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,这就是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: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问题。2015年起,比特币社区就扩容问题存在分歧,最终导致2017年8月1日比特币历史上第一次重大硬分叉,诞生了新币种BCH。

同样,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。虽然以太坊没有像比特币那样限制区块大小,但变相对单一区块可容纳的燃料费设置上限,目的都是为了实现Trustless Consensus并确保节点的广泛分布。

从2017年的CryptoKitties,DeFi summer,到后来GameFi和NFT等链上应用兴起,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。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,整个网络对用户变得又慢又贵,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:

• 方案一是扩大区块空间,即增加每个区块打包的交易数量,但会提高对高性能节点设备的要求,降低"去中心化"程度。

• 方案二是分片,将区块链账本分成若干部分,由不同节点负责不同记账。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;但意味着全网算力被分散,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。

链下扩容方案又可以细分为Layer2和其他方案:

• Layer2:在主链之上构建的第二层网络
• 侧链:独立的区块链,与主链并行运行
• Plasma:一种特殊的侧链
• Validium:数据可用性在链下的扩容方案

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,以降低交易的时间和金钱成本,并实现不受限制的交易次数。

状态通道是简单的P2P协议,适合"基于回合的应用程序",例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。参与者在网络部署合约后,存入资金并锁定,双方签名确认后,通道正式开通。通道允许参与者之间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给对方,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,才会依赖主网确认。关闭通道时,任一参与者可在主网提出交易请求,如获得全员签名批准,则立即执行;否则需等待"挑战期"结束才能收到剩余资金。

综上,状态通道方案可以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首次系统性总结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正式发表闪电网络白皮书,提出比特币闪电网络扩容方案Payment Channel。
• 2017/11:第一个基于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要持续在线的问题,拓展了Watchtowers概念。
• 2020/03:Hydra提出Fast Isomorphic Channels。

3.1.3 技术原理

状态通道的工作流程:

1. Alice和Bob通过从个人EOA存入资金到链上合约地址,这些资金被锁定在合约中。二人签名确认后,状态通道正式开通。

2. Alice和Bob可在链下开展不限次数的交易,通过加密签名消息相互通信。双方都需要对每笔交易签名,以防止双花作恶。通过这些消息,他们提出自己账户的状态更新,并接受对方提出的状态更新。

3. 如果Alice想关闭通道结束交易,需向合约提交自己账户的最终状态。如果Bob签名批准,合约则会根据最终状态将锁定的资金返回对应用户。如果Bob未响应签名,合约则会在挑战期结束后将资金返回对应用户。

3.1.4 优缺点

优点:

• 即时确认
• 高吞吐量
• 低成本
• 隐私性好

缺点:

• 需要锁定资金
• 参与者需持续在线
• 难以处理多方交易
• 不适合复杂智能合约
• 集中化风险
• 用户体验差

3.1.5 应用

比特币闪电网络:

• 比特币网络的小额支付通道,通过链下小额支付通道和中间人构成交易网络,解决比特币网络扩容问题。
• 2015年2月白皮书草案发布,2018年3月主网版本发布。
• 截至2022年11月,闪电网络共有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、浏览器扩展等100多个应用。

以太坊雷电网络:

• 基于以太坊的小额支付通道,与闪电网络类似。
• 2017年成立,2020年5月首个主网客户端上线。
• 目前未获得广泛采用,原因包括使用门槛高、更先进扩容技术出现等。

Celer Network:

• 本质上是一个增加了激励层的闪电网络。
• 2018年成立,2019年7月以太坊主网上线。
• 已转变为支持跨链的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等产品。

3.2 Sidechains

3.2.1 概要

侧链的概念首次于2012年被提出,是为了加快比特币交易而出现的一种区块链形态。侧链可以使用更复杂的合约,或通过改善共识机制(如PoS),或区块参数让侧链符合特定作用。侧链的交易结果最终在传送回主链时,会记录在验证者端。这种区块链模式并非新的区块链形态,而是附着于主链上并协助主链解决问题的基础建设。

3.2.2 时间线

• 2012/01:比特币侧链概念在聊天室中被提出
• 2014/10:比特币侧链论文初次发表:Symmetric Pegged和Asymmetric Pegged
• 2017/04:POA Network基于以太坊Proof of Authentication共识的侧链测试网上线
• 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

侧链的技术原理包括两种主要的跨链技术:

Symmetric Pegged:

• 主链和侧链的验证者实时记录对方当前的状态
• 使用双向SPV技术进行信息传递
• 主链token转到侧链时,产生只有侧链验证者可解锁的特殊输出
• 需要等待confirmation period和contest period,以避免双花攻击

Asymmetric Pegged:

• 侧链验证者需实时监控主链活动
• 主链到侧链的转账(forward transaction)由侧链主动记录
• 侧链到主链的转账(backward transaction)需引入Certifiers机制
• Certifiers记录关键信息并通过聚合签名传回主链

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。如果有人在侧链上凭空创造资产,可能会有窃取资金的风险。

3.2.4 优缺点

优点:

• 可扩展性好
• 高度定制化
• 与主链安全互不影响
• 可实验新功能

缺点:

• 安全性较弱
• 跨链操作复杂
• 流动性分散
• 需要独立的激励机制
• 中心化风险

3.2.5 应用

xDai(现Gnosis Chain):

• 2018年9月主网上线
• 采用PoSDAO验证模式
• 2021年11月与Gnosis DAO合并
• 目前TVL约$53M,有35个进行中的项目

Polygon:

• 2017年Matic Network成立,2021年2月更名Polygon
• 2020年6月主网发布Matic PoS Chain和Matic Plasma Chain
• 目前转向全栈L2解决方案
• 拥有37k+ DApp,1.8B总交易数,135M+用户

Ronin:

• 2021年3月主网上线,专