鏈下擴容深度解析

作者：Cobo Ventures

1. 擴容的必要性

區塊鏈的未來願景是去中心化、安全性和可擴展性。但通常區塊鏈只能實現其中兩個,同時滿足這三個要求被稱爲區塊鏈的不可能三角問題。多年來,人們一直在探索如何解決這一難題,如何在保證去中心化和安全性的前提下,提高區塊鏈的吞吐量和交易速度,即解決擴容問題,是當前區塊鏈發展過程中討論的熱點話題之一。

讓我們先籠統地定義區塊鏈的去中心化、安全性和可擴展性:

• 去中心化:任何人都可以成爲節點參與區塊鏈系統的生產和驗證,節點數量越多,則去中心化程度越高,從而確保網路不受一小羣大型中心化參與者的控制。

• 安全性:爲了獲取區塊鏈系統控制權所付出的成本越高,則安全性越高,那麼鏈就可以抵抗較大比例的參與者對其的攻擊。

• 可擴展性:區塊鏈處理大量交易的能力。

比特幣網路的第一次重大硬分叉就是源於擴容問題。隨着比特幣的用戶數量和交易量的增多,每個區塊上限爲 1MB 的比特幣網路開始面臨擁堵問題;2015 年開始,比特幣社區就擴容問題存在分歧,一方是以 Bitcoin BCH 爲代表的支持擴大區塊的擴容派,另一方是以 Bitcoin Core 爲代表的小區塊派,認爲應當使用隔離見證 Segwit 方案去優化主鏈結構。2017 年 8 月 1 日,Bitcoin BCH 自行開發至 8MB 的客戶端系統開始運行,導致了比特幣歷史上第一次重大硬分叉的出現,同時也由此誕生了新幣種 BCH。

同樣,以太坊網路也是選擇犧牲了一部分可擴展性,用來保障網路的安全性和去中心化;雖然以太坊網路並未像比特幣網路一樣通過限制區塊大小來限定交易量,而是變相轉變爲對單一區塊可容納的燃料費設置上限,但是目的都是爲了實現 Trustless Consensus 並確保節點的廣泛分布。

從 2017 年的 CryptoKitties,DeFi summer、再到後來 GameFi 和 NFT 等鏈上應用的興起,市場對吞吐量需求不斷增加,但即使是圖靈完備的以太坊每秒也只能處理 15~45 筆的交易,這導致的結果是交易成本不斷增加,結算時間變長,大部分 Dapps 難以承受運行成本,整個網路對於用戶而言也變的又慢又貴,區塊鏈擴容問題亟待被解決。理想狀態下的擴容方案是:在不犧牲去中心化和安全性的前提下,還能盡可能提高區塊鏈網路的交易速度和交易吞吐量。

2. 擴容方案的類別

我們按照"是否改變一層主網"作爲標準,把擴容方案分爲鏈上擴容和鏈下擴容兩大類。

2.1 鏈上擴容

核心概念:通過改變一層主網協議達到擴容效果的解決方案,目前的主要方案是分片。

鏈上擴容有多種方案,此篇文章不進行展開,以下簡要列舉兩種方案:

• 方案一是擴大區塊空間,即增加每個區塊打包的交易數量,但這會提高對高性能節點設備的要求,提高節點的加入門檻,降低了"去中心化"程度。

• 方案二是分片,將區塊鏈帳本分成若幹部分,不再是每個節點參與所有記帳,而是由不同分片即不同節點負責不同記帳,並行計算可以同時處理多個交易;這樣可降低節點計算壓力和加入門檻,提高交易處理速度和去中心化程度;但這意味着全網算力被分散,會降低整個網路的"安全性"。

改變一層主網協議的代碼可能會產生難以預料的負面影響,因爲底層任何細微的安全漏洞都會嚴重威脅整個網路的安全性,網路可能會被迫進行分叉或中斷修復升級。例如,2018 年的 Zcash 的通脹漏洞事件:Zcash 的代碼是基於比特幣 0.11.2 版本代碼修改的,2018 年一位工程師發現其底層代碼存在高危漏洞,即代幣可無限增發,隨即團隊花了 8 個月的時間進行祕密修補,漏洞修復後才公開這一事件。

2.2 鏈下擴容

核心概念:不改變現有一層主網協議的擴容解決方案。

鏈下擴容方案又可以細分爲 Layer2 和其他方案:

• Layer: State Channels、Plasma、Rollups
• 其他方案: Sidechains、Validium

3. 鏈下擴容的方案

3.1 State Channels

3.1.1 概要

狀態通道規定只有在通道打開、關閉或解決糾紛時,用戶才需要與主網進行交互,並把用戶與用戶的交互放在鏈下進行,以此來降低用戶交易的時間和金錢成本,並且實現交易次數不受限制。

狀態通道是簡單的 P2P 協議,適合"基於回合的應用程序",例如,兩人國際象棋遊戲。每個通道都由主網上運行的多籤智能合約管理,該合約控制存入通道的資產,驗證狀態更新,並仲裁參與者之間的爭議。參與者在區塊鏈網路部署合約後,存入一筆資金並鎖定,雙方籤名確認後,通道正式開通。通道允許參與者之間進行不限次數的鏈下免費交易。參與者輪流發送狀態更新給對方,等待對方的籤名確認。一旦對方籤名確認,這筆狀態更新就算完成。正常情況下,雙方同意的狀態更新不會上傳主網,只有在出現爭議或關閉通道時,才會依賴主網確認。需要關閉通道時,任一參與者可在主網提出交易請求,如果退出請求獲得全員一致籤名批準,則鏈上立即執行,即智能合約根據通道最終狀態下每個參與者的餘額,分發剩餘的鎖定資金;如果其他參與者沒有籤名批準,則所有人需等待"挑戰期"的結束才能收到剩餘資金。

綜上,狀態通道方案可以大大減少主網計算量,提升交易速度,降低交易成本。

3.1.2 時間線

• 2015/02,Joseph Poon 和 Thaddeus Dryja 發布了閃電網絡白皮書草案。
• 2015/11,Jeff Coleman 首次系統性總結了 State Channel 的概念,提出比特幣的 Payment Channel 是 State Channel 概念中的一個子案例。
• 2016/01,Joseph Poon 和 Thaddeus Dryja 正式發表白皮書《The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments》提出比特幣閃電網絡的擴容方案 Payment Channel。
• 2017/11,第一個基於 Payment Channel 框架下的有關 State Channel 的設計規範 Sprites 被提出。
• 2018/06,Counterfactual 提出了一個非常詳細的 Generalized State Channels 設計,這是第一個完全與狀態通道相關的設計。
• 2018/10,文章 Generalised State Channel Networks 提出 State Channel Networks 和 Virtual Channels 的概念。
• 2019/02,狀態通道的概念擴展到 N-Party Channels,Nitro 是首個基於該想法建立的協議。
• 2019/10,Pisa 爲了解決所有參與者需要持續在線的問題,拓展了 Watchtowers 的概念。
• 2020/03,Hydra 提出 Fast Isomorphic Channels。

3.1.3 技術原理

狀態通道的核心原理是:

1. 參與者在主網智能合約中鎖定資產,開通狀態通道。

2. 參與者在鏈下進行狀態更新交互,每次交互都需要雙方籤名確認。

3. 在需要關閉通道或發生爭議時,將最終狀態提交到主網合約進行驗證和資產分配。

4. 如果出現爭議,可以在挑戰期內提交證據挑戰。

狀態通道的優點是可以實現鏈下的快速、低成本交易,缺點是參與者需要持續在線且存在流動性鎖定問題。

3.1.4 優缺點

優點:

• 高吞吐量和低延遲
• 低交易成本
• 保護隱私

缺點:

• 參與者需持續在線
• 資金鎖定
• 不適用於多方應用
• 需要事先存入資金

3.1.5 應用

主要應用包括:

1. 比特幣閃電網絡

• 用於比特幣小額支付
• 2018年3月發布第一個主網版本
• 目前有約8萬個支付通道,5000BTC鎖定資金

2. 以太坊雷電網絡

• 用於以太坊ERC20代幣支付
• 2017年成立,2020年5月發布主網
• 目前使用較少

3. Celer Network

• 增加了激勵層的通用狀態通道網路
• 2018年成立,2019年上線主網
• 支持遊戲、支付等多種應用場景

3.1.6 應用比較

比特幣閃電網絡、以太坊雷電網絡和Celer Network在技術實現、應用場景和發展現狀上存在一些差異。閃電網絡發展較爲成熟,雷電網絡採用較少,Celer Network通過添加激勵層拓展了應用場景。

3.2 Sidechains

3.2.1 概要

側鏈是爲了加快主鏈交易而出現的一種區塊鏈形態,可以使用更復雜的合約,或通過改善共識機制,或區塊參數讓側鏈符合特定作用。側鏈的交易結果最終在傳送回主鏈時,會記錄在驗證者端。這種區塊鏈模式並非新的區塊鏈形態,而是附着於主鏈上並協助主鏈解決問題的基礎建設。

3.2.2 時間線

• 2012/01,比特幣側鏈的概念在聊天室中被提出
• 2014/10,比特幣側鏈的論文初次發表
• 2017/04,POA Network基於以太坊Proof of Authentication共識的一條側鏈上線測試網
• 2017/10,Matic Network啓動
• 2017/12,POA Network主網上線
• 2018/01,Skales測試網上線
• 2018/10,xDai Chain測試網上線
• 2020/06,Skale主網上線
• 2020/06,以太坊側鏈Matic PoS Chain主網上線
• 2021/02,Matic Network品牌更名爲Polygon Network
• 2021/02,Axie Infinity遊戲側鏈Ronin主網開始運行
• 2021/12,xDai Chain與Gnosis Dao合並成Gnosis Chain
• 2022/03,POA Network合並入Gnosis Chain

3.2.3 技術原理

側鏈的核心原理是:

1. 主鏈鎖定資產,側鏈生成對應的資產。

2. 側鏈獨立運行,有自己的共識機制。

3. 側鏈將狀態變化定期提交回主鏈。

4