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链下扩容方案深度解析:从状态通道到Rollups
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。
区块链的去中心化、安全性和可扩展性定义如下:
比特币和以太坊网络都选择牺牲了一部分可扩展性,以保障网络的安全性和去中心化。但随着链上应用的兴起,市场对吞吐量需求不断增加,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,提高区块链网络的交易速度和吞吐量。
2. 扩容方案的类别
扩容方案可以按照"是否改变一层主网"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。
链上扩容的主要方案包括:
扩大区块空间,增加每个区块打包的交易数量,但会提高节点要求,降低去中心化程度。
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,可降低节点压力,提高交易处理速度和去中心化程度,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,底层任何细微的安全漏洞都会严重威胁整个网络的安全性。
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。
链下扩容方案可以细分为 Layer2 和其他方案:
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,把用户与用户的交互放在链下进行,以此降低交易时间和成本,并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,并仲裁参与者之间的争议。
3.1.2 时间线
3.1.3 技术原理
状态通道的工作流程如下:
3.1.4 优缺点
优点:
缺点:
3.1.5 应用
主要应用包括:
比特币闪电网络:比特币网络的小额支付通道,可实现快速低成本交易。
以太坊雷电网络:基于以太坊的小额支付通道,目标是实现即时、低费用和可扩展的 ERC20 代币支付。
Celer Network:增加激励层的闪电网络,适用于高频交互类型的DApps。
3.1.6 应用比较
比特币闪电网络、以太坊雷电网络和Celer Network在技术实现、应用场景和生态发展上存在一定差异。比特币闪电网络主要用于比特币支付,雷电网络用于以太坊代币支付,而Celer Network适用范围更广。
3.2 Sidechains
3.2.1 概要
侧链是为加快主链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。侧链的交易结果最终会记录在主链验证者端。
3.2.2 时间线
3.2.3 技术原理
侧链主要有两种与主链通信的方式:
双向锚定(Symmetric Pegged):主链和侧链的验证者实时记录对方的区块头信息。
不协调锚定(Asymmetric Pegged):侧链验证者监控主链活动,但主链不记录侧链信息。需引入Certifiers机制验证侧链传回的交易。
侧链机制总结:
侧链资产安全性取决于侧链的共识机制。
3.2.4 优缺点
优点:
缺点:
3.2.5 应用
主要应用包括:
xDai(现Gnosis Chain):使用$xDai作为交易手续费,采用PoSDAO共识机制。
Polygon:以太坊扩容解决方案聚合器,提供PoS侧链和Plasma链。
Ronin:为Axie Infinity游戏开发的侧链,采用PoA共识机制。
3.2.6 应用比较
xDai、Polygon和Ronin在共识机制、应用场景和生态发展上存在差异。xDai主要用于支付,Polygon是多功能扩容解决方案,Ronin专注于游戏应用。
3.3 Plasma
3.3.1 概要
Plasma是一个构建可扩展DApp的框架,旨在将用户对侧链Operator的信任降至最低。即使Operator作恶,Plasma也可以防止用户资金被盗。
3.3.2 时间线
3.3.3 技术原理
Plasma的核心思想:
Plasma主要流程:
3.3.4 优缺点
优点:
缺点:
3.3.5 应用
主要应用包括:
Plasma Group:后转型为Optimism,专注Optimistic Rollup研究
OMG Network:后更名为Boba Network,转向Optimistic Rollup方案
Polygon:提供Plasma链,后重心转向Rollup技术
3.3.6 总结
Plasma是一种过渡性技术方案,受技术限制,未获广泛应用。多数项目后转向Rollup方案。
3.4 Rollups
3.4.1 概要
Rollups的核心思想是将计算和状态存储放在链下,而在链上存储状态承诺和压缩的交易数据。主要分为Optimistic Rollups和ZK Rollups两类。
3.4.2 技术原理
Rollups主要技术特点:
Rollups交易成本 = L1数据存储成本 + L2计算处理成本
3.4.3 优缺点
优点:
缺点: