Analisis Kedalaman Ekspansi off-chain

1. Kebutuhan untuk Memperluas Kapasitas

Visi masa depan blockchain adalah desentralisasi, keamanan, dan skalabilitas, tetapi biasanya hanya dua di antaranya yang dapat dicapai, yang dikenal sebagai masalah segitiga yang tidak mungkin. Selama bertahun-tahun, orang-orang telah mengeksplorasi 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, semakin banyak jumlah node, semakin tinggi tingkat desentralisasi, memastikan jaringan tidak dikendalikan oleh sejumlah kecil peserta terpusat.

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

• Skalabilitas: Kemampuan blockchain untuk memproses sejumlah besar transaksi.

Forking besar pertama dari jaringan Bitcoin berasal dari masalah kapasitas. Dengan meningkatnya jumlah pengguna dan volume transaksi, jaringan Bitcoin yang memiliki batas maksimum 1MB per blok mulai menghadapi masalah kemacetan; sejak 2015, komunitas Bitcoin memiliki perbedaan pendapat mengenai masalah kapasitas, satu pihak mendukung perluasan blok, sementara pihak lain berpendapat bahwa seharusnya menggunakan solusi Segwit untuk mengoptimalkan struktur rantai utama. Pada 1 Agustus 2017, Bitcoin ABC yang mendukung perluasan blok mengembangkan sistem klien 8MB dan mulai beroperasi, yang mengakibatkan fork keras besar pertama dalam sejarah Bitcoin, melahirkan jenis koin baru BCH.

Jaringan Ethereum juga memilih untuk mengorbankan sebagian skalabilitas demi menjamin keamanan jaringan dan desentralisasi. Meskipun jaringan Ethereum tidak membatasi jumlah transaksi dengan membatasi ukuran blok seperti jaringan Bitcoin, ia secara tidak langsung beralih ke penetapan batas biaya bahan bakar yang dapat ditampung dalam satu blok, tetapi tujuannya tetap untuk mencapai Konsensus Tanpa Kepercayaan dan memastikan distribusi node yang luas.

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

2. Kategori Rencana Perluasan

Kami membagi rencana perluasan menjadi dua kategori besar: 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 peningkatan kapasitas dengan mengubah satu lapisan protokol jaringan utama, saat ini solusi utama adalah sharding.

Ada berbagai solusi untuk skalabilitas on-chain, artikel ini tidak akan membahasnya secara mendetail, berikut adalah dua solusi secara singkat:

• Opsi pertama adalah memperluas ruang blok, yaitu meningkatkan jumlah transaksi yang打包 di setiap blok, tetapi ini akan meningkatkan tuntutan pada perangkat node berkinerja tinggi, meningkatkan ambang batas untuk bergabungnya node, dan mengurangi tingkat "desentralisasi".

• Rencana kedua adalah sharding, membagi buku besar blockchain menjadi beberapa bagian, bukan setiap node berpartisipasi dalam semua pencatatan, tetapi setiap sharding atau node yang berbeda bertanggung jawab atas 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 bahwa kekuatan komputasi seluruh jaringan terdistribusi, yang akan mengurangi "keamanan" seluruh jaringan.

Mengubah kode protokol jaringan utama dapat menghasilkan dampak negatif yang tidak terduga, karena setiap celah keamanan kecil yang mendasarinya dapat mengancam keamanan seluruh jaringan secara serius, dan jaringan mungkin terpaksa melakukan fork atau menghentikan pemeliharaan untuk memperbarui. Misalnya, insiden 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 dicetak tanpa batas, dan tim menghabiskan 8 bulan untuk memperbaikinya secara rahasia, dan baru setelah perbaikan celah tersebut, insiden ini diumumkan.

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 menyelesaikan sengketa, dan melakukan interaksi antara pengguna di luar rantai (off-chain), dengan demikian mengurangi waktu dan biaya transaksi pengguna, serta memungkinkan jumlah transaksi tidak terbatas.

Saluran status adalah protokol P2P sederhana yang 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 di saluran, memverifikasi pembaruan status, dan mengadili sengketa antara peserta ( berdasarkan bukti penipuan yang disertai 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 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 bergiliran mengirimkan pembaruan status satu sama lain, menunggu konfirmasi tanda tangan dari pihak lain. Setelah pihak lain mengonfirmasi dengan tanda tangan, pembaruan status ini dianggap selesai. Dalam keadaan normal, pembaruan status yang disetujui oleh kedua belah pihak tidak diunggah ke jaringan utama, hanya dalam kasus sengketa atau penutupan saluran, yang 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 konsensus, maka eksekusi di blockchain dilakukan segera, yaitu kontrak pintar mendistribusikan dana yang terkunci yang tersisa sesuai dengan saldo setiap peserta dalam status akhir saluran; jika peserta lain tidak memberikan persetujuan tanda tangan, maka semua orang harus menunggu berakhirnya "masa tantangan" untuk menerima dana yang tersisa.

Dengan demikian, solusi saluran status dapat secara signifikan mengurangi beban perhitungan di jaringan utama, meningkatkan kecepatan transaksi, dan menurunkan biaya transaksi.

3.1.2 Garis Waktu

• 2015/02, Joseph Poon dan Thaddeus Dryja menerbitkan draf white paper jaringan Lightning.
• 2015/11, Jeff Coleman pertama kali secara sistematis merangkum konsep State Channel, mengusulkan bahwa Payment Channel pada Bitcoin adalah salah satu subkasus 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 skala untuk jaringan Lightning Bitcoin, Payment Channel ( saluran pembayaran ), solusi ini hanya digunakan untuk memproses pembayaran transfer di jaringan Bitcoin.
• 2017/11, desain spesifikasi State Channel pertama yang didasarkan pada kerangka Payment Channel, yaitu Sprites, diajukan.
• 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 untuk mengatasi masalah kebutuhan semua peserta untuk tetap online, memperluas konsep Watchtowers.
• 2020/03, Hydra mengajukan Fast Isomorphic Channels.

3.1.3 Prinsip Teknologi

Gambar 1 menunjukkan alur kerja tradisional di chain: Alice dan Bob berinteraksi dengan kontrak pintar yang dideploy di mainnet, pengguna mengubah status kontrak pintar dengan mengirimkan transaksi ke chain. Kekurangan dari 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 kasus 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 (, 1,2), dana ini terkunci dalam kontrak hingga saluran ditutup dan saldo dikembalikan kepada pengguna; setelah kedua pihak menandatangani konfirmasi, saluran status antara keduanya resmi dibuka.
• Langkah kedua, Alice dan Bob secara teoritis dapat melakukan transaksi tanpa batas kali 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 harus 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 transaksi antara dirinya dan Bob, Alice perlu mengajukan status akhir akun miliknya ( interaksi 3) kepada kontrak. Jika Bob menandatangani untuk menyetujui, 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 setelah periode tantangan berakhir dan mengembalikannya kepada pengguna yang sesuai.

Gambar 3 menunjukkan alur kerja saluran status dalam keadaan pesimis: Awalnya, dua peserta menyetor dana ( interaksi 1, 2), kemudian mulai bertukar pembaruan status ( garis putus-putus biru ). Misalkan pada suatu titik waktu, Bob tidak merespon tanda tangan pembaruan status yang dikirim Alice ( interaksi 3), pada saat itu, Alice dapat memulai tantangan dengan mengajukan status terakhirnya yang valid ke kontrak ( interaksi 4), status valid ini juga mencakup tanda tangan Bob sebelumnya, sehingga membuktikan bahwa transaksi terakhir telah menerima persetujuan Bob, dan status terakhir telah menerima konfirmasi dari Bob. Kemudian, kontrak mengizinkan Bob untuk merespon dalam periode tertentu dengan mengajukan status berikutnya kepada kontrak; jika Bob merespon, maka keduanya dapat melanjutkan transaksi dalam saluran status; jika Bob tidak merespon 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:

• Skalabilitas tinggi: dapat melakukan transaksi tanpa batasan
• Latensi rendah: transaksi diselesaikan secara instan
• Biaya rendah: transaksi off-chain pada dasarnya tidak memiliki biaya
• Privasi: transaksi off-chain tidak akan dicatat di rantai utama
• Ketersediaan: bahkan jika masalah terjadi pada rantai utama, saluran status tetap dapat digunakan

Kekurangan:

• Mengunci dana: Kedua belah pihak perlu mengunci dana
• Terus Online: Peserta perlu terus online untuk memantau status saluran
• Biaya pembuatan saluran: Membuka saluran memerlukan interaksi dengan rantai utama, biayanya cukup tinggi
• Penutupan keterlambatan: Menutup saluran memerlukan waktu tunggu untuk periode tantangan
• Pihak lawan terbatas: saluran hanya dapat bertransaksi dengan pihak lawan yang tetap
• Tidak cocok untuk penggunaan skala besar: tidak ramah bagi pengguna biasa

3.1.5 Aplikasi

Jaringan Lightning Bitcoin

Ringkasan:

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

Garis waktu:

• Pada bulan Februari 2015, Joseph Poon dan Thaddeus Dryja menerbitkan draf makalah putih jaringan Lightning;
• Pada Januari 2016, versi resmi buku putih dirilis dan Lightning Labs didirikan;
• Pada 15 Maret 2018, Lightning Labs merilis versi utama pertama dari jaringan Lightning, Lightning Network Daemon (LND) versi 0.4.
• Pada awal tahun 2021, kapasitas publik jaringan Lightning (TVL) hanya sekitar 40 juta dolar AS.