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,這是當前區塊鏈發展的熱點話題之一。

去中心化、安全性和可擴展性的定義:

• 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,確保網路不受少數大型中心化參與者控制。

• 安全性:獲取區塊鏈系統控制權的成本越高,安全性越高,鏈可以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就源於擴容問題。隨着用戶數量和交易量增多,1MB區塊上限的比特幣網路開始面臨擁堵。2015年起,比特幣社區就擴容問題出現分歧,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,支持大區塊的一方自行開發8MB區塊的客戶端系統開始運行,導致比特幣出現第一次重大硬分叉,誕生了新幣種BCH。

同樣,以太坊網路也選擇犧牲一部分可擴展性來保障網路安全性和去中心化,通過對單一區塊可容納的燃料費設置上限來限定交易量。目的是實現無信任共識並確保節點的廣泛分布。

從2017年的CryptoKitties,到DeFi summer、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,導致交易成本上升,結算時間變長,大部分DApps難以承受運行成本,整個網路對用戶而言變得又慢又貴。區塊鏈擴容問題亟待解決。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,將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,但這會提高節點設備要求,提高加入門檻,降低去中心化程度。

• 方案二是分片,將區塊鏈帳本分成若幹部分,由不同分片負責不同記帳,並行計算可同時處理多個交易;這可降低節點壓力和加入門檻,提高交易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。

改變一層主網協議可能產生難以預料的負面影響,因爲底層任何細微漏洞都會嚴重威脅整個網路安全,網路可能被迫分叉或中斷修復升級。例如,2018年Zcash的通脹漏洞事件:其底層代碼存在高危漏洞,代幣可無限增發,團隊花了8個月時間祕密修補,修復後才公開這一事件。

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、Sidechains、Plasma、Rollups
• 其他: 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,把用戶間交互放在鏈下進行,以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,並仲裁參與者間的爭議。參與者在部署合約後存入資金並鎖定,雙方籤名確認後通道正式開通。通道允許參與者間進行不限次數的鏈下免費交易(只要轉帳淨值不超過存入總額)。參與者輪流發送狀態更新給對方,等待對方籤名確認。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依賴主網確認。關閉通道時,任一參與者可在主網提出交易請求,如獲全員籤名批準則立即執行,否則需等待"挑戰期"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發布閃電網絡白皮書草案。

• 2015/11: Jeff Coleman首次系統性總結State Channel概念,提出比特幣Payment Channel是State Channel的子案例。

• 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,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框架的State Channel設計規範Sprites被提出。

• 2018/06: Counterfactual提出詳細的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爲解決所有參與者需要持續在線的問題,拓展了Watchtowers概念。

• 2020/03: Hydra提出Fast Isomorphic Channels。

3.1.3 技術原理

傳統鏈上工作流程:Alice和Bob與部署在主網上的智能合約交互,用戶通過向鏈上發送交易改變智能合約狀態。缺點是會帶來時間和成本問題。

狀態通道工作流程:

1. Alice和Bob從個人EOA存入資金到鏈上合約地址,資金鎖定在合約中直到通道關閉時返回用戶;二人籤名確認後,狀態通道正式開通。

2. Alice和Bob可在鏈下開展不限次數交易,通過加密籤名消息相互通信。雙方都需對每筆交易籤名,以防雙花作惡。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Alice想關閉通道,需向合約提交自己帳戶的最終狀態,如Bob籤名批準,合約則根據最終狀態將鎖定資金釋放返回對應用戶。如Bob未響應籤名,合約則在挑戰期結束後將鎖定資金釋放返回對應用戶。

悲觀情況下的工作流程:

1. 兩個參與者存入資金,開始交換狀態更新。

2. 假設某時Bob不響應Alice發送的狀態更新籤名,Alice可向合約提交自己最後一次有效狀態發起挑戰,該狀態包含Bob之前的籤名。

3. 合約允許Bob在一段時間內通過提交下一個狀態響應;如Bob響應,二人可繼續交易;如Bob未響應,合約自動關閉狀態通道並將資金返回Alice。

3.1.4 優缺點

優點:

• 即時性:交易可立即完成,無需等待區塊確認
• 隱私性:只有開啓和關閉需要鏈上操作,其他交易都在鏈下完成
• 可擴展性:鏈下交易數量不受限制
• 低成本:只有開啓和關閉通道需要支付gas費

缺點:

• 資金鎖定:需要鎖定一定數量資金在通道中
• 持續在線:參與者需要保持在線以響應最新狀態
• 多方交互受限:只適用於預定義的參與者之間
• 通道網路復雜性:資金需要找到連接雙方的路徑
• 不適合復雜計算:只適合簡單和頻繁的交互場景

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,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。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。使用遵循"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發布閃電網絡白皮書草稿
• 2016年1月:發布正式版白皮書並成立Lightning Labs
• 2018年3月15日:Lightning Labs發布第一個主網版本LND 0.4
• 2021年初:公共容量約4000萬美元,約10萬用戶使用
• 2021年6月:薩爾瓦多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26個加密貨幣交易平台宣布支持閃電網絡
• 2022年10月:Lightning Labs發布基於Taproot的Taro協議(alpha版)
• 2022年11月23日: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: 閃電網絡生態從下到上依次爲:底層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:個人和企業運行、連接閃電網絡的軟件程序,市場份額最大的是Lightning Labs。
• 節點和流動性服務:提供對用戶友好的界面,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,如Strike允許買賣BTC、Twitter打賞和Shopify商家接受BTC等。

截至2022年11月,基於閃電網絡的Dapps已增至超20個類別和100多個應用,包括支付、錢包、節點管理、瀏覽器擴展、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,更多娛樂應用在建設,生態系統蓬勃發展。

以太坊雷電網絡

概述: 雷電網絡是基於以太坊的小額支付通道,與閃電網絡非常相似,都是通過建立狀態通道來對鏈上交易進行拓展,目的是在以太坊上實現近乎即時、低費用和可擴展的ERC20代幣支付。

時間線:

• 2017年