链下扩容深度解析

1. 扩容的必要性

区块链的未来愿景是实现去中心化、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,这是当前区块链发展过程中的热点话题之一。

区块链的去中心化、安全性和可扩展性定义如下:

• 去中心化:任何人都可以成为节点参与区块链系统的生产和验证,节点数量越多,去中心化程度越高,确保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,链就可以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就源于扩容问题。随着用户数量和交易量增多,1MB 区块上限的比特币网络开始面临拥堵。2015 年起,比特币社区就扩容存在分歧,一方支持扩大区块,另一方主张使用隔离见证方案优化主链结构。2017 年 8 月 1 日,支持大区块的一方自行开发 8MB 客户端系统运行,导致比特币出现第一次重大硬分叉,诞生了新币种 BCH。

以太坊网络也选择牺牲部分可扩展性来保障安全性和去中心化,通过限制单个区块可容纳的燃料费来限定交易量,目的是实现无需信任的共识并确保节点广泛分布。

从 2017 年的 CryptoKitties 到后来 DeFi、GameFi 和 NFT 等应用兴起,市场对吞吐量需求不断增加。但以太坊每秒仍只能处理 15-45 笔交易,导致交易成本上升,结算时间变长,大部分 DApps 难以承受运行成本。整个网络对用户而言变得又慢又贵,区块链扩容问题亟待解决。理想的扩容方案是:在不牺牲去中心化和安全性的前提下,尽可能提高交易速度和吞吐量。

2. 扩容方案的类别

我们可以按照"是否改变一层主网"将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,此处简要列举两种:

• 扩大区块空间,增加每个区块打包的交易数量,但这会提高对节点设备的要求,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,并行计算可同时处理多个交易。这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,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。

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。

链下扩容方案又可细分为 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. 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,把用户间交互放在链下进行,以降低交易时间和成本,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,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,并仲裁参与者间的争议。参与者在部署合约后存入资金并锁定,双方签名确认后通道正式开通。通道允许参与者进行不限次数的链下免费交易(只要转账净值不超过存入的代币总额)。参与者轮流发送状态更新并等待对方签名确认。正常情况下,双方同意的状态更新不会上传主网,只有出现争议或关闭通道时才依赖主网确认。关闭通道时,任一参与者可在主网提出交易请求,如获全员签名批准则立即执行,否则需等待"挑战期"结束后分发剩余资金。

状态通道可大大减少主网计算量,提升交易速度,降低交易成本。

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 首次系统总结 State Channel 概念,提出比特币的 Payment Channel 是 State Channel 的子案例。

• 2016/01:Joseph Poon 和 Thaddeus Dryja 正式发表白皮书提出比特币闪电网络的 Payment Channel 扩容方案,仅用于处理比特币网络转账支付。

• 2017/11:提出第一个基于 Payment Channel 框架的 State Channel 设计规范 Sprites。

• 2018/06:Counterfactual 提出详细的 Generalized State Channels 设计,首个完全相关的设计。

• 2018/10:文章提出 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 为解决所有参与者需持续在线的问题,拓展了 Watchtowers 概念。

• 2020/03:Hydra 提出 Fast Isomorphic Channels。

3.1.3 技术原理

状态通道的一般工作流程如下:

1. Alice 和 Bob 通过在主网合约中存入资金开通状态通道。

2. 二人可在链下进行不限次数的交易,通过签名消息相互通信更新状态。

3. 关闭通道时,Alice 向合约提交最终状态。如 Bob 签名批准,合约根据最终状态分配资金。如 Bob 未响应,则在挑战期结束后分配资金。

4. 如 Bob 在某个时间点不响应 Alice 发送的状态更新,Alice 可向合约提交最后一次有效状态(包含 Bob 之前的签名)发起挑战。合约允许 Bob 在一段时间内响应。如 Bob 响应,则继续交易;如未响应,则合约关闭通道并将资金返还给 Alice。

3.1.4 优缺点

优点:

• 即时最终确定性
• 低成本交易
• 隐私性
• 高吞吐量

缺点:

• 需要持续在线
• 仅适用于预定参与者
• 资金锁定
• 复杂的通道管理
• 关闭通道时的延迟

3.1.5 应用

比特币闪电网络

概述: 闪电网络是比特币网络的小额支付通道,技术演变经历:2/2 多签构建单向支付通道,增加 RSMC 构建双向支付通道,增加 HTLC 后可连接支付通道拓展到多人支付,最终构建支付网络。通过链下小额支付通道,借助中间人构成交易网络,解决比特币网络扩容问题。

时间线:

• 2015 年 2 月:发布闪电网络白皮书草稿
• 2016 年 1 月:发布正式白皮书并成立 Lightning Labs
• 2018 年 3 月:发布第一个主网版本
• 2021 年:Cash App 和多个交易平台支持闪电网络
• 2022 年 11 月:共有 76,236 个支付通道,通道资金 5049 BTC

生态发展: 闪电网络生态从底层到顶层依次为:BTC 网络、核心基础设施(闪电网络解决方案、节点和流动性服务)、各种 Dapps。目前基础设施层已基本成熟,钱包支持增加,金融服务和支付集成继续增长,更多娱乐应用在构建,生态系统正蓬勃发展。

以太坊雷电网络

概述: 雷电网络是基于以太坊的小额支付通道,与闪电网络类似,通过建立状态通道拓展链上交易,目的是实现近乎即时、低费用和可扩展的 ERC20 代币支付。

时间线:

• 2017 年成立
• 2017 年 10 月进行 ICO
• 2020 年 5 月第一个 Raiden Light Client 在主网上线
• 2021 年底多个交易所将 $RDN 摘牌

目前未获广泛采用,原因包括使用门槛高和更先进扩容技术出现。团队正在改造使其运行在 L2 Rollup 网络上,以降低创建 State Channel 的成本。

Celer Network

概述: Celer Network 本质是增加激励层的闪电网络,通过链外扩展技术和激励经济模型构建快速、易用、低成本和安全的高频交互类 Dapps,如电子竞技平台。

Celer Network 基于以太坊实现的链下扩容框架由三层组成:

• cChannel:广义状态通道和侧链套件
• cRoute:链下支付路由
• cOS:链下应用程序开发框架和运行环境

时间线:

• 2018 年创立
• 2019 年 3 月代币 $CELR 发布
• 2019 年 7 月在以太坊主网上线,发布世界首个 Generalized State Channel Network

生态发展: 随着区块链生态朝多链发展,Celer Network 扩展了核心技术,转变为支持跨链的 L2 扩容聚合平台,推出了 DeFi 协议 Layer2.finance、信息跨链协议 Celer IM 和资产跨链桥 cBridge。cBridge 已支持 139 种 token 和 38 条链。

3.1.6 应用比较

比特币闪电网络:

• 专注于比特币小额支付
• 生态发展良好,应用广泛

以太坊雷电网络:

• 支持 ERC20 代币支付
• 发展缓慢,采用率低

Celer Network:

• 支持更复杂的应用场景
• 转型为跨链 L2 扩容聚合平台

3.2 Sidechains

3.2.1 概要

侧链概念首次于 2012 年提出,是为加快比特币交易而出现的