链下扩容深度解析

1. 扩容的必要性

区块链的未来是去中心化、安全性和可扩展性。但通常区块链只能实现其中两个,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。

让我们先定义区块链的去中心化、安全性和可扩展性:

• 去中心化:任何人都可以成为节点参与区块链系统,节点数量越多,去中心化程度越高。
• 安全性:为了获取区块链系统控制权所付出的成本越高,则安全性越高。
• 可扩展性:区块链处理大量交易的能力。

比特币网络的第一次重大硬分叉源于扩容问题。2017年8月1日,Bitcoin ABC自行开发8MB区块的客户端系统开始运行,导致了比特币历史上第一次重大硬分叉,诞生了新币种BCH。

以太坊网络也是选择牺牲了一部分可扩展性,来保障网络的安全性和去中心化。从2017年的CryptoKitties,到DeFi summer、再到后来GameFi和NFT等链上应用的兴起,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。这导致交易成本增加,结算时间变长,大部分Dapps难以承受运行成本,整个网络对用户而言变的又慢又贵,区块链扩容问题亟待解决。

2. 扩容方案的类别

我们按照"是否改变一层主网"作为标准,把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,目前的主要方案是分片。

链上扩容有多种方案,此篇文章不展开,简要列举两种:

• 扩大区块空间,即增加每个区块打包的交易数量,但会降低"去中心化"程度。
• 分片,将区块链账本分成若干部分,由不同节点负责不同记账,可降低节点计算压力,但会降低整个网络的"安全性"。

改变一层主网协议可能产生难以预料的负面影响,因为底层任何细微的安全漏洞都会严重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。

链下扩容方案又可以细分为Layer2和其他方案:

• Layer2:
  • State Channels
  • Plasma
  • Rollups(Optimistic Rollups, ZK Rollups)
• 其他:
  • Sidechains
  • Validium

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,把用户之间的交互放在链下进行,以降低交易的时间和金钱成本,并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",如两人国际象棋游戏。每个通道都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

• 2015/02:Joseph Poon和Thaddeus Dryja发布闪电网络白皮书草案。
• 2015/11:Jeff Coleman首次系统性总结State Channel概念。
• 2016/01:Joseph Poon和Thaddeus Dryja正式发表比特币闪电网络白皮书。
• 2017/11:第一个基于Payment Channel框架下的State Channel设计规范Sprites被提出。
• 2018/06:Counterfactual提出Generalized State Channels设计。
• 2018/10:提出State Channel Networks和Virtual Channels概念。
• 2019/02:状态通道扩展到N-Party Channels,Nitro是首个基于该想法建立的协议。
• 2019/10:Pisa为解决所有参与者需要持续在线的问题,拓展了Watchtowers概念。
• 2020/03:Hydra提出Fast Isomorphic Channels。

3.1.3 技术原理

State Channels工作流程:

1. Alice和Bob在主网部署多签合约并存入资金锁定。
2. Alice和Bob在链下进行多次交易,每次交易双方签名确认。
3. 关闭通道时,Alice向合约提交最终状态。如Bob签名批准,合约根据最终状态分发资金。如Bob未响应,需等待挑战期结束才能收到资金。

3.1.4 优缺点

优点:

• 即时终结性
• 低交易手续费
• 高隐私性

缺点:

• 通道初始化成本高
• 参与者需要持续在线
• 锁定资金流动性差
• 难以应用于通用场景

3.1.5 应用

1. 比特币闪电网络

   • 概述:比特币网络的小额支付通道,通过链下小额支付通道和中间人构成交易网络。
   • 时间线:2015年提出,2018年发布主网版本,2022年多家交易所支持闪电网络。
   • 生态:已有20多个类别和100多个应用,包括支付、钱包、节点管理等。

2. 以太坊雷电网络

   • 概述:基于以太坊的小额支付通道,与闪电网络类似。
   • 时间线:2017年成立,2020年发布第一个Light Client。
   • 发展受阻:使用门槛高、更先进扩容技术出现等原因导致未获广泛采用。

3. Celer Network

   • 概述:增加激励层的闪电网络,适用于高频交互类应用如电子竞技平台。
   • 时间线:2018年创立,2019年主网上线。
   • 生态:已推出DeFi协议Layer2.finance、跨链协议Celer IM和资产跨链桥cBridge。

3.1.6 应用比较

比特币闪电网络、以太坊雷电网络和Celer Network在功能、安全性、去中心化程度等方面各有特点,适用于不同场景。

3.2 Sidechains

3.2.1 概要

侧链是为加快主链交易而出现的区块链形态,可使用更复杂的合约或改善共识机制。侧链是附着于主链上并协助主链解决问题的基础建设。

3.2.2 时间线

• 2012/01:比特币侧链概念首次提出
• 2014/10:比特币侧链论文发表
• 2017-2022:多个侧链项目陆续上线,如POA Network、Matic Network(后更名为Polygon)、xDai Chain等

3.2.3 技术原理

侧链主要有两种跨链技术:

1. Symmetric Pegged(双向锚定):

   • 主链和侧链验证者实时记录对方当前状态
   • 使用双向SPV技术进行信息传递
   • 主链资产转移到侧链时产生SPV-Locked Output,只有侧链验证者可解锁

2. Asymmetric Pegged(不协调锚定):

   • 侧链验证者监控主链活动,可主动记录主链到侧链的交易
   • 侧链到主链交易需引入Certifiers机制,由Certifiers验证并签名

3.2.4 优缺点

优点:

• 可实现快速交易和低手续费
• 可实现图灵完备
• 可自定义共识机制

缺点:

• 安全性依赖于侧链验证者
• 主侧链资产转移需要等待时间
• 去中心化程度较低

3.2.5 应用

1. xDai(现Gnosis Chain)

   • 概述:基于DAI的侧链,交易手续费易计算
   • 时间线:2018年上线,2022年与Gnosis合并
   • 生态:在DeFi Llama排名第20,TVL约53mil美元

2. Polygon

   • 概述:以太坊扩容解决方案聚合器
   • 时间线:2017年成立,2020年主网上线,2021年更名为Polygon
   • 生态:拥有37k+Dapp,1.8B总交易数和135M+用户

3. Ronin

   • 概述:为Axie Infinity游戏开发的侧链
   • 时间线:2021年3月主网上线,2022年3月遭遇黑客攻击
   • 生态:主要服务于Axie Infinity相关应用

3.2.6 应用比较

xDai、Polygon和Ronin在技术特点、应用场景、生态发展等方面各有不同,分别适用于不同的使用需求。

3.3 Plasma

3.3.1 概要

Plasma是一个构建可扩展Dapp的框架,旨在将用户对侧链Operator的信任降至最低。即使Operator作恶,Plasma也可防止用户资金被盗。

3.3.2 时间线

• 2017/08:Vitalik和Joseph Poon提出Plasma白皮书
• 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:以太坊社区开始探索新的二层扩容方案"Rollups"

3.3.3 技术原理

Plasma核心思想:

• 链外执行:大部分工作在主网外处理
• 状态承诺:Operator定期在主网发布Merkle Root作为状态承诺
• 退出机制:用户可提交Merkle Proof证明资金所有权

使用流程:

1. 用户在主网合约存入资金
2. 用户在Plasma链上交易
3. Operator打包交易并提交Merkle Root到主网
4. 用户发起退出请求,经过挑战期后可提取资金

3.3.4 优缺点

优点:

• 高吞吐量
• 低交易费用
• 继承主网安全性

缺点:

• 退出时间长
• 用户需持续监控Plasma链
• 大规模退出问题
• 数据可用性问题

3.3.5 应用

1. Plasma Group → Optimism

   • 2019年转向研究Optimistic Rollup

2. OMG Network → Boba Network

   • 2020年主网上线,使用More Viable Plasma技术
   • 2021年更名为Boba Network,转向Optimistic Rollup

3. Polygon

   • 2020年发布Matic Plasma Chain
   • 后转向全栈L2解决方案,包括Rollups技术

3.3.6 总结

Plasma是一种技术过渡方案,主要应用均已转向其他扩容技术如Rollups。

3.4 Rollups

3.4.1 概要

Rollups的核心思想是将计算过程和状态存储放在链下,而在打包上链的是状态承诺和被压缩的交易数据。目前主要分为Optimistic Rollups和ZK Rollups两种。

3.4.2 技术原理

Roll