鏈下擴容深度解析

1. 擴容的必要性

區塊鏈的未來是去中心化、安全性和可擴展性。但通常區塊鏈只能實現其中兩個,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:爲了獲取區塊鏈系統控制權所付出的成本越高,則安全性越高。
• 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。2017年8月1日,Bitcoin BCH自行開發8MB區塊的客戶端系統開始運行,導致了比特幣歷史上第一次重大硬分叉,誕生了新幣種BCH。

以太坊網路也是選擇犧牲了一部分可擴展性,來保障網路的安全性和去中心化。從2017年的CryptoKitties,到DeFi summer、再到後來GameFi和NFT等鏈上應用的興起,市場對吞吐量需求不斷增加,但以太坊每秒只能處理15-45筆交易。這導致交易成本增加,結算時間變長,大部分Dapps難以承受運行成本,整個網路對用戶而言變的又慢又貴,區塊鏈擴容問題亟待解決。

2. 擴容方案的類別

我們按照"是否改變一層主網"作爲標準,把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,此篇文章不展開,簡要列舉兩種:

• 擴大區塊空間,即增加每個區塊打包的交易數量,但會降低"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,可降低節點計算壓力,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,因爲底層任何細微的安全漏洞都會嚴重威脅整個網路的安全性。

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。

鏈下擴容方案又可以細分爲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,把用戶之間的交互放在鏈下進行,以降低交易的時間和金錢成本,並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。每個通道都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首次系統性總結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:第一個基於Payment Channel框架下的State Channel設計規範Sprites被提出。
• 2018/06:Counterfactual提出Generalized State Channels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是首個基於該想法建立的協議。
• 2019/10:Pisa爲解決所有參與者需要持續在線的問題,拓展了Watchtowers概念。
• 2020/03:Hydra提出Fast Isomorphic Channels。

3.1.3 技術原理

State Channels工作流程:

1. Alice和Bob在主網部署多籤合約並存入資金鎖定。
2. Alice和Bob在鏈下進行多次交易,每次交易雙方籤名確認。
3. 關閉通道時,Alice向合約提交最終狀態。如Bob籤名批準,合約根據最終狀態分發資金。如Bob未響應,需等待挑戰期結束才能收到資金。

3.1.4 優缺點

優點:

• 即時終結性
• 低交易手續費
• 高隱私性

缺點:

• 通道初始化成本高
• 參與者需要持續在線
• 鎖定資金流動性差
• 難以應用於通用場景

3.1.5 應用

1. 比特幣閃電網絡

   • 概述: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。
   • 時間線:2015年提出,2018年發布主網版本,2022年多家交易所支持閃電網絡。
   • 生態:已有20多個類別和100多個應用,包括支付、錢包、節點管理等。

2. 以太坊雷電網絡

   • 概述:基於以太坊的小額支付通道,與閃電網絡類似。
   • 時間線:2017年成立,2020年發布第一個Light Client。
   • 發展受阻:使用門檻高、更先進擴容技術出現等原因導致未獲廣泛採用。

3. Celer Network

   • 概述:增加激勵層的閃電網絡,適用於高頻交互類應用如電子競技平台。
   • 時間線:2018年創立,2019年主網上線。
   • 生態:已推出DeFi協議Layer2.finance、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、以太坊雷電網絡和Celer Network在功能、安全性、去中心化程度等方面各有特點,適用於不同場景。

3.2 Sidechains

3.2.1 概要

側鏈是爲加快主鏈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。側鏈是附着於主鏈上並協助主鏈解決問題的基礎建設。

3.2.2 時間線

• 2012/01:比特幣側鏈概念首次提出
• 2014/10:比特幣側鏈論文發表
• 2017-2022:多個側鏈項目陸續上線,如POA Network、Matic Network(後更名爲Polygon)、xDai Chain等

3.2.3 技術原理

側鏈主要有兩種跨鏈技術:

1. Symmetric Pegged(雙向錨定):

   • 主鏈和側鏈驗證者實時記錄對方當前狀態
   • 使用雙向SPV技術進行信息傳遞
   • 主鏈資產轉移到側鏈時產生SPV-Locked Output,只有側鏈驗證者可解鎖

2. Asymmetric Pegged(不協調錨定):

   • 側鏈驗證者監控主鏈活動,可主動記錄主鏈到側鏈的交易
   • 側鏈到主鏈交易需引入Certifiers機制,由Certifiers驗證並籤名

3.2.4 優缺點

優點:

• 可實現快速交易和低手續費
• 可實現圖靈完備
• 可自定義共識機制

缺點:

• 安全性依賴於側鏈驗證者
• 主側鏈資產轉移需要等待時間
• 去中心化程度較低

3.2.5 應用

1. xDai(現Gnosis Chain)

   • 概述:基於DAI的側鏈,交易手續費易計算
   • 時間線:2018年上線,2022年與Gnosis合並
   • 生態:在DeFi Llama排名第20,TVL約53mil美元

2. Polygon

   • 概述:以太坊擴容解決方案聚合器
   • 時間線:2017年成立,2020年主網上線,2021年更名爲Polygon
   • 生態:擁有37k+Dapp,1.8B總交易數和135M+用戶

3. Ronin

   • 概述:爲Axie Infinity遊戲開發的側鏈
   • 時間線:2021年3月主網上線,2022年3月遭遇黑客攻擊
   • 生態:主要服務於Axie Infinity相關應用

3.2.6 應用比較

xDai、Polygon和Ronin在技術特點、應用場景、生態發展等方面各有不同,分別適用於不同的使用需求。

3.3 Plasma

3.3.1 概要

Plasma是一個構建可擴展Dapp的框架,旨在將用戶對側鏈Operator的信任降至最低。即使Operator作惡,Plasma也可防止用戶資金被盜。

3.3.2 時間線

• 2017/08:Vitalik和Joseph Poon提出Plasma白皮書
• 2018/01:提出Plasma MVP
• 2018/03:提出Plasma Cash
• 2018/06:提出Plasma Debit
• 2018/11:提出Plasma Prime
• 2019年起:以太坊社區開始探索新的二層擴容方案"Rollups"

3.3.3 技術原理

Plasma核心思想:

• 鏈外執行:大部分工作在主網外處理
• 狀態承諾:Operator定期在主網發布Merkle Root作爲狀態承諾
• 退出機制:用戶可提交Merkle Proof證明資金所有權

使用流程:

1. 用戶在主網合約存入資金
2. 用戶在Plasma鏈上交易
3. Operator打包交易並提交Merkle Root到主網
4. 用戶發起退出請求,經過挑戰期後可提取資金

3.3.4 優缺點

優點:

• 高吞吐量
• 低交易費用
• 繼承主網安全性

缺點:

• 退出時間長
• 用戶需持續監控Plasma鏈
• 大規模退出問題
• 數據可用性問題

3.3.5 應用

1. Plasma Group → Optimism

   • 2019年轉向研究Optimistic Rollup

2. OMG Network → Boba Network

   • 2020年主網上線,使用More Viable Plasma技術
   • 2021年更名爲Boba Network,轉向Optimistic Rollup

3. Polygon

   • 2020年發布Matic Plasma Chain
   • 後轉向全棧L2解決方案,包括Rollups技術

3.3.6 總結

Plasma是一種技術過渡方案,主要應用均已轉向其他擴容技術如Rollups。

3.4 Rollups

3.4.1 概要

Rollups的核心思想是將計算過程和狀態存儲放在鏈下,而在打包上鏈的是狀態承諾和被壓縮的交易數據。目前主要分爲Optimistic Rollups和ZK Rollups兩種。

3.4.2 技術原理

Roll