鏈下擴容深度解析

1. 擴容的必要性

區塊鏈的未來願景是實現去中心化、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。

讓我們先大致定義區塊鏈的去中心化、安全性和可擴展性:

• 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。
• 安全性:獲取區塊鏈系統控制權的成本越高,安全性越高,鏈就能抵抗更大比例的攻擊。
• 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就源於擴容問題。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年開始,比特幣社區就擴容問題存在分歧,一方支持擴大區塊,另一方支持使用隔離見證方案優化主鏈結構。2017年8月1日,支持大區塊的一方自行開發8MB客戶端系統,導致比特幣出現第一次重大硬分叉,誕生了BCH。

以太坊網路也選擇犧牲部分可擴展性來保障網路安全性和去中心化。雖然以太坊沒有像比特幣限制區塊大小,但變相對單個區塊的燃料費設置上限,目的都是實現無信任共識並確保節點廣泛分布。

從2017年的CryptoKitties到DeFi summer,再到GameFi和NFT的興起,市場對吞吐量需求不斷增加。但以太坊每秒仍只能處理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。理想的擴容方案是:在不犧牲去中心化和安全性的前提下,盡可能提高區塊鏈網路的交易速度和吞吐量。

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,目前主要方案是分片。

鏈上擴容有多種方案,此篇文章不展開,簡要列舉兩種:

• 擴大區塊空間,增加每個區塊打包的交易數量,但會提高對節點設備的要求,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,並行計算可同時處理多個交易。這可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。

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。

鏈下擴容方案又可細分爲Layer2和其他方案:

• Layer2:State Channels、Plasma、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,將用戶之間的交互放在鏈下進行,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,如兩人國際象棋遊戲。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:Joseph Poon和Thaddeus Dryja正式發表比特幣閃電網絡白皮書。
• 2017/11:首個基於Payment Channel框架的State Channel設計規範Sprites被提出。
• 2018/06:Counterfactual提出詳細的Generalized State Channels設計。
• 2018/10:提出State Channel Networks和Virtual Channels概念。
• 2019/02:狀態通道概念擴展到N-Party Channels,Nitro是首個基於此想法的協議。
• 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

狀態通道的一般工作流程:

1. 參與者通過在主網智能合約存入資金打開通道。

2. 參與者可在鏈下進行不限次數的交易,通過籤名消息相互通信更新狀態。

3. 關閉通道時,參與者向主網合約提交最終狀態。如獲得全員籤名,立即執行;否則需等待挑戰期結束。

4. 如遇爭議,可向主網合約提交欺詐證明進行挑戰。

3.1.4 優缺點

優點:

• 即時確認、低交易費用
• 高吞吐量、可擴展性強
• 私密性好

缺點:

• 需要預先鎖定資金
• 參與者需保持在線
• 不適用於開放式參與的應用
• 通道建立和關閉成本高

3.1.5 應用

主要應用:比特幣閃電網絡、以太坊雷電網絡、Celer Network。

比特幣閃電網絡:

• 2015年提出,2018年3月發布主網
• 截至2022年11月,共有76,236個支付通道,5049 BTC鎖倉

以太坊雷電網絡:

• 2017年成立,2020年5月發布主網
• 目前缺乏開發進展,多個交易所將代幣RDN摘牌

Celer Network:

• 2018年成立,增加激勵層
• 適用於高頻交互應用如電競平台

3.1.6 應用比較

閃電網絡是目前最成功的狀態通道應用,生態較爲完善。雷電網絡發展較爲緩慢。Celer Network通過增加激勵層,拓展了更多應用場景。

3.2 Sidechains

3.2.1 概要

側鏈概念於2012年提出,2014年首次發表相關文章。側鏈是爲加快比特幣交易而出現的區塊鏈形態,可使用更復雜的合約或改善共識機制。側鏈的交易結果最終傳送回主鏈時,會記錄在驗證者端。

3.2.2 時間線

• 2012/01:比特幣側鏈概念在聊天室中提出
• 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,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

側鏈的主要技術原理包括:

1. 雙向錨定:主鏈和側鏈驗證者實時記錄對方當前狀態。

2. 不協調錨定:側鏈驗證者必須監控主鏈活動,但主鏈無法確認側鏈狀態,需引入Certifiers機制。

3. 資產跨鏈:

   • 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

側鏈上資產的安全性取決於側鏈的安全性,主要是其共識機制。

3.2.4 優缺點

優點:

• 可實現快速、低成本交易
• 可支持更復雜的智能合約
• 不影響主鏈安全性和去中心化

缺點:

• 需依賴聯合籤名機制,安全性較低
• 跨鏈橋可能成爲攻擊目標
• 主鏈資產需鎖定在橋上
• 完全依賴驗證者的誠實性

3.2.5 應用

主要應用:Gnosis Chain(原xDai)、Polygon、Ronin

Gnosis Chain:

• 2018年9月主網上線
• 2021年與Gnosis DAO合並
• 採用PoSDAO模式,質押可獲得15% APR
• 目前TVL約$53M,有35個運行項目

Polygon:

• 2017年成立,2020年6月主網上線
• 2021年2月更名,轉型爲擴容方案聚合器
• 生態發展迅速,擁有37k+的DApp
• 目前TVL約$1.07B

Ronin:

• 爲Axie Infinity遊戲開發的側鏈
• 2021年3月主網上線
• 採用PoA共識,最多25個驗證節點
• 2022年3月遭受6.25億美元黑客攻擊

3.2.6 應用比較

Gnosis Chain專注於穩定幣支付,Polygon發展最爲迅速全面,Ronin專爲遊戲設計但安全性存疑。Polygon在生態建設、技術創新和資金實力上都處於領先地位。

3.3 Plasma

3.3.1 概要

Plasma是一個構建可擴展DApp的框架。它作爲側鏈的演化方案出現,旨在將用戶對側鏈Operator的信任降至最低。Plasma的基本原則是,即使Plasma鏈出現安全故障,用戶資產仍可撤回主網。

3.3.2 時間線

• 2017/08:Vitalik和Joseph Poon提出Plasma白皮書
• 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:以太坊社區開始探索Rollups

3.3.3 技術原理

Plasma的核心思想:

1. 鏈外執行:大部分工作在主網之外處理
2. 狀態承諾:定期在主網提交Plasma鏈狀態
3. 退出機制:用戶可隨時將資金從Plasma鏈撤回主網

用戶流程:

1. 在主網合約存入資產進入Plasma鏈
2. 在Plasma鏈上進行交易
3. Operator定期向主網提交狀態承諾
4. 用戶可隨時發起退出請求,經過挑戰期後取回資產