鏈下擴容深度解析

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。但通常區塊鏈只能實現其中兩個,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。

區塊鏈的去中心化、安全性和可擴展性定義:

• 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。
• 安全性:爲了獲取區塊鏈系統控制權所付出的成本越高,則安全性越高。
• 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。以太坊網路也是選擇犧牲了一部分可擴展性,用來保障網路的安全性和去中心化。從2017年開始,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,提高區塊鏈網路的交易速度和吞吐量。

2. 擴容方案的類別

按照"是否改變一層主網"作爲標準,可以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,主要方案是分片。

主要方案:

• 擴大區塊空間:增加每個區塊打包的交易數量,但會降低去中心化程度。
• 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,可提高交易處理速度,但會降低整個網路的安全性。

改變一層主網協議可能會產生難以預料的負面影響,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。

可細分爲Layer和其他方案:

• Layer:在主鏈之上構建的二層網路
• 其他方案:如側鏈等

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,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程序。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首次系統總結State Channel概念
• 2016/01: 比特幣閃電網絡白皮書正式發表
• 2017/11: 首個State Channel設計規範Sprites提出
• 2018/06: Counterfactual提出詳細的Generalized State Channels設計
• 2018/10: State Channel Networks和Virtual Channels概念提出
• 2019/02: N-Party Channels概念出現,Nitro是首個基於該想法的協議
• 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

狀態通道工作流程:

1. 用戶向鏈上合約存入資金,開通通道
2. 用戶在鏈下進行交易,通過籤名消息相互通信
3. 關閉通道時,向合約提交最終狀態
4. 如無爭議,合約根據最終狀態分配資金
5. 如有爭議,進入挑戰期,由合約仲裁

3.1.4 優缺點

優點:

• 即時交易確認
• 高吞吐量
• 低手續費
• 隱私性好

缺點:

• 需鎖定資金
• 通道關閉延遲
• 難以支持復雜應用
• 用戶需在線監控

3.1.5 應用

主要應用:

• 比特幣閃電網絡:小額支付通道網路
• 以太坊雷電網絡:類似閃電網絡的以太坊擴容方案
• Celer Network:增加激勵層的狀態通道網路

3.1.6 應用比較

比特幣閃電網絡:

• 發展較早,生態較成熟
• 僅支持BTC支付

以太坊雷電網絡:

• 支持ETH和ERC20轉帳
• 發展緩慢,使用率低

Celer Network:

• 支持通用應用場景
• 增加代幣激勵,生態發展較快

3.2 Sidechains

3.2.1 概要

側鏈是爲了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主鏈上。

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
• 2017/12:POA Network主網上線
• 2018/01:Skale測試網上線
• 2018/10:xDai Chain測試網上線
• 2020/06:Skale主網上線
• 2020/06:Matic PoS Chain主網上線
• 2021/02:Axie Infinity側鏈Ronin主網運行
• 2021/12:xDai Chain與Gnosis Dao合並
• 2022/03:POA Network合並入Gnosis Chain

3.2.3 技術原理

側鏈主要有兩種與主鏈通信方式:

• 雙向錨定:主鏈和側鏈驗證者互相記錄對方狀態
• 不協調錨定:側鏈驗證者監控主鏈,主鏈通過引入Certifiers實現通信

側鏈機制:

• 主鏈->側鏈:主鏈鎖定資產,側鏈生成等值資產
• 側鏈->主鏈:側鏈銷毀資產,主鏈解鎖資產

側鏈資產安全性取決於側鏈共識機制。

3.2.4 優缺點

優點:

• 高度可定制
• 支持復雜智能合約
• 可實現快速交易確認

缺點:

• 去中心化程度較低
• 安全性依賴驗證者
• 雙向轉帳延遲較高

3.2.5 應用

主要應用:

• xDai Chain(現Gnosis Chain):基於DAI的側鏈
• Polygon(前Matic Network):以太坊擴容解決方案聚合器
• Ronin:Axie Infinity遊戲專用側鏈

3.2.6 應用比較

xDai Chain:

• 交易成本低,速度快
• 生態發展一般

Polygon:

• 多種擴容方案
• 生態發展較好

Ronin:

• 專爲遊戲設計
• 曾遭受重大安全事件

3.3 Plasma

3.3.1 概要

Plasma是一個構建可擴展Dapp的框架,旨在降低用戶對側鏈Operator的信任。即使Operator作惡,用戶資產也可以安全撤回主網。

3.3.2 時間線

• 2017/08:Plasma白皮書發布
• 2018/01:Plasma MVP提出
• 2018/03:Plasma Cash提出
• 2018/06:Plasma Debit提出
• 2018/11:Plasma Prime概念提出
• 2019年起:以太坊社區開始探索Rollups

3.3.3 技術原理

Plasma核心思想:

• 鏈外執行:大部分工作在主網之外處理
• 狀態承諾:通過Merkle Root在主網上確認鏈外計算狀態
• 退出機制:用戶可安全地將資金從Plasma鏈撤回主網

工作流程:

1. 用戶存入資產到主網合約
2. 在Plasma鏈上進行交易
3. Operator定期將狀態根提交到主網
4. 用戶可隨時發起退出請求
5. 經過挑戰期後,可從主網合約提取資產

3.3.4 優缺點

優點:

• 高吞吐量
• 低手續費
• 安全性較高

缺點:

• 退出時間長
• 用戶需監控鏈上狀態
• 難以支持復雜應用

3.3.5 應用

主要應用:

• Plasma Group:後轉型爲Optimism
• OMG Network:後轉型爲Boba Network
• Polygon:整合多種擴容方案

3.3.6 總結

Plasma是一種技術過渡方案,存在一些固有問題。多數項目在嘗試後轉向其他擴容方案,如Rollups。

3.4 Rollups

3.4.1 概要

Rollups的核心思想是將計算和狀態存儲放在鏈下,只將狀態承諾和壓縮後的交易數據上鏈。Rollups分爲Optimistic Rollups和ZK Rollups兩種。

3.4.2 技術原理

Rollups工作原理:

1. 用戶發送交易到Layer
2. Aggregator將交易打包並執行
3. 將交易批次和狀態根提交到Layer 1合約
4. Layer 1合約驗證並更新狀態

Rollups核心問題:如何保證上傳交易批次的正確性

兩種解決方案:

• 欺詐證明 → Optimistic Rollups
• 有效證明 → ZK Rollups

3.4.3 優缺點

優點:

• 繼承Layer 1安全性
• 高吞吐量
• 低手續費

缺點:

• 數據可用性挑戰
• 提款時間較長(Optimistic Rollups)
• EVM兼容性問題(ZK Rollups)

3.4.5 Optimistic Rollups

3.4.5.1 概要

Optimistic Rollups(OPRUs)依靠欺詐證明來保證鏈下執行的正確性。默認所有交易正確,只在有爭議時才在主鏈執行驗證。

3.4.5.2 時間線

• 2018/08:Arbitrum提出將交易放