鏈下擴容深度解析

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

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。

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:獲取區塊鏈系統控制權的成本越高,安全性越高,可以抵抗較大比例的攻擊。
• 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源於擴容問題。2015年開始,比特幣社區就擴容問題存在分歧,一方支持擴大區塊,另一方支持使用隔離見證方案。2017年8月1日,支持擴大區塊的一方開始運行新的客戶端系統,導致了比特幣歷史上第一次重大硬分叉,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,來保障網路的安全性和去中心化。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,但以太坊每秒只能處理15-45筆交易,導致交易成本增加,結算時間變長。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,以下簡要列舉兩種:

• 方案一是擴大區塊空間,即增加每個區塊打包的交易數量,但這會提高節點要求,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,由不同分片負責不同記帳,可降低節點壓力,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,因爲底層任何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,把用戶間的交互放在鏈下進行,以降低交易成本並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。每個通道由主網上運行的多籤智能合約管理,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:閃電網絡白皮書正式發表
• 2017/11:提出第一個基於Payment Channel框架的State Channel設計規範Sprites
• 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
• 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. Alice和Bob通過在主網合約存入資金並籤名確認,開通狀態通道。
2. Alice和Bob可在鏈下進行不限次數的交易,每筆交易需雙方籤名確認。
3. 如Alice想關閉通道,需向合約提交最終狀態。如Bob籤名批準,合約立即執行分發資金;如Bob未響應,需等待"挑戰期"結束後才能收到資金。

悲觀情況下的工作流程:

如Bob不響應Alice的狀態更新籤名,Alice可向合約提交自己最後一次有效狀態發起挑戰。Bob可在一段時間內提交下一個狀態進行響應;如未響應,合約將自動關閉通道並將資金返回Alice。

3.1.4 優缺點

優點:

• 即時確認
• 高吞吐量
• 隱私性好
• 通用性強

缺點:

• 需要預先鎖定資金
• 參與者需保持在線
• 支持較少參與者
• 無法解決大規模退出問題

3.1.5 應用

比特幣閃電網絡:

• 2015年提出,2018年發布主網版本
• 2022年11月有76,236個支付通道,通道資金5049 BTC
• 生態涵蓋支付、錢包、節點管理等多個類別,100多個應用

以太坊雷電網絡:

• 2017年成立,2020年發布主網版本
• 使用門檻高,生態發展緩慢
• 轉向在Layer2 Rollup網路上運行

Celer Network:

• 增加了激勵層的閃電網絡
• 適用於高頻交互類應用如電子競技平台
• 已推出跨鏈橋cBridge等產品

3.2 Sidechains

3.2.1 概要

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會記錄在驗證者端並傳送回主鏈。

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
• 2018/01:Skale測試網上線
• 2020/06:Matic PoS Chain主網上線
• 2021/02:Ronin主網上線
• 2021/12:xDai Chain與Gnosis Dao合並成Gnosis Chain

3.2.3 技術原理

側鏈主要有兩種與主鏈溝通的方式:

1. 雙向錨定(Symmetric Pegged):主鏈和側鏈的驗證者實時記錄對方當前狀態,使用SPV技術驗證交易。

2. 不協調錨定(Asymmetric Pegged):側鏈驗證者監控主鏈活動,但主網無法確認側鏈狀態,需引入Certifiers機制驗證側鏈交易。

目前越來越多的側鏈選擇使用第三方公證人(PoA)機制或Relayers中間層來確認主鏈區塊狀態。

側鏈機制總結:

• 資產從主鏈到側鏈:主鏈鎖定資產,側鏈生成wrapped asset
• 資產從側鏈到主鏈:側鏈銷毀wrapped asset,主鏈解鎖資產

3.2.4 優缺點

優點:

• 高度可定制化
• 可支持復雜智能合約
• 跨鏈資產轉移
• 獨立的治理機制

缺點:

• 安全性較低
• 中心化風險
• 跨鏈通信復雜度高
• 雙向錨定需要較長確認時間

3.2.5 應用

xDai Chain(現Gnosis Chain):

• 2018年9月主網上線,2022年4月與Gnosis合並
• 採用PoSDAO共識機制
• TVL約5300萬美元,生態有35個進行中項目

Polygon:

• 2020年6月主網上線Matic PoS Chain和Plasma Chain
• 2021年品牌升級爲Polygon,向聚合器轉變
• 已有37k+的Dapp,1.8B的總交易數和135M+用戶

Ronin:

• 爲Axie Infinity遊戲開發的側鏈
• 2021年3月主網上線,採用PoA共識機制
• 2022年3月遭受6.24億美元黑客攻擊

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,所有用戶的資產仍可以撤出Plasma鏈並退回主網。

3.3.2 時間線

• 2017/08:Plasma白皮書發布
• 2018/01:提出第一個正式Plasma應用Plasma MVP
• 2018/03:提出Plasma Cash解決大規模退出問題
• 2018/06:提出Plasma Debit
• 2018/11:提出Plasma Prime
• 2019年起:以太坊社區開始探索Rollups方案

3.3.3 技術原理

Plasma的核心思想:

• 鏈外執行:大部分工作在主網之外處理
• 狀態承諾:用Merkle Root存儲Plasma鏈狀態的壓縮版本
• 退出機制:用戶需向主網證明有可提取且數額正確的資金

使用流程:

1. 用戶在主網Plasma合約中存入資金
2. 用戶在Plasma鏈上交易
3. Operator將交易打包並提交狀態承諾到主網
4. 用戶發起提款請求,經過挑戰期後可提取資金

3.3.4 優缺點

優點:

• 高吞吐量
• 低交易費用
• 繼承主網安全性

缺點:

• 復雜的退出機制
• 數據可用性問題
• 用戶需頻繁監控
• 功能受限

3.3.5 應用

主要應用:

• Plasma Group → Optimism(Optimistic Rollup)
• OMG Network → Boba Network(Optimistic Rollup)
• Polygon(previously Matic Network) → 全棧L2解決方案

總結: Plasma是一種技術上的過渡方案,受限於技術本身存在的問題,主要應用均快速轉向了基於Rollups的方案開發。

3.4 Rollups

3.4.1 概要

Rollups的核心思想是將計算過程和狀態存儲放在鏈下,而在主鏈上存儲狀態承諾和壓縮的交易數據。

Rollups分爲兩種類型:

• Optimistic Rollups:通過欺詐證明保證正確性
• ZK Rollups:通過有效證明(零知識證明)保證正確性

3.4.2 技術原理

核心機制:

• 鏈下虛擬機執行交易和狀態存儲
• 將壓縮後的交易數據和狀態根上傳到主鏈合約