鏈下擴容深度解析

1. 擴容的必要性

區塊鏈的未來願景是實現去中心化、安全性和可擴展性。但通常只能滿足其中兩個,這被稱爲區塊鏈的不可能三角問題。目前區塊鏈發展的熱點話題之一,是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。

區塊鏈的去中心化、安全性和可擴展性定義:

• 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,節點數量越多去中心化程度越高。

• 安全性:爲獲取區塊鏈系統控制權所付出的成本越高,安全性越高,鏈就可以抵抗較大比例參與者的攻擊。

• 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源於擴容問題。隨着用戶數量和交易量增多,1MB區塊容量限制導致網路擁堵。2015年開始,比特幣社區就擴容問題產生分歧,最終導致2017年8月1日比特幣發生首次重大硬分叉,誕生了BCH。

以太坊網路也選擇犧牲一部分可擴展性來保障安全性和去中心化。從2017年的CryptoKitties,到DeFi summer和後來的GameFi、NFT,市場對吞吐量需求不斷增加。但以太坊每秒只能處理15-45筆交易,導致交易成本增加、結算時間變長,大部分DApps難以承受運行成本。理想的擴容方案是在不犧牲去中心化和安全性的前提下,提高交易速度和吞吐量。

2. 擴容方案的類別

按照"是否改變一層主網"可將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。

鏈上擴容主要有兩種方案:

1. 擴大區塊空間,增加每個區塊打包的交易數量,但會提高節點設備要求,降低去中心化程度。

2. 分片,將區塊鏈帳本分成若幹部分,由不同節點負責不同記帳,可降低節點計算壓力和加入門檻,但會降低整個網路的安全性。

改變一層主網協議可能產生難以預料的負面影響,底層細微的安全漏洞都會嚴重威脅整個網路安全。

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。

鏈下擴容方案可細分爲Layer2和其他方案:

Layer2:

• 狀態通道
• 側鏈
• Plasma
• Rollups(優化的Rollup和零知識Rollup)

其他:

• 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,用戶才需要與主網交互,用戶間的交互放在鏈下進行,以降低交易時間和成本,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",如兩人國際象棋遊戲。每個通道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,並仲裁參與者間的爭議。參與者在區塊鏈網路部署合約後,存入資金並鎖定,雙方籤名確認後通道正式開通。通道允許參與者間進行不限次數的鏈下免費交易(只要轉帳淨值不超過存入的代幣總額)。參與者輪流發送狀態更新並等待對方籤名確認。正常情況下,雙方同意的狀態更新不會上傳主網,只有出現爭議或關閉通道時才依賴主網確認。關閉通道時,任一參與者可在主網提出交易請求,如獲全員籤名批準則立即執行,否則需等待"挑戰期"結束才能收到剩餘資金。

狀態通道可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發布閃電網絡白皮書草案。

• 2015/11:Jeff Coleman首次系統性總結State Channel概念,提出比特幣Payment Channel是State Channel的子案例。

• 2016/01:Joseph Poon和Thaddeus Dryja正式發表比特幣閃電網絡白皮書,提出Payment Channel擴容方案。

• 2017/11:提出第一個基於Payment Channel框架的State Channel設計規範Sprites。

• 2018/06:Counterfactual提出詳細的Generalized State Channels設計。

• 2018/10:提出State Channel Networks和Virtual Channels概念。

• 2019/02:狀態通道概念擴展到N-Party Channels,Nitro是首個基於該想法建立的協議。

• 2019/10:Pisa爲解決參與者持續在線問題,拓展了Watchtowers概念。

• 2020/03:Hydra提出Fast Isomorphic Channels。

3.1.3 技術原理

狀態通道工作流程:

1. Alice和Bob通過從EOA存入資金到鏈上合約地址開通狀態通道。

2. Alice和Bob可在鏈下開展不限次數交易,通過加密籤名消息相互通信。雙方都需對每筆交易籤名以防雙花作惡。

3. 如Alice想關閉通道,需向合約提交最終狀態。如Bob籤名批準,合約則根據最終狀態釋放鎖定資金。如Bob未響應,合約在挑戰期結束後釋放資金。

悲觀情況下,如Bob在某輪不響應Alice的狀態更新籤名,Alice可向合約提交最後一次有效狀態發起挑戰。合約允許Bob在一段時間內通過提交下一個狀態響應。如Bob響應,雙方可繼續交易;如未響應,合約自動關閉通道並將資金返回Alice。

3.1.4 優缺點

優點:

• 即時確認
• 高吞吐量
• 低手續費
• 隱私性好

缺點:

• 可用性差
• 資金效率低
• 難以處理大額交易
• 不適用復雜智能合約

3.1.5 應用

比特幣閃電網絡:

• 2015年2月白皮書草稿發布
• 2016年1月正式版白皮書發布,Lightning Labs成立
• 2018年3月發布首個主網版本LND 0.4
• 2021年6月薩爾瓦多採用比特幣爲法定貨幣,9月發布閃電網絡錢包Chivo
• 2022年多家交易所支持閃電網絡存取款
• 2022年11月,閃電網絡有76,236個支付通道,通道資金5049 BTC

生態發展:

• 底層:BTC網路
• 核心基礎設施:閃電網絡解決方案、節點和流動性服務
• 上層應用:支付和金融服務等

以太坊雷電網絡:

• 2017年成立,創始人是以太坊核心開發者
• 2017年10月ICO籌集超3000萬美元
• 2020年5月首個Raiden Light Client上線
• 2021年底多交易所將RDN代幣摘牌

未獲廣泛採用原因:

• 使用門檻高
• 出現更先進的擴容技術

目前生態發展緩慢,正在改造爲運行在以太坊L2 Rollup網路上的擴容方案。

Celer Network:

• 本質是增加激勵層的閃電網絡
• 通過鏈外擴展技術和激勵性經濟模型構建快速、低成本的高頻交互類DApps
• 適用於電競平台等高交互頻率場景
• 2018年創立,2019年3月代幣發行
• 2019年7月以太坊主網上線
• 目前已轉型爲支持跨鏈的L2擴容聚合平台

3.1.6 應用比較

比特幣閃電網絡:

• 最成熟的狀態通道實現
• 應用廣泛,生態豐富

以太坊雷電網絡:

• 生態發展停滯
• 正轉型爲L2 Rollup方案

Celer Network:

• 增加了激勵層設計
• 已轉型爲跨鏈L2聚合平台

3.2 Sidechains

3.2.1 概要

側鏈概念於2012年在比特幣開發者聊天室中被首次提出,2014年發表首篇相關論文。

側鏈是爲加快比特幣交易而出現的區塊鏈形態,可使用更復雜的合約或改善共識機制。側鏈交易結果最終會記錄在驗證者端。這種模式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:比特幣側鏈概念在聊天室提出
• 2014/10:比特幣側鏈論文發表
• 2017/04:POA Network測試網上線
• 2017/10:Matic Network啓動
• 2017/12:POA Network主網上線
• 2018/01:Skale測試網上線
• 2018/10:xDai Chain測試網上線
• 2020/06:Skale主網上線
• 2020/06:Matic PoS Chain主網上線
• 2021/02:Matic更名爲Polygon
• 2021/02:Axie Infinity的Ronin側鏈上線
• 2021/12:xDai Chain與Gnosis Dao合並
• 2022/03:POA Network合並入Gnosis Chain

3.2.3 技術原理

側鏈主要有兩種與主鏈溝通的方式:

1. 雙向錨定(Symmetric Pegged): 主鏈和側鏈的驗證者實時記錄對方當前狀態。使用雙向SPV技術,主鏈token發送到側鏈時產生SPV-Locked Output,只有側鏈驗證者可用SPV證明解鎖。

主要流程:

• 用戶將資產發送到SPV-Locked Output特殊地址
• 等待confirmation period後向側鏈提交SPV證明
• 等待contest period避免雙花攻擊
• 完成後用戶可在側鏈使用新鑄造的封裝資產

2. 不協調錨定(Asymmetric Pegged): 側鏈驗證者實時監控主鏈活動。主鏈向側鏈轉帳時側鏈可主動記錄,但側鏈向主鏈轉帳時需引入Certifiers機制。Certifiers記錄關鍵信息並通過聚合籤名驗證側鏈傳回的交易。

簡單來說側鏈機制:

• 主鏈->側鏈:主鏈鎖定資產,側鏈生成封裝資產
• 側鏈->主鏈:側鏈銷毀封裝資產,主鏈解鎖資產

側鏈資產安全性取決於側鏈共識機制。如側鏈生成與主鏈不符的資產,再銷毀這些資產向主鏈提出解鎖,會有竊取資金風險。

3.2.4 優缺點

優點:

• 靈活性高
• 減輕主鏈負擔
• 可升級性強
• 兼容性好

缺點:

• 去中心化程度低
• 安全性相對較低
• 需要信任側鏈驗證者
• 跨鏈轉帳