off-chain ölçeklendirme Derinlik analizi

Yazar: Cobo Ventures

1. Genişlemenin Gerekliliği

Blockchain'ın geleceği büyük bir vizyon: merkeziyetsizlik, güvenlik ve ölçeklenebilirlik; ancak genellikle blockchain bunlardan sadece ikisini gerçekleştirebiliyor, bu üç talebi karşılamanın imkansızlık üçgeni problemi olarak adlandırılıyor. Yıllardır insanlar bu sorunu çözmenin yollarını araştırıyor, merkeziyetsizlik ve güvenliği sağlarken, blockchain'in işlem hacmini ve işlem hızını artırmak, yani ölçeklenebilirlik sorununu çözmek, şu anda blockchain gelişim sürecinde tartışılan en sıcak konulardan biri.

Blockchain'in merkeziyetsizliğini, güvenliğini ve ölçeklenebilirliğini genel hatlarıyla tanımlayalım:

• Merkeziyetsizlik: Herkes, blockchain sisteminin üretim ve doğrulamasına katılmak için bir düğüm olabilmektedir; düğüm sayısı ne kadar fazla olursa, merkeziyetsizlik derecesi o kadar yüksek olur ve böylece ağın küçük bir grup büyük merkezi katılımcı tarafından kontrol edilmesini engeller.

• Güvenlik: Bir blockchain sistemi kontrolünü elde etmek için harcanan maliyet ne kadar yüksekse, güvenlik o kadar yüksektir, bu nedenle ağ, katılımcıların büyük bir oranının saldırılarına karşı dayanabilir.

• Ölçeklenebilirlik: Blockchain'in büyük miktarda işlemi işleme yeteneği.

Bitcoin ağındaki ilk büyük sert çatallanma, ölçeklenme sorunundan kaynaklanmıştır. Bitcoin kullanıcı sayısı ve işlem hacmi arttıkça, her blokta maksimum 1MB olan Bitcoin ağı tıkanıklık sorunlarıyla karşılaşmaya başladı; 2015 yılında, Bitcoin topluluğu ölçeklenme sorununda ayrılığa düştü. Bir taraf, Bitcoin ABC'nin temsil ettiği genişletilmiş blokları destekleyen ölçeklenme yanlıları, diğer taraf ise Bitcoin Core'un temsil ettiği küçük blok yanlılarıdır. Küçük blok yanlıları, ana zincir yapısını optimize etmek için Segwit çözümünün kullanılmasını savunuyor. 1 Ağustos 2017'de, Bitcoin ABC 8MB'ye kadar kendi geliştirdiği istemci sistemini çalıştırmaya başladı ve bu durum, Bitcoin tarihindeki ilk büyük sert çatallanmanın ortaya çıkmasına neden oldu. Bu çatallanma ayrıca yeni bir kripto para birimi olan BCH'nin doğmasına yol açtı.

Aynı şekilde, Ethereum ağı da güvenlik ve merkeziyetsizlik sağlamak için bir miktar ölçeklenebilirlikten vazgeçmeyi seçmiştir; Ethereum ağı, Bitcoin ağı gibi blok boyutunu sınırlayarak işlem hacmini kısıtlamamış, aksine tek bir blokta yer alabilecek yakıt ücretine bir üst sınır koyarak dolaylı olarak bu dönüşümü gerçekleştirmiştir, ancak amaç yine de Trustless Consensus'u sağlamak ve düğümlerin geniş bir dağılımını garanti etmektir. ( Sınırın kaldırılması veya artırılması, birçok bant genişliği, depolama ve hesaplama gücü yetersiz daha küçük düğümlerin elenmesine yol açacaktır. ).

2017 yılındaki CryptoKitties, DeFi yazı, ardından GameFi ve NFT gibi zincir üstü uygulamaların yükselişi ile birlikte, piyasada işlem hacmine olan talep sürekli artmakta, ancak Turing tam Ethereum bile saniyede yalnızca 15~45 işlem ( TPS ) gerçekleştirebilmektedir. Bunun sonucu olarak işlem maliyetleri sürekli artmakta, işlem süreleri uzamakta, çoğu Dapp işletme maliyetlerini karşılamakta zorlanmakta ve tüm ağ, kullanıcılar için hem yavaş hem de pahalı hale gelmektedir. Blok zinciri ölçeklendirme sorunu acilen çözülmelidir. İdeal bir ölçeklendirme çözümü, merkeziyetsizlik ve güvenlikten ödün vermeden, blok zinciri ağının işlem hızını ( daha kısa finalite süresi ) ve işlem hacmini ( daha yüksek TPS ) artırabilmelidir.

2. Ölçeklenebilirlik Çözüm Kategorileri

"Ana ağın bir katmanını değiştirip değiştirmeme" standardını takip ederek, ölçeklendirme çözümlerini on-chain ve off-chain olarak iki ana kategoriye ayırdık.

2.1 Zincir üzerinde genişleme

Kilit Kavram: Bir ana ağ protokolünün bir katmanını değiştirerek ölçeklenebilirlik etkisi elde etme çözümü, mevcut ana çözüm parçalama (sharding) sistemidir.

Zincir üzerinde ölçeklendirme için çeşitli çözümler vardır, bu makalede genişletilmeyecek, aşağıda iki çözüm kısaca listelenmiştir:

• Plan bir, blok alanını genişletmektir, yani her blokta paketlenen işlem sayısını artırmaktır, ancak bu, yüksek performanslı düğüm cihazlarına olan gereksinimleri artıracak, düğümlerin katılım eşiğini yükseltecek ve "merkeziyetsizlik" derecesini azaltacaktır.

• İkinci seçenek parçalama, blok zinciri defterini birkaç parçaya ayırmak, artık her düğümün tüm muhasebe işlemlerine katılmaması, bunun yerine farklı parçaların yani farklı düğümlerin farklı muhasebe işlemlerinden sorumlu olmasıdır, paralel hesaplama aynı anda birden fazla işlemi işleyebilir; bu, düğümlerin hesaplama baskısını ve katılım eşiğini azaltabilir, işlem işleme hızını ve merkezsizlik derecesini artırabilir; ancak bu, ağın toplam hesaplama gücünün dağılacağı anlamına gelir, bu da tüm ağın "güvenliğini" azaltacaktır.

Ana ağ protokolünün kodunu değiştirmek, temelinde herhangi bir küçük güvenlik açığının tüm ağın güvenliğine ciddi şekilde tehdit oluşturabileceği için öngörülemeyen olumsuz etkiler yaratabilir. Ağ, bir çatallaşmaya veya kesintili onarım güncellemesine zorlanabilir. Örneğin, 2018'deki Zcash enflasyon açığı olayı: Zcash'in kodu Bitcoin 0.11.2 sürüm kodunun değiştirilmesiyle oluşturulmuştur. 2018'de bir mühendis, temel kodda yüksek riskli bir açığın bulunduğunu fark etti, yani token'lar sonsuz bir şekilde artırılabilir. Bunun üzerine ekip, açığı gizlice onarmak için 8 ay harcadı ve açığın düzeltilmesinden sonra bu olayı kamuya açıkladı.

2.2 off-chain genişleme

Kilit kavram: Mevcut birinci katman ana ağ protokolünü değiştirmeden ölçeklendirme çözümü.

off-chain ölçeklendirme çözümleri, Layer2 ve diğer çözümler olarak daha da alt gruplara ayrılabilir:

3. Off-chain ölçeklenme çözümü

3.1 Durum Kanalları

3.1.1 Özet

Durum kanalları, yalnızca kanal açıldığında, kapandığında veya ihtilaf çözüldüğünde kullanıcıların ana ağ ile etkileşime girmesi gerektiğini belirtir ve kullanıcılar arasındaki etkileşimi off-chain gerçekleştirmeyi sağlar, böylece kullanıcı işlemlerinin zaman ve maliyetini azaltır ve işlem sayısının sınırsız olmasını sağlar.

Durum kanalları, "tur bazlı uygulamalar" için uygun basit P2P protokolleridir, örneğin, iki kişilik satranç oyunu. Her kanal, ana ağda çalışan çoklu imza akıllı sözleşmeleri tarafından yönetilir; bu sözleşme, kanala yatırılan varlıkları kontrol eder, durum güncellemelerini doğrular ve katılımcılar arasındaki anlaşmazlıkları ( imzalı ve zaman damgalı dolandırıcılık kanıtına göre ) hakemlik yapar. Katılımcılar, blok zinciri ağına sözleşme dağıttıktan sonra bir miktar fon yatırır ve kilitler, her iki tarafın imza onayından sonra kanal resmi olarak açılır. Kanal, katılımcılar arasında, yatırılan token toplamını ( aşmadığı sürece, sınırsız sayıda off-chain ücretsiz işlem yapılmasına olanak tanır ). Katılımcılar sırayla birbirlerine durum güncellemeleri gönderir, karşı tarafın imza onayını bekler. Karşı taraf imza onayını verdikten sonra, bu durum güncellemesi tamamlanmış sayılır. Normalde, tarafların kabul ettiği durum güncellemeleri ana ağa yüklenmez; yalnızca bir anlaşmazlık çıktığında veya kanal kapandığında ana ağ onayına başvurulur. Kanalı kapatmak gerektiğinde, herhangi bir katılımcı ana ağda işlem talebi yapabilir; eğer çıkış talebi tüm katılımcıların imza onayı alırsa, zincir üzerinde hemen uygulanır ve akıllı sözleşme, kanalın son durumuna göre her katılımcının bakiyesine göre kilitli kalan fonları dağıtır; diğer katılımcılar imza onayı vermezse, herkes "meydan okuma süresi" sona erene kadar kalan fonları almak için beklemek zorundadır.

Yukarıda belirtilenler, durum kanalı çözümünün ana ağın hesaplama yükünü büyük ölçüde azaltabileceğini, işlem hızını artırabileceğini ve işlem maliyetlerini düşürebileceğini göstermektedir.

3.1.2 Zaman Çizgisi

• 2015/02, Joseph Poon ve Thaddeus Dryja, Lightning Network beyaz kağıdı taslağını yayınladılar.

• 2015/11, Jeff Coleman ilk kez State Channel kavramını sistematik bir şekilde özetledi ve Bitcoin'in Payment Channel'ının State Channel kavramının bir alt durumu olduğunu öne sürdü.

• 2016/01, Joseph Poon ve Thaddeus Dryja, Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments başlıklı beyaz kitaplarını yayımlayarak Bitcoin Lightning Network'ün genişletme çözümünü Payment Channel( ödeme kanalı) olarak önerdiler. Bu çözüm, yalnızca Bitcoin ağı üzerindeki transfer ödemelerini işlemek için kullanılmaktadır.

• 2017/11, Payment Channel çerçevesine dayanan ilk State Channel tasarım standardı Sprites önerildi.

• 2018/06, Counterfactual çok ayrıntılı bir Genel Devlet Kanalları tasarımı sundu, bu, durum kanallarıyla tamamen ilgili olan ilk tasarımdır.

• 2018/10, makale Generalised State Channel Networks, State Channel Networks ve Sanal Kanalların kavramını ortaya koydu.

• 2019/02, durum kanallarının kavramı N-Party Channels'a genişletildi, Nitro bu fikre dayanan ilk protokoldür.

• 2019/10, Pisa, tüm katılımcıların sürekli çevrimiçi olma ihtiyacını çözmek için Watchtowers kavramını genişletti.

• 2020/03, Hydra Hızlı İzomorfik Kanallarını önerdi.

3.1.3 Teknik Prensip

Durum kanallarının temel çalışma akışı aşağıdaki gibidir:

1. Alice ve Bob, kişisel EOA'larından fonları zincir üzerindeki sözleşme adresine yatırarak, bu fonlar sözleşmede kilitlenir ve yalnızca kanal kapandığında bakiyeler kullanıcıya iade edilir; ikili imzalı onay verdikten sonra, ikisi arasında durum kanalı resmi olarak açılır.

2. Alice ve Bob, bu kanal aracılığıyla teorik olarak off-chain sınırsız sayıda işlem gerçekleştirebilirler, katılımcılar birbirleriyle şifreli imza mesajları ile iletişim kurarlar (, blok zincir ağı ile değil ). Her iki kullanıcı da her işlem için imza atmak zorundadır, böylece çift harcama kötü niyetine karşı korunmuş olur. Bu mesajlar aracılığıyla, hesap durumlarını güncellemeyi önerirler ve diğer tarafın önerdiği durum güncellemelerini kabul ederler.

3. Eğer Alice, Bob ile olan işlemi sonlandırmak istiyorsa, Alice, sözleşmeye kendi hesabının nihai durumunu sunmalıdır. Eğer Bob imzasını onaylarsa, sözleşme nihai duruma göre kilitlenmiş fonları ilgili kullanıcıya iade edecektir. Eğer Bob imzaya yanıt vermezse, sözleşme itiraz süresi sona erdikten sonra kilitlenmiş fonları ilgili kullanıcıya iade edecektir.

3.1.4 Artıları ve Eksileri

Avantajlar:

• Anlık işlem onayı, işlem hızı hızlı
• Düşük işlem ücreti
• Yüksek gizlilik, ara durumlar kamuya açık değil
• İyi ölçeklenebilirlik, teorik olarak sonsuz işlem destekler.

Eksiler:

• Fonların kilitlenmesi gerekiyor
• Tüm katılımcıların çevrimiçi kalması gerekmektedir.
• Kanal kullanılabilirliği sınırlı, fon tahsisi esnek değil
• Çok sayıda kullanıcı arasında işlem yapılamıyor

3.1.5 Uygulama

Başlıca uygulamalar arasında Bitcoin Lightning Network, Ethereum Lightning Network ve Celer Network bulunmaktadır.

Örnek olarak Bitcoin Lightning Network:

• 2015 yılında kavram önerildi
• 2018 Mart ayında ilk ana ağ sürümü yayımlandı
• 2021 yılının Haziran ayında El Salvador, Bitcoin'i yasal para birimi olarak kabul etti ve Lightning Network tabanlı cüzdanlar kullandı.
• Kasım 2022'de, Lightning Network'te toplam 76,236 ödeme kanalı bulunuyordu, kanal fonları 5049 BTC( yaklaşık 81.8 milyon $)

Lightning Network ekosistemi aşağıdan yukarıya doğru şu şekilde sıralanır: temel BTC ağı, temel altyapı, çeşitli uygulamalar. Şu anda 100'den fazla uygulama mevcut, ödeme, cüzdan, düğüm yönetimi gibi birçok kategoriyi kapsıyor.

3.1.6 Uygulama Karşılaştırması

Bitcoin Lightning Network, Ethereum Lightning Network ve Celer Network tasarım felsefesi, uygulama alanları ve gelişim düzeyleri açısından bazı farklılıklar göstermektedir:

• Lightning Network, Bitcoin küçük ödemelerine odaklanıyor.
• Şimşek Ağı, Ethereum üzerindeki ERC20 token ödemelerini destekler.
• Celer Network daha genel, ödeme ve karmaşık akıllı sözleşme etkileşimlerini destekliyor

Genel olarak, durum kanalı teknolojisi hala sürekli gelişim aşamasındadır ve gelecekte küçük miktar yüksek frekanslı ödemeler gibi senaryolarda daha geniş bir uygulama bulması beklenmektedir.

3.2 Yan Zincirler

3.2.1 Özet

Yan zinciri, Bitcoin işlemlerini hızlandırmak amacıyla ortaya çıkan bir blockchain biçimidir; daha karmaşık sözleşmeler kullanılabilir veya konsensüs mekanizması ( gibi PoS ) ile iyileştirilebilir ya da blok parametreleri yan zincirin belirli bir işlevi yerine getirmesini sağlamak için düzenlenebilir. Yan zincirin işlem sonuçları nihayetinde ana zincire geri gönderildiğinde, doğrulayıcı tarafında kaydedilecektir. Bu blockchain modeli, yeni bir blockchain biçimi değil, ana zincire eklenen ve ana zincirin sorunlarını çözmesine yardımcı olan bir altyapıdır.

3.2.2 Zaman Çizelgesi

• 2012/01, Bitcoin yan zinciri kavramı sohbet odasında ortaya atıldı
• 2014/10, Bitcoin yan zinciri üzerine makale ilk kez yayımlandı: Symmetric Pegged ve Asymmetric Pegged
• 2017/04, POA Network Ethereum Tabanlı Proof of Authentication Konsensüsüne dayanan bir