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,這是當前區塊鏈發展中的熱點話題之一。

區塊鏈的去中心化、安全性和可擴展性簡單定義如下:

• 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,確保網路不受少數大型中心化參與者控制。

• 安全性:獲取區塊鏈系統控制權所需成本越高,安全性越高,能抵抗較大比例參與者的攻擊。

• 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。隨着用戶數量和交易量增多,1MB 區塊上限的比特幣網路開始面臨擁堵;2015 年起,比特幣社區就擴容問題存在分歧,一方支持擴大區塊,另一方支持使用隔離見證優化主鏈結構。2017 年 8 月 1 日,支持擴大區塊的一方自行開發 8MB 客戶端系統運行,導致比特幣首次重大硬分叉,誕生了新幣種 BCH。

以太坊網路也選擇犧牲一部分可擴展性來保障安全性和去中心化,通過對區塊燃料費設置上限來限定交易量。從 2017 年的 CryptoKitties 到後來的 DeFi、GameFi 和 NFT 等應用興起,市場對吞吐量需求不斷增加,但以太坊每秒僅能處理 15-45 筆交易,導致交易成本增加、結算時間變長,大部分 DApp 難以承受運行成本,整個網路變得又慢又貴,亟需解決擴容問題。理想的擴容方案是:在不犧牲去中心化和安全性的前提下,盡可能提高交易速度和吞吐量。

2. 擴容方案的類別

按照"是否改變一層主網"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,但會提高節點設備要求,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,由不同節點負責不同記帳,並行計算可同時處理多個交易;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;但全網算力被分散,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,底層細微安全漏洞會嚴重威脅整個網路安全,可能導致分叉或中斷修復升級。

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。

鏈下擴容方案可細分爲 Layer2 和其他方案:

Layer2 方案包括:

• 狀態通道
• 側鏈
• Plasma
• Rollups(樂觀匯總和零知識匯總)

其他方案包括:

• 驗證人
• 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開啓、關閉或解決糾紛時,用戶才需與主網交互,將用戶間交互放在鏈下進行,以降低交易時間和成本,實現交易次數不受限制。

狀態通道是簡單的 P2P 協議,適合"基於回合的應用",如兩人棋類遊戲。每個通道由主網上的多籤智能合約管理,控制存入資產、驗證狀態更新,並仲裁爭議。參與者在部署合約後存入資金並鎖定,雙方籤名確認後通道正式開通。通道允許不限次數的鏈下免費交易(只要轉帳總額不超過存入代幣)。參與者輪流發送狀態更新並等待對方籤名確認。正常情況下狀態更新不上傳主網,只有出現爭議或關閉通道時才依賴主網確認。關閉通道時,任一參與者可在主網提出請求,如獲全員一致籤名,則立即執行;否則需等待"挑戰期"結束再收到剩餘資金。

狀態通道可大幅減少主網計算量,提升交易速度,降低交易成本。

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:首個基於支付通道框架的 State Channel 設計規範 Sprites 提出
• 2018/06:Counterfactual 提出詳細的 Generalized State Channels 設計
• 2018/10:Generalised State Channel Networks 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 是首個基於該想法的協議
• 2019/10:Pisa 爲解決參與者需持續在線問題,拓展 Watchtowers 概念
• 2020/03:Hydra 提出 Fast Isomorphic Channels

3.1.3 技術原理

傳統鏈上工作流程:用戶與主網智能合約交互,通過發送交易改變合約狀態。缺點是帶來時間和成本問題。

狀態通道工作流程:

1. 用戶將資金存入主網合約地址,鎖定資金直到通道關閉
2. 用戶在鏈下進行不限次數交易,通過加密籤名消息通信
3. 如需關閉通道,用戶向合約提交最終狀態
4. 如對方籤名批準,合約根據最終狀態分發資金;否則需等待挑戰期結束

悲觀情況下:

• 如某用戶不響應狀態更新,另一方可向合約提交最後有效狀態發起挑戰
• 合約允許被挑戰方在一段時間內響應
• 如無響應,合約自動關閉通道並返還資金

3.1.4 優缺點

優點:

• 即時確認交易
• 高吞吐量
• 低交易費用
• 私密性好

缺點:

• 需預先鎖定資金
• 通道容量有限
• 參與者需持續在線監控
• 通道創建和關閉成本高
• 有限的通用性

3.1.5 應用

比特幣閃電網絡:

概述: 閃電網絡是比特幣網路的小額支付通道,技術演變經歷:單向支付通道、雙向支付通道、多人支付網絡。通過鏈下支付通道和中間人構成交易網路,解決比特幣網路擴容問題。使用流程爲"存款(建立通道)→閃電網絡交易(更新通道狀態)→退款/結算(結束通道)"。理論上每秒可處理百萬筆交易。

時間線:

• 2015年2月:白皮書草稿發布
• 2016年1月:正式白皮書發布,成立 Lightning Labs
• 2018年3月:發布首個主網版本LND 0.4
• 2021年6月:薩爾瓦多採用比特幣爲法定貨幣,發布基於閃電網絡的錢包Chivo
• 2022年:多家交易平台支持閃電網絡
• 2022年10月:閃電網絡擁有76,236個支付通道,通道資金5049 BTC

生態發展: 閃電網絡生態從下到上依次爲:底層BTC網路、核心基礎設施、各種DApps。核心基礎設施包括閃電網絡解決方案和節點流動性服務。基礎設施之上是支付和金融服務等應用程序。目前已有超過20個類別和100多個應用,涵蓋支付、錢包、節點管理、瀏覽器擴展、播客和流媒體等領域。

以太坊雷電網絡:

概述: 雷電網絡是基於以太坊的小額支付通道,與閃電網絡類似,通過建立狀態通道擴展鏈上交易,實現快速低費用的ERC20代幣支付。

時間線:

• 2017年成立,創始人曾是以太坊核心開發者
• 2017年10月進行ICO,籌集超3000萬美元
• 2020年5月發布首個主網Alderaan版本
• 2021年底多個交易所將RDN代幣摘牌

目前未獲廣泛採用,原因包括:

1. 使用門檻高:以太坊Gas費用過高時,開啓通道成本過高
2. 更先進擴容技術出現:當時是以太坊唯一擴容方案,但目前出現如Rollup等更好方案

生態發展: 目前生態發展緩慢,團隊正改造使其運行在以太坊Layer2 Rollup網路上,以降低創建通道Gas費用。2022年5月在Arbitrum上線,成爲L2之上的L2。未來將以Rollups爲中心轉變,作爲補充方案。

Celer Network:

概述: Celer Network本質是增加激勵層(CELR代幣)的閃電網絡,通過鏈外擴展技術和激勵經濟模型構建快速低成本的高頻交互DApps,如電子競技平台等。

技術原理: 用戶在鏈下狀態通道進行交互,只有在需要時(如出現爭議)才在鏈上驗證。通過鏈下地址轉換器OAT,鏈下地址可唯一映射鏈上智能合約。

架構包括三層:

• cChannel:廣義狀態通道和側鏈套件
• cRoute:鏈下支付路由
• cOS:鏈下應用程序開發框架和運行環境

時間線:

• 2018年創立,團隊來自知名大學
• 2019年3月在幣安Launchpad發行CELR代幣
• 2019年7月主網上線,發布首個通用狀態通道網路和電競平台CelerX

生態發展: 隨區塊鏈生態向多鏈發展,Celer Network轉變爲支持跨鏈的L2擴容聚合平台,推出DeFi協議Layer2.finance、信息跨鏈協議Celer IM和資產跨鏈橋cBridge等產品。cBridge已支持139種代幣和38條鏈。2022年11月集成進MetaMask Bridges Beta和zkSync 2.0測試網。

3.1.6 應用比較

比特幣閃電網絡:

• 主要用途:比特幣小額支付
• 技術特點:HTLC支持多跳支付
• 生態發展:應用廣泛,鏈上容量穩步增長
• 優勢:低手續費、快速交易、增強比特幣網路擴展性
• 劣勢:需預存資金、通道容量有限、路由復雜

以太坊雷電網絡:

• 主要用途:以太坊代幣支付
• 技術特點:支持通用智能合約
• 生態發展:發展緩慢,正向Rollup轉型
• 優勢:支持更復雜邏輯
• 劣勢:使用門檻高、生態落後

Celer Network:

• 主要用途:高頻交互DApp
• 技術特點:增加激勵層,支持通用智能合約
• 生態發展:轉型爲跨鏈L2聚合平台
• 優勢:通用性強,跨鏈能力
• 劣勢:相對復雜

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