapi ini akan meningkatkan persyaratan node dan mengurangi tingkat desentralisasi.
• Rencana kedua adalah pemisahan, membagi buku besar blockchain menjadi beberapa bagian, di mana setiap bagian bertanggung jawab untuk pencatatan yang berbeda, dapat mengurangi tekanan pada node, tetapi akan mengurangi keamanan seluruh jaringan.

Mengubah protokol jaringan utama dapat menghasilkan dampak negatif yang sulit diprediksi, karena setiap kerentanan keamanan di lapisan bawah akan secara serius mengancam keamanan seluruh jaringan.

2.2 off-chain kapasitas

Konsep Inti: Solusi skalabilitas yang tidak mengubah protokol jaringan utama lapisan satu yang ada.

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

• Layer2: Saluran Status, Plasma, Rollups
• Solusi lain: Sidechains, Validium

3. Solusi ekspansi 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 antar pengguna dilakukan off-chain untuk mengurangi biaya transaksi dan memungkinkan jumlah transaksi tidak terbatas.

Saluran status adalah protokol P2P sederhana, cocok untuk aplikasi berbasis giliran, seperti permainan catur dua orang. Setiap saluran dikelola oleh kontrak pintar multisig yang berjalan di mainnet, mengontrol aset yang disimpan di saluran, memvalidasi pembaruan status, dan mengadili sengketa antara para peserta.

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
• 2016/01: Buku Putih Jaringan Lightning secara resmi diterbitkan
• 2017/11: Mengusulkan spesifikasi desain State Channel pertama yang berbasis pada kerangka Payment Channel Sprites
• 2018/06: Counterfactual mengajukan desain Generalized State Channels yang rinci
• 2018/10: Mengusulkan konsep State Channel Networks dan Virtual Channels
• 2019/02: Konsep saluran status diperluas ke Saluran N-Pihak
• 2019/10: Pisa mengembangkan konsep Watchtowers untuk mengatasi masalah peserta yang harus terus online.
• 2020/03: Hydra mengusulkan Saluran Isomorfik Cepat

3.1.3 Prinsip Teknologi

Alur kerja saluran status:

1. Alice dan Bob membuka saluran status dengan menyetor dana di kontrak mainnet dan menandatangani konfirmasi.
2. Alice dan Bob dapat melakukan transaksi tanpa batas di off-chain, setiap transaksi memerlukan konfirmasi tanda tangan dari kedua belah pihak.
3. Jika Alice ingin menutup saluran, dia perlu mengajukan status akhir kepada kontrak. Jika Bob menandatangani persetujuan, kontrak akan segera mengeksekusi distribusi dana; jika Bob tidak merespons, dia harus menunggu hingga "periode tantangan" berakhir sebelum dapat menerima dana.

Alur kerja dalam situasi pesimis:

Jika Bob tidak merespons tanda tangan pembaruan status Alice, Alice dapat mengajukan tantangan kepada kontrak dengan menyerahkan status valid terakhirnya. Bob dapat mengajukan status berikutnya dalam jangka waktu tertentu sebagai respons; jika tidak merespons, kontrak akan secara otomatis menutup saluran dan mengembalikan dana kepada Alice.

3.1.4 Kelebihan dan Kekurangan

Kelebihan:

• Konfirmasi instan
• Tingkat throughput yang tinggi
• Privasi yang baik
• Universalitas Tinggi

Kekurangan:

• Perlu mengunci dana terlebih dahulu
• Peserta harus tetap online
• Mendukung lebih sedikit peserta
• Tidak dapat menyelesaikan masalah keluarnya secara besar-besaran

3.1.5 Aplikasi

Jaringan Lightning Bitcoin:

• Dikenalkan pada tahun 2015, versi mainnet dirilis pada tahun 2018
• Pada November 2022 terdapat 76.236 saluran pembayaran, dengan total dana saluran sebesar 5049 BTC
• Ekosistem mencakup berbagai kategori seperti pembayaran, dompet, manajemen node, dan lebih dari 100 aplikasi

Jaringan Petir Ethereum:

• Didirikan pada tahun 2017, versi mainnet dirilis pada tahun 2020
• Penggunaan ambang batas tinggi, pengembangan ekosistem lambat
• Beralih ke menjalankan di jaringan Layer2 Rollup

Celer Network:

• Menambahkan jaringan lightning lapisan insentif
• Cocok untuk aplikasi interaksi frekuensi tinggi seperti platform e-sports
• Telah diluncurkan produk jembatan lintas rantai cBridge dan lainnya

3.2 Sidechains

3.2.1 Ringkasan

Sidechain adalah bentuk blockchain yang muncul untuk mempercepat transaksi Bitcoin, dapat menggunakan kontrak yang lebih kompleks atau memperbaiki mekanisme konsensus. Hasil transaksi sidechain akhirnya akan dicatat di sisi validator dan dikirim kembali ke mainchain.

3.2.2 Garis Waktu

• 2012/01: Konsep sidechain Bitcoin pertama kali diajukan
• 2014/10: Publikasi makalah sidechain Bitcoin
• 2017/04: POA Network menguji jaringan online
• 2017/10:Jaringan Matic diluncurkan
• 2018/01: Skale testnet diluncurkan
• 2020/06: Matic PoS Chain jaringan utama diluncurkan
• 2021/02:Peluncuran mainnet Ronin
• 2021/12:xDai Chain bergabung dengan Gnosis Dao menjadi Gnosis Chain

3.2.3 Prinsip Teknologi

Ada dua cara utama bagi sidechain untuk berkomunikasi dengan mainchain:

1. Double Anchor ( Symmetric Pegged ): Validator utama dan sisi secara real-time mencatat status terkini satu sama lain, menggunakan teknologi SPV untuk memvalidasi transaksi.

2. Ketidakcocokan pengikatan ( Asymmetric Pegged ): Pengawas sidechain memantau aktivitas mainchain, tetapi jaringan utama tidak dapat mengonfirmasi status sidechain, perlu diperkenalkan mekanisme Certifiers untuk memverifikasi transaksi sidechain.

Saat ini semakin banyak sidechain yang memilih menggunakan notaris pihak ketiga ( PoA ) mekanisme atau lapisan perantara Relayers untuk mengonfirmasi status blok mainchain.

Ringkasan mekanisme sidechain:

• Aset dari main chain ke side chain: main chain mengunci aset, side chain menghasilkan wrapped asset
• Aset dari sidechain ke mainchain: sidechain menghancurkan wrapped asset, mainchain membuka kunci aset

3.2.4 Kelebihan dan Kekurangan

Kelebihan:

• Tingkat kustomisasi yang tinggi
• Dapat mendukung kontrak pintar yang kompleks
• Transfer Aset Lintas Rantai
• Mekanisme tata kelola independen

Kekurangan:

• Keamanan yang lebih rendah
• Risiko sentralisasi
• Kompleksitas komunikasi lintas rantai tinggi
• Penetapan dua arah memerlukan waktu konfirmasi yang lebih lama

3.2.5 Aplikasi

xDai Chain( sekarang Gnosis Chain):

• Jaringan utama diluncurkan pada September 2018, bergabung dengan Gnosis pada April 2022
• Mengadopsi mekanisme konsensus PoSDAO
• TVL sekitar 53 juta dolar AS, ekosistem memiliki 35 proyek yang sedang berlangsung

Polygon:

• Peluncuran mainnet Matic PoS Chain dan Plasma Chain pada Juni 2020
• Pada tahun 2021, merek diupgrade menjadi Polygon, beralih ke agregator
• Sudah ada lebih dari 37k Dapp, total transaksi 1,8B dan lebih dari 135M pengguna

Ronin:

• Sidechain yang dikembangkan untuk permainan Axie Infinity
• Peluncuran mainnet pada Maret 2021, menggunakan mekanisme konsensus PoA
• Diserang peretasan senilai 624 juta dolar AS pada Maret 2022

3.3 Plasma

3.3.1 Ringkasan

Plasma adalah kerangka kerja untuk membangun Dapp yang dapat diskalakan, yang bertujuan untuk meminimalkan kepercayaan pengguna terhadap Operator sisi rantai. Prinsip dasar Plasma adalah, bahkan jika rantai Plasma mengalami kegagalan keamanan, semua aset pengguna masih dapat ditarik dari rantai Plasma dan dikembalikan ke jaringan utama.

3.3.2 Garis Waktu

• 2017/08: Rilis Whitepaper Plasma
• 2018/01: Mengajukan aplikasi Plasma resmi pertama Plasma MVP
• 2018/03: Mengusulkan Plasma Cash untuk menyelesaikan masalah keluaran skala besar
• 2018/06: Mengajukan Plasma Debit
• 2018/11: Mengajukan Plasma Prime
• Sejak 2019: Komunitas Ethereum mulai mengeksplorasi solusi Rollups

3.3.3 Prinsip Teknologi

Inti pemikiran Plasma:

• Eksekusi off-chain: Sebagian besar pekerjaan diproses di luar jaringan utama
• Status komitmen: menyimpan versi terkompresi dari status rantai Plasma menggunakan Merkle Root
• Mekanisme keluar: Pengguna harus membuktikan kepada jaringan utama bahwa mereka memiliki dana yang dapat ditarik dan jumlahnya benar.

Penggunaan proses:

1. Pengguna menyetor dana ke dalam kontrak Plasma di mainnet
2. Pengguna melakukan transaksi di jaringan Plasma
3. Operator mengemas transaksi dan mengirimkan komitmen status ke jaringan utama
4. Pengguna mengajukan permintaan penarikan, setelah periode tantangan dapat menarik dana.

3.3.4 Kelebihan dan Kekurangan

Kelebihan:

• Tingkat throughput yang tinggi
• Biaya transaksi rendah
• Mewarisi keamanan jaringan utama

Kekurangan:

• Mekanisme keluar yang kompleks
• Masalah ketersediaan data
• Pengguna perlu memantau secara rutin
• Fitur terbatas

3.3.5 Aplikasi

Aplikasi Utama:

• Plasma Group → Optimisme(Optimistic Rollup)
• Jaringan OMG → Jaringan Boba(Optimistic Rollup)
• Polygon(sebelumnya Matic Network) → solusi L2 full-stack

Kesimpulan: Plasma adalah solusi transisi secara teknis, terbatas pada masalah yang ada dalam teknologi itu sendiri, dan sebagian besar aplikasi dengan cepat beralih ke pengembangan solusi berbasis Rollups.

3.4 Rollups

3.4.1 Ringkasan

Gagasan inti dari Rollups adalah menempatkan proses komputasi dan penyimpanan status di off-chain, sementara menyimpan komitmen status dan data transaksi yang terkompresi di main chain.

Rollups terbagi menjadi dua jenis:

• Optimistic Rollups: memastikan kebenaran melalui bukti penipuan
• ZK Rollups: melalui bukti yang efektif ( bukti nol pengetahuan ) untuk menjamin kebenaran

3.4.2 Prinsip Teknologi

Mekanisme inti:

• Mesin virtual off-chain mengeksekusi transaksi dan penyimpanan status
• Mengunggah data transaksi yang telah dikompresi dan akar status ke kontrak rantai utama