链下扩容方案全解析:从State Channels到Rollups的技术演进

链下扩容深度解析

1. 扩容的必要性

区块链的未来愿景是实现去中心化、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。

让我们先大致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,链就能抵抗更大比例的攻击。
  • 可扩展性:区块链处理大量交易的能力。

万字深度研报:全面解析链下扩容

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。2015年开始,比特币社区就扩容问题存在分歧,一方支持扩大区块,另一方支持使用隔离见证方案优化主链结构。2017年8月1日,支持大区块的一方自行开发8MB客户端系统,导致比特币出现第一次重大硬分叉,诞生了BCH。

以太坊网络也选择牺牲部分可扩展性来保障网络安全性和去中心化。虽然以太坊没有像比特币限制区块大小,但变相对单个区块的燃料费设置上限,目的都是实现无信任共识并确保节点广泛分布。

从2017年的CryptoKitties到DeFi summer,再到GameFi和NFT的兴起,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,导致交易成本上升,结算时间变长,大部分DApp难以承受运行成本。理想的扩容方案是:在不牺牲去中心化和安全性的前提下,尽可能提高区块链网络的交易速度和吞吐量。

2. 扩容方案的类别

我们可以按照"是否改变一层主网"将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:

  • 扩大区块空间,增加每个区块打包的交易数量,但会提高对节点设备的要求,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,并行计算可同时处理多个交易。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。

链下扩容方案又可细分为Layer2和其他方案:

  • Layer2:State Channels、Plasma、Rollups
  • 其他:Sidechains、Validium

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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,将用户之间的交互放在链下进行,以降低交易时间和成本,实现交易次数不受限制。

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: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是首个基于此想法的协议。
  • 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。

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3.1.3 技术原理

状态通道的一般工作流程:

  1. 参与者通过在主网智能合约存入资金打开通道。

  2. 参与者可在链下进行不限次数的交易,通过签名消息相互通信更新状态。

  3. 关闭通道时,参与者向主网合约提交最终状态。如获得全员签名,立即执行;否则需等待挑战期结束。

  4. 如遇争议,可向主网合约提交欺诈证明进行挑战。

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3.1.4 优缺点

优点:

  • 即时确认、低交易费用
  • 高吞吐量、可扩展性强
  • 私密性好

缺点:

  • 需要预先锁定资金
  • 参与者需保持在线
  • 不适用于开放式参与的应用
  • 通道建立和关闭成本高

3.1.5 应用

主要应用:比特币闪电网络、以太坊雷电网络、Celer Network。

比特币闪电网络:

  • 2015年提出,2018年3月发布主网
  • 截至2022年11月,共有76,236个支付通道,5049 BTC锁仓

以太坊雷电网络:

  • 2017年成立,2020年5月发布主网
  • 目前缺乏开发进展,多个交易所将代币RDN摘牌

Celer Network:

  • 2018年成立,增加激励层
  • 适用于高频交互应用如电竞平台

3.1.6 应用比较

闪电网络是目前最成功的状态通道应用,生态较为完善。雷电网络发展较为缓慢。Celer Network通过增加激励层,拓展了更多应用场景。

3.2 Sidechains

3.2.1 概要

侧链概念于2012年提出,2014年首次发表相关文章。侧链是为加快比特币交易而出现的区块链形态,可使用更复杂的合约或改善共识机制。侧链的交易结果最终传送回主链时,会记录在验证者端。

3.2.2 时间线

  • 2012/01:比特币侧链概念在聊天室中提出
  • 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:Skale测试网上线
  • 2018/10:xDai Chain测试网上线
  • 2020/06:Skale主网上线,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主网运行
  • 2021/12:xDai Chain与Gnosis Dao合并成Gnosis Chain
  • 2022/03:POA Network合并入Gnosis Chain

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3.2.3 技术原理

侧链的主要技术原理包括:

  1. 双向锚定:主链和侧链验证者实时记录对方当前状态。

  2. 不协调锚定:侧链验证者必须监控主链活动,但主链无法确认侧链状态,需引入Certifiers机制。

  3. 资产跨链:

    • 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

侧链上资产的安全性取决于侧链的安全性,主要是其共识机制。

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3.2.4 优缺点

优点:

  • 可实现快速、低成本交易
  • 可支持更复杂的智能合约
  • 不影响主链安全性和去中心化

缺点:

  • 需依赖联合签名机制,安全性较低
  • 跨链桥可能成为攻击目标
  • 主链资产需锁定在桥上
  • 完全依赖验证者的诚实性

3.2.5 应用

主要应用:Gnosis Chain(原xDai)、Polygon、Ronin

Gnosis Chain:

  • 2018年9月主网上线
  • 2021年与Gnosis DAO合并
  • 采用PoSDAO模式,质押可获得15% APR
  • 目前TVL约$53M,有35个运行项目

Polygon:

  • 2017年成立,2020年6月主网上线
  • 2021年2月更名,转型为扩容方案聚合器
  • 生态发展迅速,拥有37k+的DApp
  • 目前TVL约$1.07B

Ronin:

  • 为Axie Infinity游戏开发的侧链
  • 2021年3月主网上线
  • 采用PoA共识,最多25个验证节点
  • 2022年3月遭受6.25亿美元黑客攻击

3.2.6 应用比较

Gnosis Chain专注于稳定币支付,Polygon发展最为迅速全面,Ronin专为游戏设计但安全性存疑。Polygon在生态建设、技术创新和资金实力上都处于领先地位。

3.3 Plasma

3.3.1 概要

Plasma是一个构建可扩展DApp的框架。它作为侧链的演化方案出现,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,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

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3.3.3 技术原理

Plasma的核心思想:

  1. 链外执行:大部分工作在主网之外处理
  2. 状态承诺:定期在主网提交Plasma链状态
  3. 退出机制:用户可随时将资金从Plasma链撤回主网

用户流程:

  1. 在主网合约存入资产进入Plasma链
  2. 在Plasma链上进行交易
  3. Operator定期向主网提交状态承诺
  4. 用户可随时发起退出请求,经过挑战期后取回资产

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链上酱油师vip
· 18小时前
哎 这不就是永恒三角吗
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梗王NFTvip
· 18小时前
链下扩容终究只是安慰韭菜的汤药...十年经典三角困境一笑泯恩仇
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airdrop_huntressvip
· 19小时前
又来吹扩容啦~咕咕咕
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无情的套利机器vip
· 19小时前
唉 套一天利 天天考虑扩容
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