鏈下擴容深度解析

1. 擴容的必要性

區塊鏈的未來願景是去中心化、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。

區塊鏈的去中心化、安全性和可擴展性定義:

• 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:獲取區塊鏈系統控制權的成本越高,安全性越高,鏈就可以抵抗較大比例的攻擊。

• 可擴展性:區塊鏈處理大量交易的能力。

比特幣和以太坊網路都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。隨着鏈上應用的興起,市場對吞吐量需求不斷增加,但主網交易處理能力有限,導致交易成本增加,結算時間變長。區塊鏈擴容問題亟待解決。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,可以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。

鏈上擴容的主要方案:

• 擴大區塊空間:增加每個區塊打包的交易數量,但會提高節點設備要求,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。可降低節點壓力,提高交易處理速度,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。

鏈下擴容方案可以細分爲Layer2和其他方案:

• Layer2:在主鏈之上構建的第二層網路,如State Channels、Plasma、Rollups等。

• 其他方案:如側鏈等。

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,而將用戶之間的交互放在鏈下進行,以降低交易時間和成本。

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:Generalised State Channel Networks概念提出。

• 2019/02:狀態通道概念擴展到N-Party Channels,Nitro是首個基於該想法的協議。

• 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

狀態通道工作流程:

1. Alice和Bob在主網部署多籤合約並存入資金,籤名確認後通道開通。

2. Alice和Bob在鏈下進行不限次數的免費交易,每次交易雙方籤名確認。

3. 需要關閉通道時,一方在主網提出交易請求:

   • 如獲得全員籤名批準,立即執行。
   • 否則等待"挑戰期"結束後執行。

4. 如發生爭議,可向主網提交帶籤名的欺詐證明。

3.1.4 優缺點

優點:

• 即時確認
• 低手續費
• 高吞吐量
• 私密性好

缺點:

• 需要鎖定資金
• 參與者需保持在線
• 僅適用於固定參與者
• 通道容量有限

3.1.5 應用

主要應用:

• 比特幣閃電網絡:比特幣網路的小額支付通道。

• 以太坊雷電網絡:基於以太坊的小額支付通道。

• Celer Network:增加激勵層的閃電網絡。

3.1.6 應用比較

閃電網絡、雷電網絡和Celer Network在技術路線、應用場景、生態發展等方面存在差異。閃電網絡發展較爲成熟,雷電網絡發展緩慢,Celer Network正在探索新的應用場景。

3.2 Sidechains

3.2.1 概要

側鏈是爲了加快比特幣交易而出現的一種區塊鏈形態,可以使用更復雜的合約或改善共識機制。側鏈並非新的區塊鏈,而是附着於主鏈上並協助主鏈解決問題的基礎設施。

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:Skales測試網上線

• 2018/10:xDai Chain測試網上線

• 2020/06:Skale主網上線

• 2020/06: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

側鏈主要有雙向錨定(Symmetric Pegged)和不協調錨定(Asymmetric Pegged)兩種方式與主鏈溝通。

雙向錨定:主鏈和側鏈的驗證者實時記錄對方的狀態。通過雙向SPV技術實現資產轉移。

不協調錨定:側鏈驗證者監控主鏈活動,主鏈向側鏈轉帳時側鏈可主動記錄。側鏈向主鏈轉帳時,引入Certifiers機制驗證側鏈傳回的交易。

側鏈機制總結:

• 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

側鏈資產安全性取決於側鏈的共識機制。

3.2.4 優缺點

優點:

• 高吞吐量
• 低手續費
• 可實現快速確認
• 靈活性強

缺點:

• 安全性較低
• 去中心化程度低
• 需要信任側鏈驗證者

3.2.5 應用

主要應用:

• xDai(現更名爲Gnosis Chain):代幣與美元1:1錨定的側鏈。

• Polygon:以太坊擴容解決方案聚合器。

• Ronin:Axie Infinity遊戲側鏈。

3.2.6 應用比較

xDai、Polygon和Ronin在共識機制、應用場景、生態發展等方面存在差異。xDai專注於支付,Polygon提供多樣化生態,Ronin專注於遊戲應用。

3.3 Plasma

3.3.1 概要

Plasma是一個構建可擴展Dapp的框架。作爲側鏈的演化方案,Plasma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,所有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核心思想:

• 鏈外執行:大部分工作在主網外處理

• 狀態承諾:通過Merkle Root承諾當前區塊狀態

• 退出機制:用戶可從Plasma鏈撤出資金

用戶流程:

1. 用戶在主網Plasma合約存入資金

2. 用戶在Plasma鏈上交易

3. Operator處理交易並提交狀態承諾到主網

4. 退出:

   • 用戶向主網合約發起退出請求
   • 經過挑戰期後,若無人挑戰則執行退出

3.3.4 優缺點

優點:

• 高吞吐量
• 低手續費
• 安全性較高

缺點:

• 數據可用性問題
• 大規模退出問題
• 用戶體驗較差
• 功能受限

3.3.5 應用

主要應用:

• Plasma Group:研究Plasma框架,後轉型爲Optimism

• OMG Network:早期Plasma項目,後轉型爲Boba Network

• Polygon:以太坊擴容聚合器,包含Plasma方案

3.3.6 應用比較

Plasma技術存在固有問題,大多數項目已轉向其他擴容方案。Plasma Group轉向Optimistic Rollup,OMG Network轉向Boba Network,Polygon轉向全棧L2解決方案。

3.4 Rollups

3.4.1 概要

Rollups是將計算和狀態存儲放在鏈下,而在鏈上存儲狀態承諾和壓縮的交易數據的擴容方案。主要分爲Optimistic Rollups和ZK Rollups兩種。

3.4.2 技術原理

Rollups核心思想