鏈下擴容深度解析

1. 擴容的必要性

區塊鏈的未來願景是實現去中心化、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,這是當前區塊鏈發展過程中的熱點話題之一。

區塊鏈的去中心化、安全性和可擴展性定義如下:

• 去中心化:任何人都可以成爲節點參與區塊鏈系統的生產和驗證,節點數量越多,去中心化程度越高,確保網路不受小羣體控制。

• 安全性:獲取區塊鏈系統控制權的成本越高,安全性越高,鏈就可以抵抗較大比例參與者的攻擊。

• 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就源於擴容問題。隨着用戶數量和交易量增多,1MB 區塊上限的比特幣網路開始面臨擁堵。2015 年起,比特幣社區就擴容存在分歧,一方支持擴大區塊,另一方主張使用隔離見證方案優化主鏈結構。2017 年 8 月 1 日,支持大區塊的一方自行開發 8MB 客戶端系統運行,導致比特幣出現第一次重大硬分叉,誕生了新幣種 BCH。

以太坊網路也選擇犧牲部分可擴展性來保障安全性和去中心化,通過限制單個區塊可容納的燃料費來限定交易量,目的是實現無需信任的共識並確保節點廣泛分布。

從 2017 年的 CryptoKitties 到後來 DeFi、GameFi 和 NFT 等應用興起,市場對吞吐量需求不斷增加。但以太坊每秒仍只能處理 15-45 筆交易,導致交易成本上升,結算時間變長,大部分 DApps 難以承受運行成本。整個網路對用戶而言變得又慢又貴,區塊鏈擴容問題亟待解決。理想的擴容方案是:在不犧牲去中心化和安全性的前提下,盡可能提高交易速度和吞吐量。

2. 擴容方案的類別

我們可以按照"是否改變一層主網"將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,此處簡要列舉兩種:

• 擴大區塊空間,增加每個區塊打包的交易數量,但這會提高對節點設備的要求,降低去中心化程度。

• 分片,將區塊鏈帳本分成若幹部分,由不同節點負責不同記帳,並行計算可同時處理多個交易。這可降低節點計算壓力和加入門檻,提高交易處理速度和去中心化程度,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,因爲底層任何細微的安全漏洞都會嚴重威脅整個網路的安全。

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。

鏈下擴容方案又可細分爲 Layer2 和其他方案:

Layer2 方案包括:

• State Channels
• Plasma
• Rollups(Optimistic Rollups & ZK Rollups)

其他方案包括:

• 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,把用戶間交互放在鏈下進行,以降低交易時間和成本,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,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,該合約控制存入通道的資產,驗證狀態更新,並仲裁參與者間的爭議。參與者在部署合約後存入資金並鎖定,雙方籤名確認後通道正式開通。通道允許參與者進行不限次數的鏈下免費交易(只要轉帳淨值不超過存入的代幣總額)。參與者輪流發送狀態更新並等待對方籤名確認。正常情況下,雙方同意的狀態更新不會上傳主網,只有出現爭議或關閉通道時才依賴主網確認。關閉通道時,任一參與者可在主網提出交易請求,如獲全員籤名批準則立即執行,否則需等待"挑戰期"結束後分發剩餘資金。

狀態通道可大大減少主網計算量,提升交易速度,降低交易成本。

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 首次系統總結 State Channel 概念,提出比特幣的 Payment Channel 是 State Channel 的子案例。

• 2016/01:Joseph Poon 和 Thaddeus Dryja 正式發表白皮書提出比特幣閃電網絡的 Payment Channel 擴容方案,僅用於處理比特幣網路轉帳支付。

• 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,首個完全相關的設計。

• 2018/10:文章提出 State Channel Networks 和 Virtual Channels 概念。

• 2019/02:狀態通道概念擴展到 N-Party Channels,Nitro 是首個基於該想法建立的協議。

• 2019/10:Pisa 爲解決所有參與者需持續在線的問題,拓展了 Watchtowers 概念。

• 2020/03:Hydra 提出 Fast Isomorphic Channels。

3.1.3 技術原理

狀態通道的一般工作流程如下:

1. Alice 和 Bob 通過在主網合約中存入資金開通狀態通道。

2. 二人可在鏈下進行不限次數的交易,通過籤名消息相互通信更新狀態。

3. 關閉通道時,Alice 向合約提交最終狀態。如 Bob 籤名批準,合約根據最終狀態分配資金。如 Bob 未響應,則在挑戰期結束後分配資金。

4. 如 Bob 在某個時間點不響應 Alice 發送的狀態更新,Alice 可向合約提交最後一次有效狀態(包含 Bob 之前的籤名)發起挑戰。合約允許 Bob 在一段時間內響應。如 Bob 響應,則繼續交易;如未響應,則合約關閉通道並將資金返還給 Alice。

3.1.4 優缺點

優點:

• 即時最終確定性
• 低成本交易
• 隱私性
• 高吞吐量

缺點:

• 需要持續在線
• 僅適用於預定參與者
• 資金鎖定
• 復雜的通道管理
• 關閉通道時的延遲

3.1.5 應用

比特幣閃電網絡

概述: 閃電網絡是比特幣網路的小額支付通道,技術演變經歷:2/2 多籤構建單向支付通道,增加 RSMC 構建雙向支付通道,增加 HTLC 後可連接支付通道拓展到多人支付,最終構建支付網絡。通過鏈下小額支付通道,借助中間人構成交易網路,解決比特幣網路擴容問題。

時間線:

• 2015 年 2 月:發布閃電網絡白皮書草稿
• 2016 年 1 月:發布正式白皮書並成立 Lightning Labs
• 2018 年 3 月:發布第一個主網版本
• 2021 年:Cash App 和多個交易平台支持閃電網絡
• 2022 年 11 月:共有 76,236 個支付通道,通道資金 5049 BTC

生態發展: 閃電網絡生態從底層到頂層依次爲:BTC 網路、核心基礎設施(閃電網絡解決方案、節點和流動性服務)、各種 Dapps。目前基礎設施層已基本成熟,錢包支持增加,金融服務和支付集成繼續增長,更多娛樂應用在構建,生態系統正蓬勃發展。

以太坊雷電網絡

概述: 雷電網絡是基於以太坊的小額支付通道,與閃電網絡類似,通過建立狀態通道拓展鏈上交易,目的是實現近乎即時、低費用和可擴展的 ERC20 代幣支付。

時間線:

• 2017 年成立
• 2017 年 10 月進行 ICO
• 2020 年 5 月第一個 Raiden Light Client 在主網上線
• 2021 年底多個交易所將 $RDN 摘牌

目前未獲廣泛採用,原因包括使用門檻高和更先進擴容技術出現。團隊正在改造使其運行在 L2 Rollup 網路上,以降低創建 State Channel 的成本。

Celer Network

概述: Celer Network 本質是增加激勵層的閃電網絡,通過鏈外擴展技術和激勵經濟模型構建快速、易用、低成本和安全的高頻交互類 Dapps,如電子競技平台。

Celer Network 基於以太坊實現的鏈下擴容框架由三層組成:

• cChannel:廣義狀態通道和側鏈套件
• cRoute:鏈下支付路由
• cOS:鏈下應用程序開發框架和運行環境

時間線:

• 2018 年創立
• 2019 年 3 月代幣 $CELR 發布
• 2019 年 7 月在以太坊主網上線,發布世界首個 Generalized State Channel Network

生態發展: 隨着區塊鏈生態朝多鏈發展,Celer Network 擴展了核心技術,轉變爲支持跨鏈的 L2 擴容聚合平台,推出了 DeFi 協議 Layer2.finance、信息跨鏈協議 Celer IM 和資產跨鏈橋 cBridge。cBridge 已支持 139 種 token 和 38 條鏈。

3.1.6 應用比較

比特幣閃電網絡:

• 專注於比特幣小額支付
• 生態發展良好,應用廣泛

以太坊雷電網絡:

• 支持 ERC20 代幣支付
• 發展緩慢,採用率低

Celer Network:

• 支持更復雜的應用場景
• 轉型爲跨鏈 L2 擴容聚合平台

3.2 Sidechains

3.2.1 概要

側鏈概念首次於 2012 年提出,是爲加快比特幣交易而出現的