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。

区块链的去中心化、安全性和可扩展性定义:

• 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:获取区块链控制权成本越高,安全性越高,可抵抗较大比例的攻击。
• 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。以太坊网络也选择牺牲了一部分可扩展性,来保障网络的安全性和去中心化。

从2017年的CryptoKitties,到DeFi summer、GameFi和NFT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。

理想的扩容方案是:在不牺牲去中心化和安全性的前提下,提高区块链网络的交易速度和吞吐量。

2. 扩容方案的类别

按照"是否改变一层主网"作为标准,扩容方案可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,如:

• 扩大区块空间,增加每个区块打包的交易数量,但会提高节点要求,降低去中心化程度。
• 分片,将区块链账本分成若干部分,由不同节点负责不同记账,可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。

改变一层主网协议可能产生难以预料的负面影响,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。

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。

链下扩容方案可细分为Layer2和其他方案:

• Layer2:包括State Channels、Plasma、Rollups等
• 其他方案:如侧链

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,把用户与用户的交互放在链下进行,以降低交易的时间和金钱成本。

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。

3.1.2 时间线

• 2015/02:闪电网络白皮书草案发布
• 2015/11:Jeff Coleman首次系统总结State Channel概念
• 2016/01:比特币闪电网络白皮书正式发表
• 2017/11:第一个基于Payment Channel框架的State Channel设计规范Sprites提出
• 2018/06:Counterfactual提出详细的Generalized State Channels设计
• 2018/10:State Channel Networks和Virtual Channels概念提出
• 2019/02:N-Party Channels概念扩展,Nitro协议建立
• 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

State Channels的工作流程:

1. 用户通过智能合约在主网存入资金,开通状态通道
2. 用户在链下进行多次交易,互相签名确认状态更新
3. 任一方可向主网提交关闭通道请求,如无争议则执行最终状态
4. 如有争议,合约会等待"挑战期"结束再确认最终状态

与传统链上交互相比,State Channels可大大减少主网计算量,提升交易速度,降低成本。

3.1.4 优缺点

优点:

• 即时确认交易
• 低交易费用
• 高隐私性
• 高可扩展性

缺点:

• 需要预先锁定资金
• 参与方需保持在线
• 不适用于开放式参与的应用
• 难以实现多方通道
• 通道关闭时需等待挑战期

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等。

比特币闪电网络:

• 2015年提出,2018年发布主网版本
• 通过链下小额支付通道解决比特币网络扩容问题
• 目前有76,236个支付通道,通道资金5049 BTC

以太坊雷电网络:

• 2017年成立,目标实现ERC20代币的即时低费用支付
• 2020年发布第一个主网客户端
• 目前使用较少,团队正改造为在L2 Rollup上运行

Celer Network:

• 2018年成立,是增加激励层的闪电网络
• 适用于高频交互的应用,如电子竞技平台
• 目前已转型为跨链通信平台

3.1.6 应用比较

比特币闪电网络、以太坊雷电网络和Celer Network在以下方面存在差异:

• 底层区块链:分别基于比特币、以太坊和多链
• 应用范围:支付、智能合约和通用应用
• 发展阶段:成熟度和生态发展程度不同
• 技术特点:如路由算法、状态通道设计等存在差异

3.2 Sidechains

3.2.1 概要

侧链概念首次于2012年被提出,2014年发表首篇相关论文。侧链是为加快交易而出现的区块链形态,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会记录在主链验证者端。

3.2.2 时间线

• 2012/01:比特币侧链概念在聊天室提出
• 2014/10:比特币侧链论文初次发表
• 2017/04:POA Network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主网和Matic PoS Chain主网上线
• 2021/02:Matic Network更名为Polygon Network
• 2021/02:Axie Infinity侧链Ronin主网运行
• 2021/12:xDai Chain与Gnosis Dao合并
• 2022/03:POA Network合并入Gnosis Chain

3.2.3 技术原理

侧链通过双向锚定或不协调锚定与主链沟通。主要流程:

1. 用户将原生资产发送到特殊地址锁定
2. 等待确认期结束,向侧链提交证明
3. 等待挑战期,避免双花攻击
4. 完成后用户可在侧链使用新铸封装资产

侧链的安全性取决于侧链共识机制。如果有人在侧链上凭空创造与主链不符的资产,可能造成资金被盗风险。

3.2.4 优缺点

优点:

• 高可扩展性
• 快速确认
• 低交易费用
• 可自定义功能

缺点:

• 安全性依赖于侧链本身
• 需要信任侧链验证者
• 资产跨链需等待时间长
• 部分中心化

3.2.5 应用

主要应用包括:

xDai(现Gnosis Chain):

• 以太坊侧链,使用xDai作为原生代币
• 2018年9月主网上线,2021年与Gnosis合并
• 采用PoSDAO共识机制
• 目前TVL约53百万美元

Polygon:

• 前身为Matic Network,2021年品牌升级
• 提供PoS侧链和Plasma链两种方案
• 目前有37k+Dapp,1.8B总交易数,135M+用户

Ronin:

• Axie Infinity游戏专用侧链
• 2021年3月主网上线,采用PoA共识
• 2022年3月遭受6.25亿美元黑客攻击

3.2.6 应用比较

xDai、Polygon和Ronin在以下方面存在差异:

• 共识机制:分别采用PoSDAO、PoS和PoA
• 应用范围:通用、多样化生态和游戏专用
• 安全性:验证者数量和选择机制不同
• 发展阶段:生态发展程度和规模存在差异

3.3 Plasma

3.3.1 概要

Plasma是一个构建可扩展Dapp的框架。它作为侧链的演化方案出现,旨在将用户对侧链Operator的信任降至最低。Plasma的基本原则是,即使Plasma链出现安全故障,所有用户资产仍可撤出并退回主网。

3.3.2 时间线

• 2017/08:Plasma白皮书发布
• 2018/01:首个正式Plasma应用Plasma MVP提出
• 2018/03:Plasma Cash提出,解决大规模退出问题
• 2018/06:Plasma Debit提出
• 2018/11:BANKEX提出Plasma Prime
• 2019年起:以太坊社区开始探索Rollups方案

3.3.3 技术原理

Plasma核心思想:

• 链外执行:大部分工作在主网外处理
• 状态承诺:通过Merkle Root向主网提交状态
• 退出机制:允许用户安全退出Plasma链

主要流程:

1. 用户在主网存款进入Plasma链
2. 在Plasma链上进行交易
3. Operator定期向主网提交状态承诺
4. 用户可随时发起退出请求
5. 经过挑战期后,用户可在主网取回资产

3.3.4 优缺点

优点:

• 高吞吐量
• 低交易费用
• 继承主网部分安全性

缺点:

• 复杂的退出机制
• 需要定期监控Plasma链
• 大规模退出