鏈下擴容深度解析

作者：Cobo Ventures

1. 擴容的必要性

區塊鏈的未來願景是去中心化、安全性和可擴展性。但通常區塊鏈只能實現其中兩個,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。

讓我們先定義區塊鏈的去中心化、安全性和可擴展性:

• 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。
• 安全性:爲了獲取區塊鏈控制權所付出的成本越高,安全性越高。
• 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是源於擴容問題。2017年8月1日,Bitcoin BCH自行開發8MB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,產生了新幣種BCH。

以太坊網路也選擇犧牲了一部分可擴展性,來保障網路的安全性和去中心化。從2017年的CryptoKitties,到DeFi summer、GameFi和NFT等應用的興起,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。這導致交易成本增加,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

我們按照"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,此篇文章不展開,簡要列舉兩種:

• 擴大區塊空間:增加每個區塊打包的交易數量,但會降低"去中心化"程度。
• 分片:將區塊鏈帳本分成若幹部分,不同分片負責不同記帳。可降低節點計算壓力,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。

鏈下擴容方案又可以細分爲Layer2和其他方案:

• Layer2:State Channels、Plasma、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,用戶才需要與主網交互,把用戶之間的交互放在鏈下進行,以此降低交易的時間和成本,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。

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正式發表閃電網絡白皮書。
• 2017/11:首個基於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。
• 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:

1. 參與者在主網上部署多籤合約並存入資金鎖定,雙方籤名確認後通道開通。
2. 參與者可在鏈下進行不限次數的免費交易。
3. 參與者輪流發送狀態更新給對方,等待對方籤名確認。
4. 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,立即執行;否則等待"挑戰期"結束後執行。

3.1.4 優缺點

優點:

• 即時確認交易
• 低手續費
• 高吞吐量
• 私密性好

缺點:

• 需要鎖定資金
• 需要持續在線監控
• 復雜交互難以實現
• 關閉通道時可能遇到挑戰期
• 難以擴展到多方交易

3.1.5 應用

主要包括比特幣閃電網絡、以太坊雷電網絡和Celer Network。

比特幣閃電網絡:

• 2015年2月首次提出
• 2018年3月發布主網版本
• 目前(2022年11月)有76,236個支付通道,通道資金5049 BTC
• 生態包括支付、錢包、節點管理等100多個應用

以太坊雷電網絡:

• 2017年成立
• 2020年5月發布首個主網客戶端
• 目前發展緩慢,使用門檻高,更先進的擴容技術出現

Celer Network:

• 2018年創立
• 2019年7月主網上線
• 目前已轉型爲跨鏈L2擴容平台

3.1.6 應用比較

比特幣閃電網絡最爲成熟,生態最爲豐富。以太坊雷電網絡和Celer Network相繼轉型。整體來看,狀態通道技術適用於小額高頻支付場景,但在復雜應用場景下存在局限性。

3.2 Sidechains

3.2.1 概要

側鏈是爲加快比特幣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驗證者端,是附着於主鏈並協助主鏈解決問題的基礎建設。

3.2.2 時間線

• 2012/01:比特幣側鏈概念首次提出
• 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:Skale測試網上線
• 2018/10:xDai Chain測試網上線
• 2020/06:Skale主網上線
• 2020/06:Matic PoS Chain主網上線
• 2021/02:Matic Network更名爲Polygon Network
• 2021/02:Axie Infinity側鏈Ronin主網上線
• 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

側鏈有兩種主要的跨鏈技術:

1. 雙向錨定(Symmetric Pegged):主鏈和側鏈驗證者實時記錄對方狀態。

主要流程:

• 用戶將資產發送到特殊地址
• 等待確認期結束後向側鏈提交證明
• 等待挑戰期結束
• 用戶可在側鏈使用新鑄造的封裝資產

2. 不協調錨定(Asymmetric Pegged):側鏈驗證者監控主鏈活動,主鏈通過Certifiers機制驗證側鏈交易。

Certifiers記錄:

• 智能合約ID、驗證者ID等信息
• 轉移名單
• 錯誤報告名單
• 聚合所有籤名

目前更多側鏈使用第三方公證人(PoA)或Relayers中間層來實現跨鏈。

側鏈機制總結:

• 主鏈->側鏈:主鏈鎖定資產,側鏈生成封裝資產
• 側鏈->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共識機制。

3.2.4 優缺點

優點:

• 快速確認
• 低手續費
• 高吞吐量
• 靈活性高

缺點:

• 安全性較差
• 去中心化程度低
• 跨鏈成本高
• 流動性分散

3.2.5 應用

主要包括xDai(現Gnosis Chain)、Polygon和Ronin。

xDai(Gnosis Chain):

• 2018年9月主網上線
• 2021年11月與Gnosis合並
• 採用PoSDAO共識機制
• 目前TVL約$53M,有35個進行中項目

Polygon:

• 2017年成立
• 2020年6月主網上線
• 目前轉型爲L2擴容聚合器
• 擁有37k+的DApp,1.8B總交易數,135M+用戶

Ronin:

• 2021年3月主網上線
• 爲Axie Infinity遊戲開發
• 採用PoA共識,最多25個驗證節點
• 曾遭受嚴重黑客攻擊

3.2.6 應用比較

xDai專注於支付場景,Polygon發展爲擴容聚合器,Ronin專爲遊戲設計。整體來看,側鏈在性能和靈活性方面表現良好,但在安全性和去中心化方面存在不足。

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。Plasma的基本原則是,即使Plasma鏈出現安全故障,用戶資產仍可撤回主網。

3.3.2 時間線

• 2017/08:Vitalik和Joseph Poon提出Plasma白皮書
• 2018/01:Vitalik提出Plasma MVP
• 2018/03:Vitalik提出Plasma Cash
• 2018/06:Dan Robinson提出Plasma Debit
• 2018/11:BANKEX Foundation提出Plasma Prime
• 2018年底:開發進展停滯
• 2019年起:以太坊社區開始探索Rollups

3.3.3 技術原理

三個核心思想:

• 鏈外執行:主網不驗證所有交易
• 狀態承諾:Operator定期提交Merkle Root
• 退出機制:用戶需證明有可提取資金

使用流程:

1. 用戶在主網合約存款
2. 用戶在Plasma鏈交易
3. Operator打包交易並提交狀態承諾
4. 用戶退出需提交證明並等待挑戰期

3.3.4 優缺點

優點:

• 高吞吐量
• 低手續費
• 繼承主網安全性

缺點:

• 復雜的退出機制
• 數據可用性問題
• 受限的智能合約功能
• 大規模退出問題

3.3.5 應用

主要包括