链下扩容深度解析

1. 扩容的必要性

区块链的未来愿景是实现去中心化、安全性和可扩展性。但通常只能满足其中两个,这被称为区块链的不可能三角问题。目前区块链发展的热点话题之一,是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。

区块链的去中心化、安全性和可扩展性定义:

• 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,节点数量越多去中心化程度越高。

• 安全性:为获取区块链系统控制权所付出的成本越高,安全性越高,链就可以抵抗较大比例参与者的攻击。

• 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源于扩容问题。随着用户数量和交易量增多,1MB区块容量限制导致网络拥堵。2015年开始,比特币社区就扩容问题产生分歧,最终导致2017年8月1日比特币发生首次重大硬分叉,诞生了BCH。

以太坊网络也选择牺牲一部分可扩展性来保障安全性和去中心化。从2017年的CryptoKitties,到DeFi summer和后来的GameFi、NFT,市场对吞吐量需求不断增加。但以太坊每秒只能处理15-45笔交易,导致交易成本增加、结算时间变长,大部分DApps难以承受运行成本。理想的扩容方案是在不牺牲去中心化和安全性的前提下,提高交易速度和吞吐量。

2. 扩容方案的类别

按照"是否改变一层主网"可将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。

链上扩容主要有两种方案:

1. 扩大区块空间,增加每个区块打包的交易数量,但会提高节点设备要求,降低去中心化程度。

2. 分片,将区块链账本分成若干部分,由不同节点负责不同记账,可降低节点计算压力和加入门槛,但会降低整个网络的安全性。

改变一层主网协议可能产生难以预料的负面影响,底层细微的安全漏洞都会严重威胁整个网络安全。

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。

链下扩容方案可细分为Layer2和其他方案:

Layer2:

• 状态通道
• 侧链
• Plasma
• Rollups(优化的Rollup和零知识Rollup)

其他:

• 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,用户才需要与主网交互,用户间的交互放在链下进行,以降低交易时间和成本,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",如两人国际象棋游戏。每个通道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,并仲裁参与者间的争议。参与者在区块链网络部署合约后,存入资金并锁定,双方签名确认后通道正式开通。通道允许参与者间进行不限次数的链下免费交易(只要转账净值不超过存入的代币总额)。参与者轮流发送状态更新并等待对方签名确认。正常情况下,双方同意的状态更新不会上传主网,只有出现争议或关闭通道时才依赖主网确认。关闭通道时,任一参与者可在主网提出交易请求,如获全员签名批准则立即执行,否则需等待"挑战期"结束才能收到剩余资金。

状态通道可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发布闪电网络白皮书草案。

• 2015/11:Jeff Coleman首次系统性总结State Channel概念,提出比特币Payment Channel是State Channel的子案例。

• 2016/01:Joseph Poon和Thaddeus Dryja正式发表比特币闪电网络白皮书,提出Payment Channel扩容方案。

• 2017/11:提出第一个基于Payment Channel框架的State Channel设计规范Sprites。

• 2018/06:Counterfactual提出详细的Generalized State Channels设计。

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

• 2019/02:状态通道概念扩展到N-Party Channels,Nitro是首个基于该想法建立的协议。

• 2019/10:Pisa为解决参与者持续在线问题,拓展了Watchtowers概念。

• 2020/03:Hydra提出Fast Isomorphic Channels。

3.1.3 技术原理

状态通道工作流程:

1. Alice和Bob通过从EOA存入资金到链上合约地址开通状态通道。

2. Alice和Bob可在链下开展不限次数交易,通过加密签名消息相互通信。双方都需对每笔交易签名以防双花作恶。

3. 如Alice想关闭通道,需向合约提交最终状态。如Bob签名批准,合约则根据最终状态释放锁定资金。如Bob未响应,合约在挑战期结束后释放资金。

悲观情况下,如Bob在某轮不响应Alice的状态更新签名,Alice可向合约提交最后一次有效状态发起挑战。合约允许Bob在一段时间内通过提交下一个状态响应。如Bob响应,双方可继续交易;如未响应,合约自动关闭通道并将资金返回Alice。

3.1.4 优缺点

优点:

• 即时确认
• 高吞吐量
• 低手续费
• 隐私性好

缺点:

• 可用性差
• 资金效率低
• 难以处理大额交易
• 不适用复杂智能合约

3.1.5 应用

比特币闪电网络:

• 2015年2月白皮书草稿发布
• 2016年1月正式版白皮书发布,Lightning Labs成立
• 2018年3月发布首个主网版本LND 0.4
• 2021年6月萨尔瓦多采用比特币为法定货币,9月发布闪电网络钱包Chivo
• 2022年多家交易所支持闪电网络存取款
• 2022年11月,闪电网络有76,236个支付通道,通道资金5049 BTC

生态发展:

• 底层:BTC网络
• 核心基础设施:闪电网络解决方案、节点和流动性服务
• 上层应用:支付和金融服务等

以太坊雷电网络:

• 2017年成立,创始人是以太坊核心开发者
• 2017年10月ICO筹集超3000万美元
• 2020年5月首个Raiden Light Client上线
• 2021年底多交易所将RDN代币摘牌

未获广泛采用原因:

• 使用门槛高
• 出现更先进的扩容技术

目前生态发展缓慢,正在改造为运行在以太坊L2 Rollup网络上的扩容方案。

Celer Network:

• 本质是增加激励层的闪电网络
• 通过链外扩展技术和激励性经济模型构建快速、低成本的高频交互类DApps
• 适用于电竞平台等高交互频率场景
• 2018年创立,2019年3月代币发行
• 2019年7月以太坊主网上线
• 目前已转型为支持跨链的L2扩容聚合平台

3.1.6 应用比较

比特币闪电网络:

• 最成熟的状态通道实现
• 应用广泛,生态丰富

以太坊雷电网络:

• 生态发展停滞
• 正转型为L2 Rollup方案

Celer Network:

• 增加了激励层设计
• 已转型为跨链L2聚合平台

3.2 Sidechains

3.2.1 概要

侧链概念于2012年在比特币开发者聊天室中被首次提出,2014年发表首篇相关论文。

侧链是为加快比特币交易而出现的区块链形态,可使用更复杂的合约或改善共识机制。侧链交易结果最终会记录在验证者端。这种模式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:比特币侧链概念在聊天室提出
• 2014/10:比特币侧链论文发表
• 2017/04:POA Network测试网上线
• 2017/10:Matic Network启动
• 2017/12:POA Network主网上线
• 2018/01:Skale测试网上线
• 2018/10:xDai Chain测试网上线
• 2020/06:Skale主网上线
• 2020/06:Matic PoS Chain主网上线
• 2021/02:Matic更名为Polygon
• 2021/02:Axie Infinity的Ronin侧链上线
• 2021/12:xDai Chain与Gnosis Dao合并
• 2022/03:POA Network合并入Gnosis Chain

3.2.3 技术原理

侧链主要有两种与主链沟通的方式:

1. 双向锚定(Symmetric Pegged): 主链和侧链的验证者实时记录对方当前状态。使用双向SPV技术,主链token发送到侧链时产生SPV-Locked Output,只有侧链验证者可用SPV证明解锁。

主要流程:

• 用户将资产发送到SPV-Locked Output特殊地址
• 等待confirmation period后向侧链提交SPV证明
• 等待contest period避免双花攻击
• 完成后用户可在侧链使用新铸造的封装资产

2. 不协调锚定(Asymmetric Pegged): 侧链验证者实时监控主链活动。主链向侧链转账时侧链可主动记录,但侧链向主链转账时需引入Certifiers机制。Certifiers记录关键信息并通过聚合签名验证侧链传回的交易。

简单来说侧链机制:

• 主链->侧链:主链锁定资产,侧链生成封装资产
• 侧链->主链:侧链销毁封装资产,主链解锁资产

侧链资产安全性取决于侧链共识机制。如侧链生成与主链不符的资产,再销毁这些资产向主链提出解锁,会有窃取资金风险。

3.2.4 优缺点

优点:

• 灵活性高
• 减轻主链负担
• 可升级性强
• 兼容性好

缺点:

• 去中心化程度低
• 安全性相对较低
• 需要信任侧链验证者
• 跨链转账