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。

區塊鏈的去中心化、安全性和可擴展性定義如下:

• 去中心化:任何人都可以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:獲取區塊鏈系統控制權的成本越高,安全性越高,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。

比特幣和以太坊網路都選擇犧牲了一部分可擴展性,以保障網路的安全性和去中心化。但隨着鏈上應用的興起,市場對吞吐量需求不斷增加,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,提高區塊鏈網路的交易速度和吞吐量。

2. 擴容方案的類別

擴容方案可以按照"是否改變一層主網"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。

鏈上擴容的主要方案包括:

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,可降低節點壓力,提高交易處理速度和去中心化程度,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,底層任何細微的安全漏洞都會嚴重威脅整個網路的安全性。

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。

鏈下擴容方案可以細分爲 Layer2 和其他方案:

• Layer2:包括狀態通道、側鏈、Plasma、Rollups等。
• 其他方案:包括Validium等。

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,把用戶與用戶的交互放在鏈下進行,以此降低交易時間和成本,並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,並仲裁參與者之間的爭議。

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。
• 2016/01:Joseph Poon 和 Thaddeus Dryja 正式發表比特幣閃電網絡白皮書。
• 2017/11:提出第一個基於 Payment Channel 框架下的 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 拓展 Watchtowers 概念,解決參與者需持續在線的問題。
• 2020/03:Hydra 提出 Fast Isomorphic Channels。

3.1.3 技術原理

狀態通道的工作流程如下:

1. 用戶在主網智能合約中存入資金開通通道。
2. 用戶可在鏈下進行不限次數的交易,通過籤名消息相互通信。
3. 關閉通道時,用戶向合約提交最終狀態。如雙方籤名確認,合約根據最終狀態分發資金;如有爭議,需等待挑戰期結束。

3.1.4 優缺點

優點:

• 即時確認
• 低手續費
• 高隱私性
• 適用於頻繁小額交易

缺點:

• 需要預先鎖定資金
• 不適用於多方交易
• 參與者需持續在線
• 關閉通道時需等待挑戰期

3.1.5 應用

主要應用包括:

1. 比特幣閃電網絡:比特幣網路的小額支付通道,可實現快速低成本交易。

2. 以太坊雷電網絡:基於以太坊的小額支付通道,目標是實現即時、低費用和可擴展的 ERC20 代幣支付。

3. Celer Network:增加激勵層的閃電網絡,適用於高頻交互類型的DApps。

3.1.6 應用比較

比特幣閃電網絡、以太坊雷電網絡和Celer Network在技術實現、應用場景和生態發展上存在一定差異。比特幣閃電網絡主要用於比特幣支付,雷電網絡用於以太坊代幣支付,而Celer Network適用範圍更廣。

3.2 Sidechains

3.2.1 概要

側鏈是爲加快主鏈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。側鏈的交易結果最終會記錄在主鏈驗證者端。

3.2.2 時間線

• 2012/01:比特幣側鏈概念在聊天室中提出
• 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: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更名爲Polygon Network
• 2021/02:Axie Infinity遊戲側鏈Ronin主網運行
• 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

側鏈主要有兩種與主鏈通信的方式:

1. 雙向錨定(Symmetric Pegged):主鏈和側鏈的驗證者實時記錄對方的區塊頭信息。

2. 不協調錨定(Asymmetric Pegged):側鏈驗證者監控主鏈活動,但主鏈不記錄側鏈信息。需引入Certifiers機制驗證側鏈傳回的交易。

側鏈機制總結:

• 資產從主鏈到側鏈:主鏈鎖定資產,側鏈生成封裝資產
• 資產從側鏈到主鏈: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的共識機制。

3.2.4 優缺點

優點:

• 更高的交易吞吐量
• 更低的交易費用
• 靈活的應用場景
• 不影響主鏈安全性

缺點:

• 額外的信任假設
• 跨鏈橋可能存在安全隱患
• 流動性分散

3.2.5 應用

主要應用包括:

1. xDai(現Gnosis Chain):使用$xDai作爲交易手續費,採用PoSDAO共識機制。

2. Polygon:以太坊擴容解決方案聚合器,提供PoS側鏈和Plasma鏈。

3. Ronin:爲Axie Infinity遊戲開發的側鏈,採用PoA共識機制。

3.2.6 應用比較

xDai、Polygon和Ronin在共識機制、應用場景和生態發展上存在差異。xDai主要用於支付,Polygon是多功能擴容解決方案,Ronin專注於遊戲應用。

3.3 Plasma

3.3.1 概要

Plasma是一個構建可擴展DApp的框架,旨在將用戶對側鏈Operator的信任降至最低。即使Operator作惡,Plasma也可以防止用戶資金被盜。

3.3.2 時間線

• 2017/08:Vitalik和Joseph Poon提出Plasma白皮書
• 2018/01:提出Plasma MVP
• 2018/03:提出Plasma Cash
• 2018/06:提出Plasma Debit
• 2018/11:提出Plasma Prime
• 2019年起:以太坊社區開始探索Rollups方案

3.3.3 技術原理

Plasma的核心思想:

• 鏈外執行:大部分工作在主網外處理
• 狀態承諾:Operator定期在主網提交Merkle Root
• 退出機制:用戶可通過Merkle Proof提取資金

Plasma主要流程:

1. 用戶在主網存入資金
2. 用戶在Plasma鏈上交易
3. Operator將交易打包,提交Merkle Root到主網
4. 用戶可通過Merkle Proof退出Plasma鏈

3.3.4 優缺點

優點:

• 高吞吐量
• 低交易費用
• 繼承主網安全性

缺點:

• 復雜的退出機制
• 數據可用性問題
• 大規模退出可能導致擁堵
• 有限的智能合約功能

3.3.5 應用

主要應用包括:

1. Plasma Group:後轉型爲Optimism,專注Optimistic Rollup研究

2. OMG Network:後更名爲Boba Network,轉向Optimistic Rollup方案

3. Polygon:提供Plasma鏈,後重心轉向Rollup技術

3.3.6 總結

Plasma是一種過渡性技術方案,受技術限制,未獲廣泛應用。多數項目後轉向Rollup方案。

3.4 Rollups

3.4.1 概要

Rollups的核心思想是將計算和狀態存儲放在鏈下,而在鏈上存儲狀態承諾和壓縮的交易數據。主要分爲Optimistic Rollups和ZK Rollups兩類。

3.4.2 技術原理

Rollups主要技術特點:

• 鏈下虛擬機:完成交易計算和狀態改變
• 交易壓縮:減少鏈上存儲數據量
• 狀態承諾:定期在主網提交狀態根
• 數據可用性:交易數據存儲在主網calldata

Rollups交易成本 = L1數據存儲成本 + L2計算處理成本

3.4.3 優缺點

優點:

• 高吞吐量
• 低交易費用
• 繼承主網安全性
• 去信任

缺點:

• 提款延遲