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。但通常區塊鏈只能實現其中兩個,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。

去中心化、安全性和可擴展性的定義:

• 去中心化:任何人都可以成爲節點參與區塊鏈系統的生產和驗證,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,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自行開發至8MB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。

以太坊網路也選擇犧牲了一部分可擴展性,用來保障網路的安全性和去中心化。從2017年的CryptoKitties,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,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。理想的擴容方案是在不犧牲去中心化和安全性的前提下,提高區塊鏈網路的交易速度和吞吐量。

2. 擴容方案的類別

按照"是否改變一層主網"作爲標準,可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: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: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。

鏈下擴容方案又可細分爲Layer2和其他方案:

• Layer2:狀態通道、Plasma、Optimistic Rollups、ZK Rollups
• 其他:側鏈、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是首個基於該想法建立的協議。
• 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

狀態通道工作流程:

1. 參與者在主網智能合約中存入資金並鎖定,雙方籤名確認後通道開通。
2. 參與者在鏈下進行不限次數的免費交易。
3. 參與者輪流發送狀態更新並籤名確認。
4. 關閉通道時,任一參與者可在主網提出交易請求。如獲全員籤名批準,立即執行;否則等待"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。

3.1.4 優缺點

優點:

• 即時確認交易
• 高吞吐量
• 低手續費
• 高隱私性

缺點:

• 需鎖定資金
• 通道建立和關閉需花費Gas費用
• 參與者需持續在線監控
• 難以進行多方交易

3.1.5 應用

1. 比特幣閃電網絡

   • 小額支付通道,通過鏈下小額支付通道構建交易網路
   • 2015年提出,2018年發布主網版本
   • 截至2022年11月,有76,236個支付通道,5049 BTC鎖倉

2. 以太坊雷電網絡

   • 基於以太坊的小額支付通道,與閃電網絡相似
   • 2017年成立,但未獲廣泛採用
   • 目前正在改造,計劃在L2網路上運行

3. Celer Network

   • 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
   • 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、以太坊雷電網絡和Celer Network在設計思路、應用場景和發展現狀方面存在差異。比特幣閃電網絡發展較爲成熟,而雷電網絡目前使用較少,Celer Network則拓展到更多應用場景。

3.2 Sidechains

3.2.1 概要

側鏈概念於2012年被提出,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。側鏈交易結果最終會記錄在主鏈驗證者端。

3.2.2 時間線

• 2012/01:比特幣側鏈概念在聊天室中被提出
• 2014/10:比特幣側鏈論文初次發表
• 2017/04:POA Network基於以太坊Proof of Authentication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,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主網開始運行
• 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

側鏈主要有兩種與主鏈溝通的方式:

1. 雙向錨定(Symmetric Pegged):主鏈和側鏈驗證者實時記錄對方當前狀態。

2. 不協調錨定(Asymmetric Pegged):側鏈驗證者監控主鏈活動,但主鏈無法確認側鏈狀態,需引入Certifiers機制。

側鏈機制總結:

• 資產從主鏈到側鏈:主鏈鎖定資產,側鏈生成wrapped asset
• 資產從側鏈到主鏈:側鏈銷毀wrapped asset,主鏈解鎖資產

側鏈上資產安全性取決於側鏈的安全性,主要是側鏈的共識機制。

3.2.4 優缺點

優點:

• 高擴展性
• 快速確認
• 低交易費用
• 可實現復雜智能合約

缺點:

• 安全性依賴側鏈共識機制
• 去中心化程度較低
• 跨鏈轉帳需等待時間長
• 存在單點故障風險

3.2.5 應用

1. xDai (現更名爲Gnosis Chain)

   • 代幣$xDai與美元1:1錨定
   • 採用PoSDAO驗證模式
   • 2018年9月主網上線,2022年4月與Gnosis合並
   • 目前TVL約$53mil,有35個進行中項目

2. Polygon

   • 2017年成立,2020年6月主網發布
   • 提供側鏈Matic PoS Chain和Plasma方案Matic Plasma Chain
   • 2021年2月品牌升級爲Polygon,轉型爲擴容方案聚合器
   • 目前擁有37k+DApp,1.8B總交易數,135M+用戶

3. Ronin

   • Axie Infinity遊戲專用側鏈
   • 採用PoA(Proof of Authority)共識機制
   • 2021年3月主網上線
   • 2022年3月遭受6.24億美元黑客攻擊

3.2.6 應用比較

xDai、Polygon和Ronin在設計思路、應用場景和發展現狀方面存在差異。xDai專注於穩定幣支付,Polygon提供多樣化擴容方案,Ronin則專注於遊戲場景。各有特色和優勢。

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。Plasma的基本原則是,如果Plasma鏈出現安全故障,所有用戶資產仍可撤出並退回主網。

3.3.2 時間線

• 2017/08:Vitalik和Joseph Poon發布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