链下扩容深度解析

作者：Cobo Ventures

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。但通常区块链只能实现其中两个,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。

让我们先定义区块链的去中心化、安全性和可扩展性:

• 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:为了获取区块链控制权所付出的成本越高,安全性越高。
• 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是源于扩容问题。2017年8月1日,Bitcoin ABC自行开发8MB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,产生了新币种BCH。

以太坊网络也选择牺牲了一部分可扩展性,来保障网络的安全性和去中心化。从2017年的CryptoKitties,到DeFi summer、GameFi和NFT等应用的兴起,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。这导致交易成本增加,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

我们按照"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,此篇文章不展开,简要列举两种:

• 扩大区块空间:增加每个区块打包的交易数量,但会降低"去中心化"程度。
• 分片:将区块链账本分成若干部分,不同分片负责不同记账。可降低节点计算压力,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。

链下扩容方案又可以细分为Layer2和其他方案:

• Layer2:State Channels、Plasma、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,用户才需要与主网交互,把用户之间的交互放在链下进行,以此降低交易的时间和成本,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",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。

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首次系统性总结State Channel概念。
• 2016/01:Joseph Poon和Thaddeus Dryja正式发表闪电网络白皮书。
• 2017/11:首个基于Payment Channel框架的State Channel设计规范Sprites被提出。
• 2018/06:Counterfactual提出详细的Generalized State Channels设计。
• 2018/10:提出State Channel Networks和Virtual Channels概念。
• 2019/02:状态通道概念扩展到N-Party Channels,Nitro是首个基于该想法建立的协议。
• 2019/10:Pisa拓展Watchtowers概念,解决参与者需持续在线的问题。
• 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. 参与者在主网上部署多签合约并存入资金锁定,双方签名确认后通道开通。
2. 参与者可在链下进行不限次数的免费交易。
3. 参与者轮流发送状态更新给对方,等待对方签名确认。
4. 关闭通道时,任一参与者可在主网提出交易请求。如获全员签名批准,立即执行;否则等待"挑战期"结束后执行。

3.1.4 优缺点

优点:

• 即时确认交易
• 低手续费
• 高吞吐量
• 私密性好

缺点:

• 需要锁定资金
• 需要持续在线监控
• 复杂交互难以实现
• 关闭通道时可能遇到挑战期
• 难以扩展到多方交易

3.1.5 应用

主要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月首次提出
• 2018年3月发布主网版本
• 目前(2022年11月)有76,236个支付通道,通道资金5049 BTC
• 生态包括支付、钱包、节点管理等100多个应用

以太坊雷电网络:

• 2017年成立
• 2020年5月发布首个主网客户端
• 目前发展缓慢,使用门槛高,更先进的扩容技术出现

Celer Network:

• 2018年创立
• 2019年7月主网上线
• 目前已转型为跨链L2扩容平台

3.1.6 应用比较

比特币闪电网络最为成熟,生态最为丰富。以太坊雷电网络和Celer Network相继转型。整体来看,状态通道技术适用于小额高频支付场景,但在复杂应用场景下存在局限性。

3.2 Sidechains

3.2.1 概要

侧链是为加快比特币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验证者端,是附着于主链并协助主链解决问题的基础建设。

3.2.2 时间线

• 2012/01:比特币侧链概念首次提出
• 2014/10:比特币侧链论文发表
• 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主网上线
• 2020/06:Matic PoS Chain主网上线
• 2021/02:Matic Network更名为Polygon Network
• 2021/02:Axie Infinity侧链Ronin主网上线
• 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

侧链有两种主要的跨链技术:

1. 双向锚定(Symmetric Pegged):主链和侧链验证者实时记录对方状态。

主要流程:

• 用户将资产发送到特殊地址
• 等待确认期结束后向侧链提交证明
• 等待挑战期结束
• 用户可在侧链使用新铸造的封装资产

2. 不协调锚定(Asymmetric Pegged):侧链验证者监控主链活动,主链通过Certifiers机制验证侧链交易。

Certifiers记录:

• 智能合约ID、验证者ID等信息
• 转移名单
• 错误报告名单
• 聚合所有签名

目前更多侧链使用第三方公证人(PoA)或Relayers中间层来实现跨链。

侧链机制总结:

• 主链->侧链:主链锁定资产,侧链生成封装资产
• 侧链->主链:侧链销毁封装资产,主链解锁资产

侧链资产安全性取决于侧链共识机制。

3.2.4 优缺点

优点:

• 快速确认
• 低手续费
• 高吞吐量
• 灵活性高

缺点:

• 安全性较差
• 去中心化程度低
• 跨链成本高
• 流动性分散

3.2.5 应用

主要包括xDai(现Gnosis Chain)、Polygon和Ronin。

xDai(Gnosis Chain):

• 2018年9月主网上线
• 2021年11月与Gnosis合并
• 采用PoSDAO共识机制
• 目前TVL约$53M,有35个进行中项目

Polygon:

• 2017年成立
• 2020年6月主网上线
• 目前转型为L2扩容聚合器
• 拥有37k+的DApp,1.8B总交易数,135M+用户

Ronin:

• 2021年3月主网上线
• 为Axie Infinity游戏开发
• 采用PoA共识,最多25个验证节点
• 曾遭受严重黑客攻击

3.2.6 应用比较

xDai专注于支付场景,Polygon发展为扩容聚合器,Ronin专为游戏设计。整体来看,侧链在性能和灵活性方面表现良好,但在安全性和去中心化方面存在不足。

3.3 Plasma

3.3.1 概要

Plasma是一个构建可扩展DApp的框架,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,用户资产仍可撤回主网。

3.3.2 时间线

• 2017/08:Vitalik和Joseph Poon提出Plasma白皮书
• 2018/01:Vitalik提出Plasma MVP
• 2018/03:Vitalik提出Plasma Cash
• 2018/06:Dan Robinson提出Plasma Debit
• 2018/11:BANKEX Foundation提出Plasma Prime
• 2018年底:开发进展停滞
• 2019年起:以太坊社区开始探索Rollups

3.3.3 技术原理

三个核心思想:

• 链外执行:主网不验证所有交易
• 状态承诺:Operator定期提交Merkle Root
• 退出机制:用户需证明有可提取资金

使用流程:

1. 用户在主网合约存款
2. 用户在Plasma链交易
3. Operator打包交易并提交状态承诺
4. 用户退出需提交证明并等待挑战期

3.3.4 优缺点

优点:

• 高吞吐量
• 低手续费
• 继承主网安全性

缺点:

• 复杂的退出机制
• 数据可用性问题
• 受限的智能合约功能
• 大规模退出问题

3.3.5 应用

主要包括