链下扩容深度解析

作者：Ellaine Xu、Hettie Jiang、June Wang、Walon Lin、Yiliu Lin

1. 扩容的必要性

区块链面临的不可能三角问题:去中心化、安全性和可扩展性难以同时满足。目前区块链发展的热点话题之一是在保证去中心化和安全性的前提下,如何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:

• 去中心化:节点数量越多,去中心化程度越高,网络不受小群体控制。
• 安全性:获取区块链系统控制权的成本越高,安全性越高,可抵抗较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源于扩容问题。2017年8月1日,Bitcoin ABC自行开发8MB区块的客户端系统开始运行,导致比特币历史上第一次重大硬分叉,诞生了新币种BCH。

以太坊网络通过限制单一区块可容纳的燃料费来限定交易量,以实现Trustless Consensus并确保节点的广泛分布。随着链上应用的兴起,市场对吞吐量需求不断增加,但以太坊每秒只能处理15~45笔交易,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,网络变得又慢又贵,区块链扩容问题亟待解决。

2. 扩容方案的类别

按照"是否改变一层主网"作为标准,把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,目前的主要方案是分片。

链上扩容有多种方案,此篇文章不进行展开,以下简要列举两种方案:

• 方案一是扩大区块空间,即增加每个区块打包的交易数量,但这会提高对高性能节点设备的要求,提高节点的加入门槛,降低了"去中心化"程度。
• 方案二是分片,将区块链账本分成若干部分,不再是每个节点参与所有记账,而是由不同分片即不同节点负责不同记账,并行计算可以同时处理多个交易;这样可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;但这意味着全网算力被分散,会降低整个网络的"安全性"。

改变一层主网协议的代码可能会产生难以预料的负面影响,因为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,网络可能会被迫进行分叉或中断修复升级。

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。

链下扩容方案又可以细分为Layer2和其他方案:

• Layer2:State Channels、Plasma、Rollups(Optimistic Rollups、ZK Rollups)
• 其他方案: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,用户才需要与主网进行交互,并把用户与用户的交互放在链下进行,以此来降低用户交易的时间和金钱成本,并且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",例如,两人国际象棋游戏。每个通道都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(根据带有签名和时间戳的欺诈证明)。

3.1.2 时间线

• 2015/02,Joseph Poon和Thaddeus Dryja发布了闪电网络白皮书草案。
• 2015/11,Jeff Coleman首次系统性总结了State Channel的概念,提出比特币的Payment Channel是State Channel概念中的一个子案例。
• 2016/01,Joseph Poon和Thaddeus Dryja正式发表白皮书《The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments》提出比特币闪电网络的扩容方案Payment Channel(支付通道),该方案仅用于处理比特币网络上的转账支付。
• 2017/11,第一个基于Payment Channel框架下的有关State Channel的设计规范Sprites被提出。
• 2018/06,Counterfactual提出了一个非常详细的Generalized State Channels设计,这是第一个完全与状态通道相关的设计。
• 2018/10,文章Generalised State Channel Networks提出State Channel Networks和Virtual Channels的概念。
• 2019/02,状态通道的概念扩展到N-Party Channels,Nitro是首个基于该想法建立的协议。
• 2019/10,Pisa为了解决所有参与者需要持续在线的问题,拓展了Watchtowers的概念。
• 2020/03,Hydra提出Fast Isomorphic Channels。

3.1.3 技术原理

状态通道的工作流程:

1. 用户在链上合约存入资金并锁定,通道开通。
2. 用户在链下进行交易,通过签名确认每笔交易。
3. 需要关闭通道时,向链上合约提交最终状态。
4. 如果有争议,可进入挑战期,提交证明。
5. 合约根据最终状态或挑战结果,将资金返还给用户。

3.1.4 优缺点

优点:

• 即时确认
• 低手续费
• 高隐私性
• 高吞吐量

缺点:

• 需要持续在线监控
• 无法应对大规模退出
• 通道容量有限
• 流动性低
• 缺乏通用性

3.1.5 应用

比特币闪电网络:

• 是比特币网络的小额支付通道
• 通过链下小额支付通道和中间人构成交易网络,解决比特币网络扩容问题
• 理论上每秒可以处理一百万笔交易
• 生态不断发展,应用涵盖支付、钱包、节点管理等多个类别

以太坊雷电网络:

• 基于以太坊的小额支付通道
• 目前这项技术未获得广泛采用
• 团队正在改造Raiden Network,使其运行在以太坊Layer2 Rollup网络上

Celer Network:

• 本质上是一个增加了激励层的闪电网络
• 可通过链外扩展技术和激励性经济模型构建快速、易于使用、低成本和安全的高频交互类型的区块链Dapps
• 已推出跨链资产桥cBridge等产品

3.2 Sidechains

3.2.1 概要

侧链是为了加快比特币交易而出现的一种区块链形态,可以使用更复杂的合约,或是通过改善共识机制(如PoS),或是区块参数让侧链符合特定作用。侧链的交易结果最终在传送回主链时,会记录在验证者端。这种区块链模式并非新的区块链形态,而是附着于主链上并协助主链解决问题的基础建设。

3.2.2 时间线

• 2012/01,比特币侧链的概念在聊天室中被提出
• 2014/10,比特币侧链的论文初次发表:Symmetric Pegged and Asymmetric Pegged
• 2017/04,POA Network基于以太坊Proof of Authentication共识的一条侧链上线测试网
• 2017/10,Matic Network启动
• 2017/12,POA Network主网上线
• 2018/01,Skales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品牌更名为Polygon Network
• 2021/02,Axie Infinity游戏侧链Ronin主网开始运行
• 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

侧链的两种主要机制:

1. 双向锚定(Symmetric Pegged): 主链和侧链的验证者实时记录对方的状态。主链token转移到侧链时,产生特殊输出,只有侧链验证者可解锁。

2. 不协调锚定(Asymmetric Pegged): 侧链验证者监控主链活动,可主动记录主链到侧链的交易。但侧链到主链时,主链无法确认侧链状态,需引入Certifiers机制。

简单来说侧链机制:

• 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的共识机制。

3.2.4 优缺点

优点:

• 高度可定制
• 主链资产可使用
• 不影响主链
• 可实现复杂功能

缺点:

• 安全性较低
• 去中心化程度低
• 流动性分散
• 缺乏原生资产

3.2.5 应用

xDai (现Gnosis Chain):

• 代币$xDai与$Dai 1:1锚定
• 采用PoSDAO共识机制
• 已与Gnosis合并

Polygon:

• 以太坊扩容解决方案聚合器
• 提供Polygon PoS侧链和多种Rollup方案
• 生态发展迅速,拥有大量Dapp和用户

Ronin:

• Axie Infinity游戏侧链
• 采用PoA共识机制
• 曾遭受严重黑客攻击

3.3 Plasma

3.3.1 概要

Plasma是一个构建可扩展Dapp的框架。它是作为侧链的演化方案出现的,旨在将用户对侧链Operator的信任降至最低。