链下扩容之路：State Channels与闪电网络解析

2025-07-11 06:25:01

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。但通常只能同时满足其中两个,这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。

让我们先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,节点数量越多,去中心化程度越高。
安全性:获取区块链系统控制权的成本越高,安全性越高,链可以抵抗较大比例的攻击。
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源于扩容问题。随着用户数量和交易量增多,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,一方支持扩大区块,另一方支持使用隔离见证方案优化主链结构。2017年8月1日,支持扩大区块的一方开发了8MB的客户端系统并运行,导致比特币出现第一次重大硬分叉,同时诞生了新币种BCH。

以太坊网络也选择牺牲了一部分可扩展性来保障网络安全性和去中心化。虽然以太坊未像比特币那样限制区块大小,但通过设置单一区块燃料费上限来限定交易量,目的都是为了实现无需信任的共识并确保节点广泛分布。

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,但以太坊每秒只能处理15-45笔交易。这导致交易成本不断增加,结算时间变长,大部分Dapps难以承受运行成本,整个网络变得又慢又贵,亟待解决扩容问题。理想的扩容方案是:在不牺牲去中心化和安全性的前提下,尽可能提高区块链网络的交易速度和吞吐量。

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,此篇文章不展开,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,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。

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:

Layer2:

State Channels
Plasma
Rollups
- Optimistic Rollups
- ZK Rollups

其他:

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,用户才需要与主网交互,并把用户之间的交互放在链下进行,以此来降低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(只要他们的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(支付通道),该方案仅用于处理比特币网络上的转账支付。
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

状态通道的一般工作流程:

Alice和Bob通过从个人账户存入资金到链上合约地址,这些资金被锁定在合约中,直到通道关闭时才将余额返回给用户;二人签名确认后,二人之间的状态通道正式开通。
Alice和Bob可以在链下开展不限次数的交易,参与者通过加密的签名消息相互通信(而不是与区块链网络通信)。双方用户都需要对每笔交易进行签名,以防止双花作恶。通过这些消息,他们提出自己账户的状态更新,并接受对方提出的状态更新。
如果Alice想关闭通道结束和Bob之间的交易,Alice需要向合约提交自己账户的最终状态,如果Bob签名批准,合约则会根据最终状态将锁定的资金释放返回对应用户。如果Bob未响应签名,合约则会在挑战期结束后将锁定的资金释放返回对应用户。

3.1.4 优缺点

优点:

即时确认交易
高吞吐量
低手续费
保护隐私

缺点:

需要锁定资金
需要持续在线监控
基础设施门槛高
无法进行复杂操作
需要线下协调
无法支持多方协作

3.1.5 应用

比特币闪电网络

概述: 闪电网络是比特币网络的小额支付通道,其整体技术演变经历:2/2多签构建单向支付通道,增加RSMC后可构建双向支付通道,再增加HTLC后可连接支付通道拓展到多人支付,最终构建支付网络即闪电网络。通过链下小额支付通道,然后借助中间人构成交易网络,可以解决比特币网络扩容问题。闪电网络的整体使用遵循着"存款(建立通道)→闪电网络交易(更新通道状态)→退款/结算(结束通道)"的流程;理论上闪电网络每秒可以处理一百万笔交易。

时间线:

2015年2月,Joseph Poon和Thaddeus Dryja发布了闪电网络白皮书的草稿;
2016年1月发布正式版白皮书并成立了Lightning Labs;
2018年3月15日,Lightning Labs发布第一个闪电网络主网版本Lightning Network Daemon (LND) 0.4版本。
2021年初,闪电网络的公共容量(TVL)只有约4000万美元,约不到10万用户使用闪电网络。
2021年6月,萨尔瓦多宣布采用比特币作为法定货币,9月发布基于闪电网络的钱包Chivo。
2022年,Cash App和包括OKX、Kraken、Bitfinex在内的26个加密货币交易平台宣布支持闪电网络,实现即时且便宜的的BTC存取款和转账功能。
2022年10月,Lightning Labs发布了基于Taproot的新协议------Taro protocol(alpha版本),目前正在测试网上进行测试,未来将可用于在比特币网络上铸造、发送和接收资产,并通过闪电网络执行即时、大容量和低费用的交易。
2022年11月23日,根据1ml.com,闪电网络共有76,236个支付通道,通道资金5049 $BTC($81.8M)。

生态发展: BTC闪电网络生态从下到上依次为:底层的BTC网络---核心基础设施---各种Dapps。

核心基础设施包括

闪电网络解决方案:个人和企业可以运行、连接到闪电网络的软件程序,其中所占市场份额最大的是闪电实验室Lightning Labs。
节点和流动性服务:因为用户独立运行自己的节点较为复杂,需要提供对用户较为友好的界面,帮助管理闪电支付渠道。

核心基础设施之上是各种支付和金融服务以及应用程序,例如,Strike建立在LND解决方案之上允许用户买卖BTC,在Twitter上使用BTC打赏创作者和允许Shopify商家接受BTC等。

截止2022年11月,基于比特币闪电网络的Dapps已增涨至超20个类别和100多个应用,应用类别主要包括比特币闪电网络支付、钱包、节点管理、浏览器扩展程序、播客和流媒体等。当前与节点基础设施相关的技术基础层已经基本成熟,钱包支持增加,金融服务和支付集成继续增长,更多的娱乐应用在闪电网络上构建,闪电网络生态系统正在蓬勃发展。