链下扩容深度解析

1. 扩容的必要性

区块链的未来愿景是去中心化、安全性和可扩展性,但通常只能实现其中两个,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,这是当前区块链发展的热点话题之一。

区块链的去中心化、安全性和可扩展性可以简单定义为:

• 去中心化:任何人都可以成为节点参与区块链系统,节点数量越多,去中心化程度越高。
• 安全性:获取区块链系统控制权所需成本越高,安全性越高,可以抵抗大比例参与者的攻击。
• 可扩展性:区块链处理大量交易的能力。

比特币网络的第一次重大硬分叉就源于扩容问题。随着用户数量和交易量增加,每个区块1MB的上限导致网络拥堵。2015年起,比特币社区就扩容问题存在分歧,最终导致2017年8月1日比特币发生第一次重大硬分叉,诞生了新币种BCH。

以太坊网络也选择牺牲了一部分可扩展性来保障安全性和去中心化。虽然没有像比特币那样限制区块大小,但变相通过限制单个区块的燃料费来限制交易量,目的都是为了实现无信任共识并确保节点广泛分布。

从2017年的CryptoKitties到后来DeFi、GameFi和NFT的兴起,市场对吞吐量需求不断增加,但以太坊每秒仅能处理15-45笔交易。这导致交易成本上升,结算时间变长,大部分Dapps难以承受运行成本,整个网络变得又慢又贵,区块链扩容问题亟待解决。理想的扩容方案是:在不牺牲去中心化和安全性的前提下,尽可能提高交易速度和吞吐量。

2. 扩容方案的类别

按照"是否改变一层主网"作为标准,我们可以将扩容方案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,目前主要方案是分片。

链上扩容有多种方案,此处简要列举两种:

• 方案一是扩大区块空间,增加每个区块打包的交易数量,但这会提高节点设备要求,降低去中心化程度。

• 方案二是分片,将区块链账本分成若干部分,不同节点负责不同记账,并行计算可以同时处理多个交易。这可以降低节点计算压力和加入门槛,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。

改变一层主网协议的代码可能产生难以预料的负面影响,因为底层任何安全漏洞都会严重威胁整个网络的安全性,可能导致分叉或中断升级。例如2018年Zcash的通胀漏洞事件,团队花了8个月时间秘密修补后才公开。

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:

Layer2:

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

其他:

• Sidechains
• Validium

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,将用户之间的交互放在链下进行,以此降低交易时间和成本,实现不受限制的交易次数。

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。每个通道由主网上的多签智能合约管理,控制存入的资产,验证状态更新,并仲裁争议(根据带签名和时间戳的欺诈证明)。参与者在网络部署合约后存入资金并锁定,双方签名确认后通道正式开通。通道允许参与者进行不限次数的免费链下交易(只要转账净值不超过存入总额)。参与者轮流发送状态更新并等待对方签名确认。正常情况下,双方同意的状态更新不上传主网,只有争议或关闭通道时才依赖主网确认。关闭时,任一方可在主网提出请求,如获全员签名批准则立即执行,否则需等待"挑战期"结束才能收到资金。

状态通道可以大大减少主网计算量,提升交易速度,降低交易成本。

3.1.2 时间线

• 2015/02: Joseph Poon和Thaddeus Dryja发布闪电网络白皮书草案
• 2015/11: Jeff Coleman首次系统总结State Channel概念
• 2016/01: 闪电网络白皮书正式发表,提出比特币Payment Channel扩容方案
• 2017/11: 首个基于Payment Channel的State Channel设计规范Sprites提出
• 2018/06: Counterfactual提出详细的Generalized State Channels设计
• 2018/10: Generalised State Channel Networks提出State Channel Networks和Virtual Channels概念
• 2019/02: Nitro首次基于N-Party Channels建立协议
• 2019/10: Pisa拓展Watchtowers概念解决参与者持续在线问题
• 2020/03: Hydra提出Fast Isomorphic Channels

3.1.3 技术原理

传统链上工作流程:用户通过向链上发送交易来改变智能合约状态,缺点是会带来时间和成本问题。

状态通道工作流程:

1. Alice和Bob通过向链上合约存入资金开通状态通道
2. 双方可在链下进行不限次数的交易,通过签名消息相互通信
3. 如Alice想关闭通道,需向合约提交最终状态
4. 如Bob签名批准,合约根据最终状态分发资金
5. 如Bob未响应,合约在挑战期结束后分发资金

悲观情况下的工作流程:

1. 如Bob不响应状态更新签名,Alice可向合约提交最后有效状态发起挑战
2. 合约允许Bob在一段时间内响应
3. 如Bob响应,可继续交易;如未响应,合约自动关闭通道并返还资金

3.1.4 优缺点

优点:

• 即时交易确认
• 极低交易费用
• 隐私性好
• 可扩展性强

缺点:

• 需要持续在线监控
• 初始设置成本高
• 资金效率低
• 难以处理多方交易
• 缺乏可组合性

3.1.5 应用

主要应用包括比特币闪电网络、以太坊雷电网络和Celer Network。

比特币闪电网络:

• 2015年2月白皮书草案发布
• 2018年3月首个主网版本发布
• 2021年萨尔瓦多采用比特币法币,推出基于闪电网络的钱包Chivo
• 2022年11月共有76,236个支付通道,通道资金5049 BTC

以太坊雷电网络:

• 2017年成立,与闪电网络类似
• 2017年10月ICO筹集超3000万美元
• 2020年5月首个Light Client在主网上线
• 目前使用门槛高,生态发展缓慢

Celer Network:

• 本质上是增加激励层的闪电网络
• 可通过链外扩展技术和激励经济模型构建快速、低成本、安全的高频交互类Dapps
• 2019年7月在以太坊主网上线
• 目前已转型为支持跨链的L2扩容聚合平台

3.1.6 应用比较

比特币闪电网络:

• 优点:交易成本低,隐私性好
• 缺点:需要锁定资金,路由复杂

以太坊雷电网络:

• 优点:支持智能合约
• 缺点:开发进展缓慢,使用门槛高

Celer Network:

• 优点:支持跨链,激励机制完善
• 缺点:中心化程度较高

3.2 Sidechains

3.2.1 概要

侧链概念首次于2012年在比特币开发人员聊天室中提出,2014年由Blockstream研究员撰写第一篇相关文章。侧链是为加快比特币交易而出现的一种区块链形态,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传送回主链时,会记录在验证者端。这种区块链模式并非新的形态,而是附着于主链并协助解决问题的基础建设。

3.2.2 时间线

• 2012/01: 比特币侧链概念在聊天室提出
• 2014/10: 比特币侧链论文发表,提出Symmetric Pegged和Asymmetric Pegged
• 2017/04: POA Network基于以太坊PoA共识的侧链测试网上线
• 2017/10: Matic Network启动
• 2017/12: POA Network主网上线
• 2018/01: Skale测试网上线
• 2018/10: xDai Chain测试网上线
• 2020/06: Skale主网上线
• 2020/06: 以太坊侧链Matic PoS Chain主网上线
• 2021/02: Matic Network更名为Polygon Network
• 2021/02: Axie Infinity游戏侧链Ronin主网运行
• 2021/12: xDai Chain与Gnosis Dao合并成Gnosis Chain
• 2022/03: POA Network合并入Gnosis Chain

3.2.3 技术原理

侧链主要有双向锚定和不协调锚定两种方式与主链沟通。

双向锚定(Symmetric Pegged):

• 主链和侧链验证者实时记录对方当前状态
• 使用双向SPV技术进行信息传递
• 主链token发送到侧链时产生SPV-Locked Output
• 侧链验证者用SPV证明解锁
• 经过confirmation period和contest period后,用户可在侧链使用新铸封装资产

不协调锚定(Asymmetric Pegged):

• 侧链验证者实时监控主链活动
• 主链到侧链交易可直接记录
• 侧链到主链交易需引入Certifiers机制
• Certifiers记录关键信息并聚合签名
• 需质押资产以确保不破坏系统

当前越来越多侧链选择使用PoA机制或Relayers来确认主链区块状态。

侧链机制总结:

• 主链到侧链:主链锁定资产,侧链生成wrapped asset
• 侧链到主链:侧链销毁wrapped asset,主链解锁资产

侧链资产安全性取决于侧链共识机制的安全性。

3.2.4 优缺点

优点:

• 灵活性高,可定制功能
• 主链资产可互通
• 降低主链负载
• 降低交易成本

缺点:

• 安全性依赖自身共识机制
• 需要可信的联邦或权威方
• 跨链交易复杂
• 可能产生流动性割裂