鏈下擴容深度解析

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,這是當前區塊鏈發展的熱點話題之一。

區塊鏈的去中心化、安全性和可擴展性可以簡單定義爲:

• 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:獲取區塊鏈系統控制權所需成本越高,安全性越高,可以抵抗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加,每個區塊1MB的上限導致網路擁堵。2015年起,比特幣社區就擴容問題存在分歧,最終導致2017年8月1日比特幣發生第一次重大硬分叉,誕生了新幣種BCH。

以太坊網路也選擇犧牲了一部分可擴展性來保障安全性和去中心化。雖然沒有像比特幣那樣限制區塊大小,但變相通過限制單個區塊的燃料費來限制交易量,目的都是爲了實現無信任共識並確保節點廣泛分布。

從2017年的CryptoKitties到後來DeFi、GameFi和NFT的興起,市場對吞吐量需求不斷增加,但以太坊每秒僅能處理15-45筆交易。這導致交易成本上升,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,盡可能提高交易速度和吞吐量。

2. 擴容方案的類別

按照"是否改變一層主網"作爲標準,我們可以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,目前主要方案是分片。

鏈上擴容有多種方案,此處簡要列舉兩種:

• 方案一是擴大區塊空間,增加每個區塊打包的交易數量,但這會提高節點設備要求,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,不同節點負責不同記帳,並行計算可以同時處理多個交易。這可以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,但會降低整個網路的安全性。

改變一層主網協議的代碼可能產生難以預料的負面影響,因爲底層任何安全漏洞都會嚴重威脅整個網路的安全性,可能導致分叉或中斷升級。例如2018年Zcash的通脹漏洞事件,團隊花了8個月時間祕密修補後才公開。

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:

• State Channels
• Plasma
• Rollups
  • Optimistic Rollups
  • ZK Rollups

其他:

• 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,將用戶之間的交互放在鏈下進行,以此降低交易時間和成本,實現不受限制的交易次數。

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。每個通道由主網上的多籤智能合約管理,控制存入的資產,驗證狀態更新,並仲裁爭議(根據帶籤名和時間戳的欺詐證明)。參與者在網路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。通道允許參與者進行不限次數的免費鏈下交易(只要轉帳淨值不超過存入總額)。參與者輪流發送狀態更新並等待對方籤名確認。正常情況下,雙方同意的狀態更新不上傳主網,只有爭議或關閉通道時才依賴主網確認。關閉時,任一方可在主網提出請求,如獲全員籤名批準則立即執行,否則需等待"挑戰期"結束才能收到資金。

狀態通道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首次系統總結State Channel概念
• 2016/01: 閃電網絡白皮書正式發表,提出比特幣Payment Channel擴容方案
• 2017/11: 首個基於Payment Channel的State Channel設計規範Sprites提出
• 2018/06: Counterfactual提出詳細的Generalized State Channels設計
• 2018/10: Generalised State Channel Networks提出State Channel Networks和Virtual Channels概念
• 2019/02: Nitro首次基於N-Party Channels建立協議
• 2019/10: Pisa拓展Watchtowers概念解決參與者持續在線問題
• 2020/03: Hydra提出Fast Isomorphic Channels

3.1.3 技術原理

傳統鏈上工作流程:用戶通過向鏈上發送交易來改變智能合約狀態,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通過向鏈上合約存入資金開通狀態通道
2. 雙方可在鏈下進行不限次數的交易,通過籤名消息相互通信
3. 如Alice想關閉通道,需向合約提交最終狀態
4. 如Bob籤名批準,合約根據最終狀態分發資金
5. 如Bob未響應,合約在挑戰期結束後分發資金

悲觀情況下的工作流程:

1. 如Bob不響應狀態更新籤名,Alice可向合約提交最後有效狀態發起挑戰
2. 合約允許Bob在一段時間內響應
3. 如Bob響應,可繼續交易;如未響應,合約自動關閉通道並返還資金

3.1.4 優缺點

優點:

• 即時交易確認
• 極低交易費用
• 隱私性好
• 可擴展性強

缺點:

• 需要持續在線監控
• 初始設置成本高
• 資金效率低
• 難以處理多方交易
• 缺乏可組合性

3.1.5 應用

主要應用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月白皮書草案發布
• 2018年3月首個主網版本發布
• 2021年薩爾瓦多採用比特幣法幣,推出基於閃電網絡的錢包Chivo
• 2022年11月共有76,236個支付通道,通道資金5049 BTC

以太坊雷電網絡:

• 2017年成立,與閃電網絡類似
• 2017年10月ICO籌集超3000萬美元
• 2020年5月首個Light Client在主網上線
• 目前使用門檻高,生態發展緩慢

Celer Network:

• 本質上是增加激勵層的閃電網絡
• 可通過鏈外擴展技術和激勵經濟模型構建快速、低成本、安全的高頻交互類Dapps
• 2019年7月在以太坊主網上線
• 目前已轉型爲支持跨鏈的L2擴容聚合平台

3.1.6 應用比較

比特幣閃電網絡:

• 優點:交易成本低,隱私性好
• 缺點:需要鎖定資金,路由復雜

以太坊雷電網絡:

• 優點:支持智能合約
• 缺點:開發進展緩慢,使用門檻高

Celer Network:

• 優點:支持跨鏈,激勵機制完善
• 缺點:中心化程度較高

3.2 Sidechains

3.2.1 概要

側鏈概念首次於2012年在比特幣開發人員聊天室中提出,2014年由Blockstream研究員撰寫第一篇相關文章。側鏈是爲加快比特幣交易而出現的一種區塊鏈形態,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形態,而是附着於主鏈並協助解決問題的基礎建設。

3.2.2 時間線

• 2012/01: 比特幣側鏈概念在聊天室提出
• 2014/10: 比特幣側鏈論文發表,提出Symmetric Pegged和Asymmetric Pegged
• 2017/04: POA Network基於以太坊PoA共識的側鏈測試網上線
• 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: 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

側鏈主要有雙向錨定和不協調錨定兩種方式與主鏈溝通。

雙向錨定(Symmetric Pegged):

• 主鏈和側鏈驗證者實時記錄對方當前狀態
• 使用雙向SPV技術進行信息傳遞
• 主鏈token發送到側鏈時產生SPV-Locked Output
• 側鏈驗證者用SPV證明解鎖
• 經過confirmation period和contest period後,用戶可在側鏈使用新鑄封裝資產

不協調錨定(Asymmetric Pegged):

• 側鏈驗證者實時監控主鏈活動
• 主鏈到側鏈交易可直接記錄
• 側鏈到主鏈交易需引入Certifiers機制
• Certifiers記錄關鍵信息並聚合籤名
• 需質押資產以確保不破壞系統

當前越來越多側鏈選擇使用PoA機制或Relayers來確認主鏈區塊狀態。

側鏈機制總結:

• 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共識機制的安全性。

3.2.4 優缺點

優點:

• 靈活性高,可定制功能
• 主鏈資產可互通
• 降低主鏈負載
• 降低交易成本

缺點:

• 安全性依賴自身共識機制
• 需要可信的聯邦或權威方
• 跨鏈交易復雜
• 可能產生流動性割裂