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链下扩容全解析：从State Channels到ZK Rollups
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。但通常区块链只能实现其中两个,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。
区块链的去中心化、安全性和可扩展性定义:
比特币网络的第一次重大硬分叉源于扩容问题。以太坊网络也是选择牺牲了一部分可扩展性,用来保障网络的安全性和去中心化。从2017年开始,市场对吞吐量需求不断增加,但以太坊每秒只能处理15-45笔交易,导致交易成本增加,结算时间变长。理想的扩容方案是:在不牺牲去中心化和安全性的前提下,提高区块链网络的交易速度和吞吐量。
2. 扩容方案的类别
按照"是否改变一层主网"作为标准,可以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,主要方案是分片。
主要方案:
改变一层主网协议可能会产生难以预料的负面影响,威胁整个网络的安全性。
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。
可细分为Layer 2和其他方案:
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,用户间交互放在链下进行,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。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
3.1.3 技术原理
状态通道工作流程:
3.1.4 优缺点
优点:
缺点:
3.1.5 应用
主要应用:
3.1.6 应用比较
比特币闪电网络:
以太坊雷电网络:
Celer Network:
3.2 Sidechains
3.2.1 概要
侧链是为了加快比特币交易而出现的一种区块链形态,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会记录在主链上。
3.2.2 时间线
3.2.3 技术原理
侧链主要有两种与主链通信方式:
侧链机制:
侧链资产安全性取决于侧链共识机制。
3.2.4 优缺点
优点:
缺点:
3.2.5 应用
主要应用:
3.2.6 应用比较
xDai Chain:
Polygon:
Ronin:
3.3 Plasma
3.3.1 概要
Plasma是一个构建可扩展Dapp的框架,旨在降低用户对侧链Operator的信任。即使Operator作恶,用户资产也可以安全撤回主网。
3.3.2 时间线
3.3.3 技术原理
Plasma核心思想:
工作流程:
3.3.4 优缺点
优点:
缺点:
3.3.5 应用
主要应用:
3.3.6 总结
Plasma是一种技术过渡方案,存在一些固有问题。多数项目在尝试后转向其他扩容方案,如Rollups。
3.4 Rollups
3.4.1 概要
Rollups的核心思想是将计算和状态存储放在链下,只将状态承诺和压缩后的交易数据上链。Rollups分为Optimistic Rollups和ZK Rollups两种。
3.4.2 技术原理
Rollups工作原理:
Rollups核心问题:如何保证上传交易批次的正确性
两种解决方案:
3.4.3 优缺点
优点:
缺点:
3.4.5 Optimistic Rollups
3.4.5.1 概要
Optimistic Rollups(OPRUs)依靠欺诈证明来保证链下执行的正确性。默认所有交易正确,只在有争议时才在主链执行验证。
3.4.5.2 时间线