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。但通常只能同時滿足其中兩個,這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。

讓我們先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,節點數量越多,去中心化程度越高。

• 安全性:獲取區塊鏈系統控制權的成本越高,安全性越高,鏈可以抵抗較大比例的攻擊。

• 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源於擴容問題。隨着用戶數量和交易量增多,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,一方支持擴大區塊,另一方支持使用隔離見證方案優化主鏈結構。2017年8月1日,支持擴大區塊的一方開發了8MB的客戶端系統並運行,導致比特幣出現第一次重大硬分叉,同時誕生了新幣種BCH。

以太坊網路也選擇犧牲了一部分可擴展性來保障網路安全性和去中心化。雖然以太坊未像比特幣那樣限制區塊大小,但通過設置單一區塊燃料費上限來限定交易量,目的都是爲了實現無需信任的共識並確保節點廣泛分布。

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,但以太坊每秒只能處理15-45筆交易。這導致交易成本不斷增加,結算時間變長,大部分Dapps難以承受運行成本,整個網路變得又慢又貴,亟待解決擴容問題。理想的擴容方案是:在不犧牲去中心化和安全性的前提下,盡可能提高區塊鏈網路的交易速度和吞吐量。

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,此篇文章不展開,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,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。

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:

Layer2:

• State Channels
• Plasma
• Rollups
  • Optimistic Rollups
  • ZK Rollups

其他:

• 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,用戶才需要與主網交互,並把用戶之間的交互放在鏈下進行,以此來降低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(只要他們的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(支付通道),該方案僅用於處理比特幣網路上的轉帳支付。

• 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

狀態通道的一般工作流程:

1. Alice和Bob通過從個人帳戶存入資金到鏈上合約地址,這些資金被鎖定在合約中,直到通道關閉時才將餘額返回給用戶;二人籤名確認後,二人之間的狀態通道正式開通。

2. Alice和Bob可以在鏈下開展不限次數的交易,參與者通過加密的籤名消息相互通信(而不是與區塊鏈網路通信)。雙方用戶都需要對每筆交易進行籤名,以防止雙花作惡。通過這些消息,他們提出自己帳戶的狀態更新,並接受對方提出的狀態更新。

3. 如果Alice想關閉通道結束和Bob之間的交易,Alice需要向合約提交自己帳戶的最終狀態,如果Bob籤名批準,合約則會根據最終狀態將鎖定的資金釋放返回對應用戶。如果Bob未響應籤名,合約則會在挑戰期結束後將鎖定的資金釋放返回對應用戶。

3.1.4 優缺點

優點:

• 即時確認交易
• 高吞吐量
• 低手續費
• 保護隱私

缺點:

• 需要鎖定資金
• 需要持續在線監控
• 基礎設施門檻高
• 無法進行復雜操作
• 需要線下協調
• 無法支持多方協作

3.1.5 應用

比特幣閃電網絡

概述: 閃電網絡是比特幣網路的小額支付通道,其整體技術演變經歷:2/2多籤構建單向支付通道,增加RSMC後可構建雙向支付通道,再增加HTLC後可連接支付通道拓展到多人支付,最終構建支付網絡即閃電網絡。通過鏈下小額支付通道,然後借助中間人構成交易網路,可以解決比特幣網路擴容問題。閃電網絡的整體使用遵循着"存款(建立通道)→閃電網絡交易(更新通道狀態)→退款/結算(結束通道)"的流程;理論上閃電網絡每秒可以處理一百萬筆交易。

時間線:

• 2015年2月,Joseph Poon和Thaddeus Dryja發布了閃電網絡白皮書的草稿;
• 2016年1月發布正式版白皮書並成立了Lightning Labs;
• 2018年3月15日,Lightning Labs發布第一個閃電網絡主網版本Lightning Network Daemon (LND) 0.4版本。
• 2021年初,閃電網絡的公共容量(TVL)只有約4000萬美元,約不到10萬用戶使用閃電網絡。
• 2021年6月,薩爾瓦多宣布採用比特幣作爲法定貨幣,9月發布基於閃電網絡的錢包Chivo。
• 2022年,Cash App和包括OKX、Kraken、Bitfinex在內的26個加密貨幣交易平台宣布支持閃電網絡,實現即時且便宜的的BTC存取款和轉帳功能。
• 2022年10月,Lightning Labs發布了基於Taproot的新協議------Taro protocol(alpha版本),目前正在測試網上進行測試,未來將可用於在比特幣網路上鑄造、發送和接收資產,並通過閃電網絡執行即時、大容量和低費用的交易。
• 2022年11月23日,根據1ml.com,閃電網絡共有76,236個支付通道,通道資金5049 $BTC($81.8M)。

生態發展: BTC閃電網絡生態從下到上依次爲:底層的BTC網路---核心基礎設施---各種Dapps。

核心基礎設施包括

• 閃電網絡解決方案:個人和企業可以運行、連接到閃電網絡的軟件程序,其中所佔市場份額最大的是閃電實驗室Lightning Labs。
• 節點和流動性服務:因爲用戶獨立運行自己的節點較爲復雜,需要提供對用戶較爲友好的界面,幫助管理閃電支付渠道。

核心基礎設施之上是各種支付和金融服務以及應用程序,例如,Strike建立在LND解決方案之上允許用戶買賣BTC,在Twitter上使用BTC打賞創作者和允許Shopify商家接受BTC等。

截止2022年11月,基於比特幣閃電網絡的Dapps已增漲至超20個類別和100多個應用,應用類別主要包括比特幣閃電網絡支付、錢包、節點管理、瀏覽器擴展程序、播客和流媒體等。當前與節點基礎設施相關的技術基礎層已經基本成熟,錢包支持增加,金融服務和支付集成繼續增長,更多的娛樂應用在閃電網絡上構建,閃電網絡生態系統正在蓬勃發展。

以太坊雷電網絡

概述: 雷電