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鏈下擴容全景：State Channels、Sidechains、Plasma和Rollups深度解析
鏈下擴容深度解析
作者：Ellaine Xu、Hettie Jiang、June Wang、Walon Lin、Yiliu Lin
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。
讓我們先定義區塊鏈的去中心化、安全性和可擴展性:
比特幣網路的第一次重大硬分叉源於擴容問題。2015年開始,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方案。2017年8月1日,支持擴大區塊的一方開始運行新的客戶端系統,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,來保障網路的安全性和去中心化。從2017年的CryptoKitties到後來DeFi、GameFi和NFT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。理想的擴容方案是:在不犧牲去中心化和安全性的前提下,盡可能提高區塊鏈網路的交易速度和吞吐量。
2. 擴容方案的類別
我們按照"是否改變一層主網"作爲標準,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。
鏈上擴容有多種方案,以下簡要列舉兩種:
改變一層主網協議可能產生難以預料的負面影響,因爲底層任何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。
鏈下擴容方案又可以細分爲Layer2和其他方案:
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,以降低交易成本並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,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
3.1.3 技術原理
狀態通道的工作流程:
悲觀情況下的工作流程:
如Bob不響應Alice的狀態更新籤名,Alice可向合約提交自己最後一次有效狀態發起挑戰。Bob可在一段時間內提交下一個狀態進行響應;如未響應,合約將自動關閉通道並將資金返回Alice。
3.1.4 優缺點
優點:
缺點:
3.1.5 應用
比特幣閃電網絡:
以太坊雷電網絡:
Celer Network:
3.2 Sidechains
3.2.1 概要
側鏈是爲加快比特幣交易而出現的一種區塊鏈形態,可使用更復雜的合約或改善共識機制。側鏈的交易結果最終會記錄在驗證者端並傳送回主鏈。
3.2.2 時間線
3.2.3 技術原理
側鏈主要有兩種與主鏈溝通的方式:
雙向錨定(Symmetric Pegged):主鏈和側鏈的驗證者實時記錄對方當前狀態,使用SPV技術驗證交易。
不協調錨定(Asymmetric Pegged):側鏈驗證者監控主鏈活動,但主網無法確認側鏈狀態,需引入Certifiers機制驗證側鏈交易。
目前越來越多的側鏈選擇使用第三方公證人(PoA)機制或Relayers中間層來確認主鏈區塊狀態。
側鏈機制總結:
3.2.4 優缺點
優點:
缺點:
3.2.5 應用
xDai Chain(現Gnosis Chain):
Polygon:
Ronin:
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。Plasma的基本原則是,即使Plasma鏈出現安全故障,所有用戶的資產仍可以撤出Plasma鏈並退回主網。
3.3.2 時間線
3.3.3 技術原理
Plasma的核心思想:
使用流程:
3.3.4 優缺點
優點:
缺點:
3.3.5 應用
主要應用:
總結: Plasma是一種技術上的過渡方案,受限於技術本身存在的問題,主要應用均快速轉向了基於Rollups的方案開發。
3.4 Rollups
3.4.1 概要
Rollups的核心思想是將計算過程和狀態存儲放在鏈下,而在主鏈上存儲狀態承諾和壓縮的交易數據。
Rollups分爲兩種類型:
3.4.2 技術原理
核心機制: