链下扩容深度解析

作者：Cobo Ventures

1. 扩容的必要性

区块链的未来愿景是去中心化、安全性和可扩展性。但通常区块链只能实现其中两个,同时满足这三个要求被称为区块链的不可能三角问题。多年来,人们一直在探索如何解决这一难题,如何在保证去中心化和安全性的前提下,提高区块链的吞吐量和交易速度,即解决扩容问题,是当前区块链发展过程中讨论的热点话题之一。

让我们先笼统地定义区块链的去中心化、安全性和可扩展性:

• 去中心化:任何人都可以成为节点参与区块链系统的生产和验证,节点数量越多,则去中心化程度越高,从而确保网络不受一小群大型中心化参与者的控制。

• 安全性:为了获取区块链系统控制权所付出的成本越高,则安全性越高,那么链就可以抵抗较大比例的参与者对其的攻击。

• 可扩展性:区块链处理大量交易的能力。

比特币网络的第一次重大硬分叉就是源于扩容问题。随着比特币的用户数量和交易量的增多,每个区块上限为 1MB 的比特币网络开始面临拥堵问题;2015 年开始,比特币社区就扩容问题存在分歧,一方是以 Bitcoin ABC 为代表的支持扩大区块的扩容派,另一方是以 Bitcoin Core 为代表的小区块派,认为应当使用隔离见证 Segwit 方案去优化主链结构。2017 年 8 月 1 日,Bitcoin ABC 自行开发至 8MB 的客户端系统开始运行,导致了比特币历史上第一次重大硬分叉的出现,同时也由此诞生了新币种 BCH。

同样,以太坊网络也是选择牺牲了一部分可扩展性,用来保障网络的安全性和去中心化;虽然以太坊网络并未像比特币网络一样通过限制区块大小来限定交易量,而是变相转变为对单一区块可容纳的燃料费设置上限,但是目的都是为了实现 Trustless Consensus 并确保节点的广泛分布。

从 2017 年的 CryptoKitties,DeFi summer、再到后来 GameFi 和 NFT 等链上应用的兴起,市场对吞吐量需求不断增加,但即使是图灵完备的以太坊每秒也只能处理 15~45 笔的交易,这导致的结果是交易成本不断增加,结算时间变长,大部分 Dapps 难以承受运行成本,整个网络对于用户而言也变的又慢又贵,区块链扩容问题亟待被解决。理想状态下的扩容方案是:在不牺牲去中心化和安全性的前提下,还能尽可能提高区块链网络的交易速度和交易吞吐量。

2. 扩容方案的类别

我们按照"是否改变一层主网"作为标准,把扩容方案分为链上扩容和链下扩容两大类。

2.1 链上扩容

核心概念:通过改变一层主网协议达到扩容效果的解决方案,目前的主要方案是分片。

链上扩容有多种方案,此篇文章不进行展开,以下简要列举两种方案:

• 方案一是扩大区块空间,即增加每个区块打包的交易数量,但这会提高对高性能节点设备的要求,提高节点的加入门槛,降低了"去中心化"程度。

• 方案二是分片,将区块链账本分成若干部分,不再是每个节点参与所有记账,而是由不同分片即不同节点负责不同记账,并行计算可以同时处理多个交易;这样可降低节点计算压力和加入门槛,提高交易处理速度和去中心化程度;但这意味着全网算力被分散,会降低整个网络的"安全性"。

改变一层主网协议的代码可能会产生难以预料的负面影响,因为底层任何细微的安全漏洞都会严重威胁整个网络的安全性,网络可能会被迫进行分叉或中断修复升级。例如,2018 年的 Zcash 的通胀漏洞事件:Zcash 的代码是基于比特币 0.11.2 版本代码修改的,2018 年一位工程师发现其底层代码存在高危漏洞,即代币可无限增发,随即团队花了 8 个月的时间进行秘密修补,漏洞修复后才公开这一事件。

2.2 链下扩容

核心概念:不改变现有一层主网协议的扩容解决方案。

链下扩容方案又可以细分为 Layer2 和其他方案:

• Layer 2: State Channels、Plasma、Rollups
• 其他方案: Sidechains、Validium

3. 链下扩容的方案

3.1 State Channels

3.1.1 概要

状态通道规定只有在通道打开、关闭或解决纠纷时,用户才需要与主网进行交互,并把用户与用户的交互放在链下进行,以此来降低用户交易的时间和金钱成本,并且实现交易次数不受限制。

状态通道是简单的 P2P 协议,适合"基于回合的应用程序",例如,两人国际象棋游戏。每个通道都由主网上运行的多签智能合约管理,该合约控制存入通道的资产,验证状态更新,并仲裁参与者之间的争议。参与者在区块链网络部署合约后,存入一笔资金并锁定,双方签名确认后,通道正式开通。通道允许参与者之间进行不限次数的链下免费交易。参与者轮流发送状态更新给对方,等待对方的签名确认。一旦对方签名确认,这笔状态更新就算完成。正常情况下,双方同意的状态更新不会上传主网,只有在出现争议或关闭通道时,才会依赖主网确认。需要关闭通道时,任一参与者可在主网提出交易请求,如果退出请求获得全员一致签名批准,则链上立即执行,即智能合约根据通道最终状态下每个参与者的余额,分发剩余的锁定资金;如果其他参与者没有签名批准,则所有人需等待"挑战期"的结束才能收到剩余资金。

综上,状态通道方案可以大大减少主网计算量,提升交易速度,降低交易成本。

3.1.2 时间线

• 2015/02,Joseph Poon 和 Thaddeus Dryja 发布了闪电网络白皮书草案。
• 2015/11,Jeff Coleman 首次系统性总结了 State Channel 的概念,提出比特币的 Payment Channel 是 State Channel 概念中的一个子案例。
• 2016/01,Joseph Poon 和 Thaddeus Dryja 正式发表白皮书《The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments》提出比特币闪电网络的扩容方案 Payment Channel。
• 2017/11,第一个基于 Payment Channel 框架下的有关 State Channel 的设计规范 Sprites 被提出。
• 2018/06,Counterfactual 提出了一个非常详细的 Generalized State Channels 设计,这是第一个完全与状态通道相关的设计。
• 2018/10,文章 Generalised State Channel Networks 提出 State Channel Networks 和 Virtual Channels 的概念。
• 2019/02,状态通道的概念扩展到 N-Party Channels,Nitro 是首个基于该想法建立的协议。
• 2019/10,Pisa 为了解决所有参与者需要持续在线的问题,拓展了 Watchtowers 的概念。
• 2020/03,Hydra 提出 Fast Isomorphic Channels。

3.1.3 技术原理

状态通道的核心原理是:

1. 参与者在主网智能合约中锁定资产,开通状态通道。

2. 参与者在链下进行状态更新交互,每次交互都需要双方签名确认。

3. 在需要关闭通道或发生争议时,将最终状态提交到主网合约进行验证和资产分配。

4. 如果出现争议,可以在挑战期内提交证据挑战。

状态通道的优点是可以实现链下的快速、低成本交易,缺点是参与者需要持续在线且存在流动性锁定问题。

3.1.4 优缺点

优点:

• 高吞吐量和低延迟
• 低交易成本
• 保护隐私

缺点:

• 参与者需持续在线
• 资金锁定
• 不适用于多方应用
• 需要事先存入资金

3.1.5 应用

主要应用包括:

1. 比特币闪电网络

• 用于比特币小额支付
• 2018年3月发布第一个主网版本
• 目前有约8万个支付通道,5000BTC锁定资金

2. 以太坊雷电网络

• 用于以太坊ERC20代币支付
• 2017年成立,2020年5月发布主网
• 目前使用较少

3. Celer Network

• 增加了激励层的通用状态通道网络
• 2018年成立,2019年上线主网
• 支持游戏、支付等多种应用场景

3.1.6 应用比较

比特币闪电网络、以太坊雷电网络和Celer Network在技术实现、应用场景和发展现状上存在一些差异。闪电网络发展较为成熟,雷电网络采用较少,Celer Network通过添加激励层拓展了应用场景。

3.2 Sidechains

3.2.1 概要

侧链是为了加快主链交易而出现的一种区块链形态,可以使用更复杂的合约,或通过改善共识机制,或区块参数让侧链符合特定作用。侧链的交易结果最终在传送回主链时,会记录在验证者端。这种区块链模式并非新的区块链形态,而是附着于主链上并协助主链解决问题的基础建设。

3.2.2 时间线

• 2012/01,比特币侧链的概念在聊天室中被提出
• 2014/10,比特币侧链的论文初次发表
• 2017/04,POA Network基于以太坊Proof of Authentication共识的一条侧链上线测试网
• 2017/10,Matic Network启动
• 2017/12,POA Network主网上线
• 2018/01,Skales测试网上线
• 2018/10,xDai Chain测试网上线
• 2020/06,Skale主网上线
• 2020/06,以太坊侧链Matic PoS Chain主网上线
• 2021/02,Matic Network品牌更名为Polygon Network
• 2021/02,Axie Infinity游戏侧链Ronin主网开始运行
• 2021/12,xDai Chain与Gnosis Dao合并成Gnosis Chain
• 2022/03,POA Network合并入Gnosis Chain

3.2.3 技术原理

侧链的核心原理是:

1. 主链锁定资产,侧链生成对应的资产。

2. 侧链独立运行,有自己的共识机制。

3. 侧链将状态变化定期提交回主链。

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