鏈下擴容深度解析

作者：Ellaine Xu、Hettie Jiang、June Wang、Walon Lin、Yiliu Lin

1. 擴容的必要性

區塊鏈面臨的不可能三角問題:去中心化、安全性和可擴展性難以同時滿足。目前區塊鏈發展的熱點話題之一是在保證去中心化和安全性的前提下,如何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:節點數量越多,去中心化程度越高,網路不受小羣體控制。
• 安全性:獲取區塊鏈系統控制權的成本越高,安全性越高,可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。2017年8月1日,Bitcoin BCH自行開發8MB區塊的客戶端系統開始運行,導致比特幣歷史上第一次重大硬分叉,誕生了新幣種BCH。

以太坊網路通過限制單一區塊可容納的燃料費來限定交易量,以實現Trustless Consensus並確保節點的廣泛分布。隨着鏈上應用的興起,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,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,網路變得又慢又貴,區塊鏈擴容問題亟待解決。

2. 擴容方案的類別

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,此篇文章不進行展開,以下簡要列舉兩種方案:

• 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,提高節點的加入門檻,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,不再是每個節點參與所有記帳,而是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;但這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)
• 其他方案: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,用戶才需要與主網進行交互,並把用戶與用戶的交互放在鏈下進行,以此來降低用戶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(根據帶有籤名和時間戳的欺詐證明)。

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

狀態通道的工作流程:

1. 用戶在鏈上合約存入資金並鎖定,通道開通。
2. 用戶在鏈下進行交易,通過籤名確認每筆交易。
3. 需要關閉通道時,向鏈上合約提交最終狀態。
4. 如果有爭議,可進入挑戰期,提交證明。
5. 合約根據最終狀態或挑戰結果,將資金返還給用戶。

3.1.4 優缺點

優點:

• 即時確認
• 低手續費
• 高隱私性
• 高吞吐量

缺點:

• 需要持續在線監控
• 無法應對大規模退出
• 通道容量有限
• 流動性低
• 缺乏通用性

3.1.5 應用

比特幣閃電網絡:

• 是比特幣網路的小額支付通道
• 通過鏈下小額支付通道和中間人構成交易網路,解決比特幣網路擴容問題
• 理論上每秒可以處理一百萬筆交易
• 生態不斷發展,應用涵蓋支付、錢包、節點管理等多個類別

以太坊雷電網絡:

• 基於以太坊的小額支付通道
• 目前這項技術未獲得廣泛採用
• 團隊正在改造Raiden Network,使其運行在以太坊Layer2 Rollup網路上

Celer Network:

• 本質上是一個增加了激勵層的閃電網絡
• 可通過鏈外擴展技術和激勵性經濟模型構建快速、易於使用、低成本和安全的高頻交互類型的區塊鏈Dapps
• 已推出跨鏈資產橋cBridge等產品

3.2 Sidechains

3.2.1 概要

側鏈是爲了加快比特幣交易而出現的一種區塊鏈形態,可以使用更復雜的合約,或是通過改善共識機制(如PoS),或是區塊參數讓側鏈符合特定作用。側鏈的交易結果最終在傳送回主鏈時,會記錄在驗證者端。這種區塊鏈模式並非新的區塊鏈形態,而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,比特幣側鏈的概念在聊天室中被提出
• 2014/10,比特幣側鏈的論文初次發表:Symmetric Pegged and Asymmetric Pegged
• 2017/04,POA Network基於以太坊Proof of Authentication共識的一條側鏈上線測試網
• 2017/10,Matic Network啓動
• 2017/12,POA Network主網上線
• 2018/01,Skales測試網上線
• 2018/10,xDai Chain測試網上線
• 2020/06,Skale主網上線
• 2020/06,以太坊側鏈Matic PoS Chain主網上線
• 2021/02,Matic Network品牌更名爲Polygon Network
• 2021/02,Axie Infinity遊戲側鏈Ronin主網開始運行
• 2021/12,xDai Chain與Gnosis Dao合並成Gnosis Chain
• 2022/03,POA Network合並入Gnosis Chain

3.2.3 技術原理

側鏈的兩種主要機制:

1. 雙向錨定(Symmetric Pegged): 主鏈和側鏈的驗證者實時記錄對方的狀態。主鏈token轉移到側鏈時,產生特殊輸出,只有側鏈驗證者可解鎖。

2. 不協調錨定(Asymmetric Pegged): 側鏈驗證者監控主鏈活動,可主動記錄主鏈到側鏈的交易。但側鏈到主鏈時,主鏈無法確認側鏈狀態,需引入Certifiers機制。

簡單來說側鏈機制:

• 主鏈到側鏈:主鏈鎖定資產,側鏈生成wrapped asset
• 側鏈到主鏈:側鏈銷毀wrapped asset,主鏈解鎖資產

側鏈資產安全性取決於側鏈的共識機制。

3.2.4 優缺點

優點:

• 高度可定制
• 主鏈資產可使用
• 不影響主鏈
• 可實現復雜功能

缺點:

• 安全性較低
• 去中心化程度低
• 流動性分散
• 缺乏原生資產

3.2.5 應用

xDai (現Gnosis Chain):

• 代幣$xDai與$Dai 1:1錨定
• 採用PoSDAO共識機制
• 已與Gnosis合並

Polygon:

• 以太坊擴容解決方案聚合器
• 提供Polygon PoS側鏈和多種Rollup方案
• 生態發展迅速,擁有大量Dapp和用戶

Ronin:

• Axie Infinity遊戲側鏈
• 採用PoA共識機制
• 曾遭受嚴重黑客攻擊

3.3 Plasma

3.3.1 概要

Plasma是一個構建可擴展Dapp的框架。它是作爲側鏈的演化方案出現的,旨在將用戶對側鏈Operator的信任降至最低。