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的生产和验证,节点数量越多,去中心化程度越高。

• 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的攻击。

• 可扩展性:区块链处理大量交易的能力。

比特币和以太坊网络都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。随着链上应用的兴起,市场对吞吐量需求不断增加,但主网交易处理能力有限,导致交易成本增加,结算时间变长。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,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,可以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。

链上扩容的主要方案:

• 扩大区块空间:增加每个区块打包的交易数量,但会提高节点设备要求,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。可降低节点压力,提高交易处理速度,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。

链下扩容方案可以细分为Layer2和其他方案:

• Layer2:在主链之上构建的第二层网络,如State Channels、Plasma、Rollups等。

• 其他方案:如侧链等。

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,而将用户之间的交互放在链下进行,以降低交易时间和成本。

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: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。

• 2016/01:Joseph Poon和Thaddeus Dryja正式发表比特币闪电网络白皮书。

• 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:Generalised State Channel Networks概念提出。

• 2019/02:状态通道概念扩展到N-Party Channels,Nitro是首个基于该想法的协议。

• 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

状态通道工作流程:

1. Alice和Bob在主网部署多签合约并存入资金,签名确认后通道开通。

2. Alice和Bob在链下进行不限次数的免费交易,每次交易双方签名确认。

3. 需要关闭通道时,一方在主网提出交易请求:

   • 如获得全员签名批准,立即执行。
   • 否则等待"挑战期"结束后执行。

4. 如发生争议,可向主网提交带签名的欺诈证明。

3.1.4 优缺点

优点:

• 即时确认
• 低手续费
• 高吞吐量
• 私密性好

缺点:

• 需要锁定资金
• 参与者需保持在线
• 仅适用于固定参与者
• 通道容量有限

3.1.5 应用

主要应用:

• 比特币闪电网络:比特币网络的小额支付通道。

• 以太坊雷电网络:基于以太坊的小额支付通道。

• Celer Network:增加激励层的闪电网络。

3.1.6 应用比较

闪电网络、雷电网络和Celer Network在技术路线、应用场景、生态发展等方面存在差异。闪电网络发展较为成熟,雷电网络发展缓慢,Celer Network正在探索新的应用场景。

3.2 Sidechains

3.2.1 概要

侧链是为了加快比特币交易而出现的一种区块链形态,可以使用更复杂的合约或改善共识机制。侧链并非新的区块链,而是附着于主链上并协助主链解决问题的基础设施。

3.2.2 时间线

• 2012/01:比特币侧链概念在聊天室中被提出

• 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:Skales测试网上线

• 2018/10:xDai Chain测试网上线

• 2020/06:Skale主网上线

• 2020/06:以太坊侧链Matic PoS Chain主网上线

• 2021/02:Matic Network更名为Polygon Network

• 2021/02:Axie Infinity游戏侧链Ronin主网开始运行

• 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

侧链主要有双向锚定(Symmetric Pegged)和不协调锚定(Asymmetric Pegged)两种方式与主链沟通。

双向锚定:主链和侧链的验证者实时记录对方的状态。通过双向SPV技术实现资产转移。

不协调锚定:侧链验证者监控主链活动,主链向侧链转账时侧链可主动记录。侧链向主链转账时,引入Certifiers机制验证侧链传回的交易。

侧链机制总结:

• 主链->侧链:主链锁定资产,侧链生成wrapped asset
• 侧链->主链:侧链销毁wrapped asset,主链解锁资产

侧链资产安全性取决于侧链的共识机制。

3.2.4 优缺点

优点:

• 高吞吐量
• 低手续费
• 可实现快速确认
• 灵活性强

缺点:

• 安全性较低
• 去中心化程度低
• 需要信任侧链验证者

3.2.5 应用

主要应用:

• xDai(现更名为Gnosis Chain):代币与美元1:1锚定的侧链。

• Polygon:以太坊扩容解决方案聚合器。

• Ronin:Axie Infinity游戏侧链。

3.2.6 应用比较

xDai、Polygon和Ronin在共识机制、应用场景、生态发展等方面存在差异。xDai专注于支付,Polygon提供多样化生态,Ronin专注于游戏应用。

3.3 Plasma

3.3.1 概要

Plasma是一个构建可扩展Dapp的框架。作为侧链的演化方案,Plasma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

• 2019年起:以太坊社区开始探索Rollups

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承诺当前区块状态

• 退出机制:用户可从Plasma链撤出资金

用户流程:

1. 用户在主网Plasma合约存入资金

2. 用户在Plasma链上交易

3. Operator处理交易并提交状态承诺到主网

4. 退出:

   • 用户向主网合约发起退出请求
   • 经过挑战期后,若无人挑战则执行退出

3.3.4 优缺点

优点:

• 高吞吐量
• 低手续费
• 安全性较高

缺点:

• 数据可用性问题
• 大规模退出问题
• 用户体验较差
• 功能受限

3.3.5 应用

主要应用:

• Plasma Group:研究Plasma框架,后转型为Optimism

• OMG Network:早期Plasma项目,后转型为Boba Network

• Polygon:以太坊扩容聚合器,包含Plasma方案

3.3.6 应用比较

Plasma技术存在固有问题,大多数项目已转向其他扩容方案。Plasma Group转向Optimistic Rollup,OMG Network转向Boba Network,Polygon转向全栈L2解决方案。

3.4 Rollups

3.4.1 概要

Rollups是将计算和状态存储放在链下,而在链上存储状态承诺和压缩的交易数据的扩容方案。主要分为Optimistic Rollups和ZK Rollups两种。

3.4.2 技术原理

Rollups核心思想