链下扩容深度解析

作者：Ellaine Xu、Hettie Jiang、June Wang、Walon Lin、Yiliu Lin

1. 扩容的必要性

区块链的未来愿景是去中心化、安全性和可扩展性，但通常只能实现其中两个，这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:获取区块链系统控制权的成本越高,安全性越高,可以抵抗较大比例的攻击。
• 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。2015年开始,比特币社区就扩容问题存在分歧,一方支持扩大区块,另一方支持使用隔离见证方案。2017年8月1日,支持扩大区块的一方开始运行新的客户端系统,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到后来DeFi、GameFi和NFT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,导致交易成本增加,结算时间变长。理想的扩容方案是:在不牺牲去中心化和安全性的前提下,尽可能提高区块链网络的交易速度和吞吐量。

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,以下简要列举两种:

• 方案一是扩大区块空间,即增加每个区块打包的交易数量,但这会提高节点要求,降低去中心化程度。
• 方案二是分片,将区块链账本分成若干部分,由不同分片负责不同记账,可降低节点压力,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
• 其他方案: 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,把用户间的交互放在链下进行,以降低交易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。每个通道由主网上运行的多签智能合约管理,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:闪电网络白皮书正式发表
• 2017/11:提出第一个基于Payment Channel框架的State Channel设计规范Sprites
• 2018/06:Counterfactual提出详细的Generalized State Channels设计
• 2018/10:提出State Channel Networks和Virtual Channels概念
• 2019/02:状态通道概念扩展到N-Party Channels
• 2019/10:Pisa拓展Watchtowers概念解决参与者需持续在线的问题
• 2020/03:Hydra提出Fast Isomorphic Channels

3.1.3 技术原理

状态通道的工作流程:

1. Alice和Bob通过在主网合约存入资金并签名确认,开通状态通道。
2. Alice和Bob可在链下进行不限次数的交易,每笔交易需双方签名确认。
3. 如Alice想关闭通道,需向合约提交最终状态。如Bob签名批准,合约立即执行分发资金;如Bob未响应,需等待"挑战期"结束后才能收到资金。

悲观情况下的工作流程:

如Bob不响应Alice的状态更新签名,Alice可向合约提交自己最后一次有效状态发起挑战。Bob可在一段时间内提交下一个状态进行响应;如未响应,合约将自动关闭通道并将资金返回Alice。

3.1.4 优缺点

优点:

• 即时确认
• 高吞吐量
• 隐私性好
• 通用性强

缺点:

• 需要预先锁定资金
• 参与者需保持在线
• 支持较少参与者
• 无法解决大规模退出问题

3.1.5 应用

比特币闪电网络:

• 2015年提出,2018年发布主网版本
• 2022年11月有76,236个支付通道,通道资金5049 BTC
• 生态涵盖支付、钱包、节点管理等多个类别,100多个应用

以太坊雷电网络:

• 2017年成立,2020年发布主网版本
• 使用门槛高,生态发展缓慢
• 转向在Layer2 Rollup网络上运行

Celer Network:

• 增加了激励层的闪电网络
• 适用于高频交互类应用如电子竞技平台
• 已推出跨链桥cBridge等产品

3.2 Sidechains

3.2.1 概要

侧链是为加快比特币交易而出现的一种区块链形态,可使用更复杂的合约或改善共识机制。侧链的交易结果最终会记录在验证者端并传送回主链。

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
• 2017/04:POA Network测试网上线
• 2017/10:Matic Network启动
• 2018/01:Skale测试网上线
• 2020/06:Matic PoS Chain主网上线
• 2021/02:Ronin主网上线
• 2021/12:xDai Chain与Gnosis Dao合并成Gnosis Chain

3.2.3 技术原理

侧链主要有两种与主链沟通的方式:

1. 双向锚定(Symmetric Pegged):主链和侧链的验证者实时记录对方当前状态,使用SPV技术验证交易。

2. 不协调锚定(Asymmetric Pegged):侧链验证者监控主链活动,但主网无法确认侧链状态,需引入Certifiers机制验证侧链交易。

目前越来越多的侧链选择使用第三方公证人(PoA)机制或Relayers中间层来确认主链区块状态。

侧链机制总结:

• 资产从主链到侧链:主链锁定资产,侧链生成wrapped asset
• 资产从侧链到主链:侧链销毁wrapped asset,主链解锁资产

3.2.4 优缺点

优点:

• 高度可定制化
• 可支持复杂智能合约
• 跨链资产转移
• 独立的治理机制

缺点:

• 安全性较低
• 中心化风险
• 跨链通信复杂度高
• 双向锚定需要较长确认时间

3.2.5 应用

xDai Chain(现Gnosis Chain):

• 2018年9月主网上线,2022年4月与Gnosis合并
• 采用PoSDAO共识机制
• TVL约5300万美元,生态有35个进行中项目

Polygon:

• 2020年6月主网上线Matic PoS Chain和Plasma Chain
• 2021年品牌升级为Polygon,向聚合器转变
• 已有37k+的Dapp,1.8B的总交易数和135M+用户

Ronin:

• 为Axie Infinity游戏开发的侧链
• 2021年3月主网上线,采用PoA共识机制
• 2022年3月遭受6.24亿美元黑客攻击

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。Plasma的基本原则是,即使Plasma链出现安全故障,所有用户的资产仍可以撤出Plasma链并退回主网。

3.3.2 时间线

• 2017/08:Plasma白皮书发布
• 2018/01:提出第一个正式Plasma应用Plasma MVP
• 2018/03:提出Plasma Cash解决大规模退出问题
• 2018/06:提出Plasma Debit
• 2018/11:提出Plasma Prime
• 2019年起:以太坊社区开始探索Rollups方案

3.3.3 技术原理

Plasma的核心思想:

• 链外执行:大部分工作在主网之外处理
• 状态承诺:用Merkle Root存储Plasma链状态的压缩版本
• 退出机制:用户需向主网证明有可提取且数额正确的资金

使用流程:

1. 用户在主网Plasma合约中存入资金
2. 用户在Plasma链上交易
3. Operator将交易打包并提交状态承诺到主网
4. 用户发起提款请求,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:

• 复杂的退出机制
• 数据可用性问题
• 用户需频繁监控
• 功能受限

3.3.5 应用

主要应用:

• Plasma Group → Optimism(Optimistic Rollup)
• OMG Network → Boba Network(Optimistic Rollup)
• Polygon(previously Matic Network) → 全栈L2解决方案

总结: Plasma是一种技术上的过渡方案,受限于技术本身存在的问题,主要应用均快速转向了基于Rollups的方案开发。

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,而在主链上存储状态承诺和压缩的交易数据。

Rollups分为两种类型:

• Optimistic Rollups:通过欺诈证明保证正确性
• ZK Rollups:通过有效证明(零知识证明)保证正确性

3.4.2 技术原理

核心机制:

• 链下虚拟机执行交易和状态存储
• 将压缩后的交易数据和状态根上传到主链合约