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中的熱點話題之一。

區塊鏈的去中心化、安全性和可擴展性可以定義爲:

• 去中心化:任何人都可以成爲節點參與區塊鏈系統,節點數量越多,去中心化程度越高,確保網路不受少數中心化參與者控制。

• 安全性:獲取區塊鏈系統控制權的成本越高,安全性越高,鏈就能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,比特幣社區就擴容問題存在分歧,一方支持擴大區塊,另一方主張使用隔離見證優化主鏈結構。2017年8月1日,支持擴容的一方自行開發8MB區塊鏈,導致比特幣首次重大硬分叉,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,通過燃料費上限來限定交易量。從2017年的CryptoKitties到DeFi、GameFi和NFT的興起,市場對吞吐量需求不斷增加,但以太坊每秒僅能處理15-45筆交易,導致交易成本上升、結算時間變長,大部分DApp難以承受運行成本,整個網路變得又慢又貴,亟需解決擴容問題。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:

• 方案一是擴大區塊空間,增加每個區塊打包的交易數量,但這會提高對高性能節點設備的要求,降低"去中心化"程度。

• 方案二是分片,將區塊鏈帳本分成若幹部分,由不同分片負責不同記帳,並行計算可同時處理多個交易。這可以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,但意味着全網算力被分散,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,底層任何細微的安全漏洞都會嚴重威脅整個網路安全,網路可能被迫分叉或中斷修復升級。

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。

鏈下擴容方案可細分爲Layer2和其他方案:

Layer2:

• State Channels
• Plasma
• Rollups
  • Optimistic Rollups
  • ZK Rollups

其他:

• 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,將用戶間交互放在鏈下進行,以降低交易時間和成本,實現不受限制的交易次數。

狀態通道是簡單的P2P協議,適合"基於回合的應用程序",如兩人國際象棋。每個通道由主網上的多籤智能合約管理,控制通道資產,驗證狀態更新,並仲裁爭議(根據帶籤名和時間戳的欺詐證明)。參與者部署合約後,存入資金並鎖定,雙方籤名確認後通道正式開通。通道允許不限次數的鏈下免費交易(只要淨值不超過存入總額)。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,狀態更新不上傳主網,只在爭議或關閉通道時依賴主網確認。關閉通道時,任一方可在主網提出請求,如獲全員籤名批準則立即執行,否則需等待"挑戰期"結束。

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Payment Channel是State Channel的子案例。

• 2016/01:Joseph Poon和Thaddeus Dryja正式發表比特幣閃電網絡白皮書,提出Payment Channel擴容方案。

• 2017/11:首個基於Payment Channel的State Channel設計規範Sprites提出。

• 2018/06:Counterfactual提出詳細的Generalized State Channels設計,首個完全相關的設計。

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

• 2019/02:狀態通道擴展到N-Party Channels,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問題。

• 2020/03:Hydra提出Fast Isomorphic Channels。

3.1.3 技術原理

傳統鏈上工作流程:用戶通過向鏈上發送交易來改變智能合約狀態,但會帶來時間和成本問題。

狀態通道工作流程:

1. 用戶從EOA存入資金到鏈上合約,鎖定直到通道關閉。
2. 用戶可在鏈下進行不限次數交易,通過加密籤名消息通信。
3. 關閉通道時,向合約提交最終狀態,如對方籤名批準則立即執行,否則等待挑戰期。

悲觀情況下,如一方不響應,另一方可向合約提交最後有效狀態發起挑戰,合約允許對方在一段時間內響應。如無響應,合約自動關閉通道並返還資金。

3.1.4 優缺點

優點:

• 即時確認,快速交易
• 低費用
• 隱私性
• 高吞吐量

缺點:

• 需要持續在線監控
• 需要鎖定資金
• 不適合低頻交易
• 通道容量有限
• 不支持通用智能合約

3.1.5 應用

比特幣閃電網絡:

• 是比特幣網路的小額支付通道
• 通過鏈下小額支付通道和中間人構成交易網路,解決擴容問題
• 遵循"存款→閃電網絡交易→退款/結算"流程
• 理論上每秒可處理百萬筆交易
• 2021年底TVL約4000萬美元,約10萬用戶
• 2022年11月共76,236個支付通道,5049 BTC資金($81.8M)

以太坊雷電網絡:

• 基於以太坊的小額支付通道,類似閃電網絡
• 目的是實現近乎即時、低費用和可擴展的ERC20代幣支付
• 2017年成立,2017年10月ICO籌集3000萬美元
• 2020年5月第一個Light Client上線
• 目前未獲廣泛採用,原因包括使用門檻高、更先進擴容技術出現等
• 團隊正改造使其運行在以太坊Layer2 Rollup網路上

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性經濟模型構建快速、易用、低成本、安全的高頻交互DApps
• 適用於電子競技平台等高頻交互應用
• 使用OAT(Off-chain Address Translator)將鏈下地址唯一映射到鏈上智能合約
• 由cChannel、cRoute和cOS三層組成
• 2018年創立,2019年3月代幣$CELR發行
• 目前已推出DeFi協議Layer2.finance、信息跨鏈協議Celer IM和資產跨鏈橋cBridge

3.1.6 應用比較

比特幣閃電網絡:

• 用於BTC支付
• 雙向支付通道
• 交易量較大
• 生態發展較好

以太坊雷電網絡:

• 用於ETH和ERC20支付
• 雙向支付通道
• 交易量較小
• 生態發展緩慢

Celer Network:

• 支持多種資產
• 廣義狀態通道
• 交易量中等
• 生態向跨鏈方向發展

3.2 Sidechains

3.2.1 概要

側鏈概念首次於2012年比特幣開發人員聊天室中提出,2014年首篇相關文章發表。側鏈是爲加快比特幣交易而出現的區塊鏈形態,可使用更復雜合約或改善共識機制。側鏈交易結果最終傳送回主鏈時,會記錄在驗證者端。這種模式是附着於主鏈並協助解決問題的基礎建設。

3.2.2 時間線

• 2012/01:比特幣側鏈概念在聊天室提出
• 2014/10:比特幣側鏈論文發表:Symmetric Pegged和Asymmetric Pegged
• 2017/04:POA Network基於以太坊PoA共識的側鏈測試網上線
• 2017/10:Matic Network啓動
• 2017/12:POA Network主網上線
• 2018/01:Skales測試網上線
• 2018/10:xDai Chain測試網上線
• 2020/06:Skale主網上線
• 2020/06:以太坊側鏈Matic PoS Chain主網上線
• 2021/02:Matic Network更名爲Polygon Network
• 2021/02:Axie Infinity遊戲側鏈Ronin主網運行
• 2021/12:xDai Chain與Gnosis Dao合並成Gnosis Chain
• 2022/03:POA Network合並入Gnosis Chain

3.2.3 技術原理

側鏈使用雙向錨定(Symmetric Pegged)和不協調錨定(Asymmetric Pegged)兩種方式與主鏈通信。

Symmetric Pegged:

• 主側鏈驗證者實時記錄對方當前狀態(區塊頭信息)
• 使用雙向SPV技術傳遞信息
• 主鏈Token發送到側鏈時產生SPV-Locked Output
• 側鏈驗證者用SPV證明解鎖
• 等待confirmation period和contest period後可在側鏈使用新鑄資產

Asymmetric Pegged:

• 側鏈驗證者實時監控主鏈活動
• 主鏈向側鏈轉帳時側鏈主動記錄(forward transaction)
• 側鏈向主鏈轉帳時引入Certifiers機制
• Certifiers記錄合約ID、驗證者ID、轉移名單等信息
• Certifiers通過質押和籤名確保安全性

目前多數側鏈使用PoA機制或Relayers中間層來確認主鏈區塊狀態。

側鏈機制總結:

• 主鏈→側鏈:主鏈鎖定資產,側鏈生成wrapped asset
• 側鏈→主鏈:側鏈銷毀wrapped asset,主鏈解鎖資產

側鏈資產安全性取決於側鏈安全性,即側鏈共識機制。

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