链下扩容深度解析

1. 扩容的必要性

区块链的未来愿景是实现去中心化、安全性和可扩展性,但通常只能同时满足其中两个,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。

区块链的去中心化、安全性和可扩展性定义如下:

• 去中心化:任何人都可以参与区块链系统的生产和验证,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。

比特币和以太坊网络都选择牺牲了一部分可扩展性,以保障网络的安全性和去中心化。但随着链上应用的兴起,市场对吞吐量需求不断增加,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。理想的扩容方案是:在不牺牲去中心化和安全性的前提下,提高区块链网络的交易速度和吞吐量。

2. 扩容方案的类别

扩容方案可以按照"是否改变一层主网"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。

链上扩容的主要方案包括:

1. 扩大区块空间,增加每个区块打包的交易数量,但会提高节点要求,降低去中心化程度。

2. 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,可降低节点压力,提高交易处理速度和去中心化程度,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,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。

链下扩容方案可以细分为 Layer2 和其他方案:

• Layer2:包括状态通道、侧链、Plasma、Rollups等。
• 其他方案:包括Validium等。

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,把用户与用户的交互放在链下进行,以此降低交易时间和成本,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,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:提出第一个基于 Payment Channel 框架下的 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,Nitro 是首个基于该想法建立的协议。
• 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如下:

1. 用户在主网智能合约中存入资金开通通道。
2. 用户可在链下进行不限次数的交易,通过签名消息相互通信。
3. 关闭通道时,用户向合约提交最终状态。如双方签名确认,合约根据最终状态分发资金;如有争议,需等待挑战期结束。

3.1.4 优缺点

优点:

• 即时确认
• 低手续费
• 高隐私性
• 适用于频繁小额交易

缺点:

• 需要预先锁定资金
• 不适用于多方交易
• 参与者需持续在线
• 关闭通道时需等待挑战期

3.1.5 应用

主要应用包括:

1. 比特币闪电网络:比特币网络的小额支付通道,可实现快速低成本交易。

2. 以太坊雷电网络:基于以太坊的小额支付通道,目标是实现即时、低费用和可扩展的 ERC20 代币支付。

3. Celer Network:增加激励层的闪电网络,适用于高频交互类型的DApps。

3.1.6 应用比较

比特币闪电网络、以太坊雷电网络和Celer Network在技术实现、应用场景和生态发展上存在一定差异。比特币闪电网络主要用于比特币支付,雷电网络用于以太坊代币支付,而Celer Network适用范围更广。

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。侧链的交易结果最终会记录在主链验证者端。

3.2.2 时间线

• 2012/01:比特币侧链概念在聊天室中提出
• 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
• 2017/12:POA Network主网上线
• 2018/01:Skales测试网上线
• 2018/10:xDai Chain测试网上线
• 2020/06:Skale主网上线
• 2020/06:以太坊侧链Matic PoS Chain主网上线
• 2021/02:Matic Network更名为Polygon Network
• 2021/02:Axie Infinity游戏侧链Ronin主网运行
• 2021/12:xDai Chain与Gnosis Dao合并成Gnosis Chain
• 2022/03:POA Network合并入Gnosis Chain

3.2.3 技术原理

侧链主要有两种与主链通信的方式:

1. 双向锚定(Symmetric Pegged):主链和侧链的验证者实时记录对方的区块头信息。

2. 不协调锚定(Asymmetric Pegged):侧链验证者监控主链活动,但主链不记录侧链信息。需引入Certifiers机制验证侧链传回的交易。

侧链机制总结:

• 资产从主链到侧链:主链锁定资产,侧链生成封装资产
• 资产从侧链到主链:侧链销毁封装资产,主链解锁资产

侧链资产安全性取决于侧链的共识机制。

3.2.4 优缺点

优点:

• 更高的交易吞吐量
• 更低的交易费用
• 灵活的应用场景
• 不影响主链安全性

缺点:

• 额外的信任假设
• 跨链桥可能存在安全隐患
• 流动性分散

3.2.5 应用

主要应用包括:

1. xDai(现Gnosis Chain):使用$xDai作为交易手续费,采用PoSDAO共识机制。

2. Polygon:以太坊扩容解决方案聚合器,提供PoS侧链和Plasma链。

3. Ronin:为Axie Infinity游戏开发的侧链,采用PoA共识机制。

3.2.6 应用比较

xDai、Polygon和Ronin在共识机制、应用场景和生态发展上存在差异。xDai主要用于支付,Polygon是多功能扩容解决方案,Ronin专注于游戏应用。

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也可以防止用户资金被盗。

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:大部分工作在主网外处理
• 状态承诺:Operator定期在主网提交Merkle Root
• 退出机制:用户可通过Merkle Proof提取资金

Plasma主要流程:

1. 用户在主网存入资金
2. 用户在Plasma链上交易
3. Operator将交易打包,提交Merkle Root到主网
4. 用户可通过Merkle Proof退出Plasma链

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
• 大规模退出可能导致拥堵
• 有限的智能合约功能

3.3.5 应用

主要应用包括:

1. Plasma Group:后转型为Optimism,专注Optimistic Rollup研究

2. OMG Network:后更名为Boba Network,转向Optimistic Rollup方案

3. Polygon:提供Plasma链,后重心转向Rollup技术

3.3.6 总结

Plasma是一种过渡性技术方案,受技术限制,未获广泛应用。多数项目后转向Rollup方案。

3.4 Rollups

3.4.1 概要

Rollups的核心思想是将计算和状态存储放在链下,而在链上存储状态承诺和压缩的交易数据。主要分为Optimistic Rollups和ZK Rollups两类。

3.4.2 技术原理

Rollups主要技术特点:

• 链下虚拟机:完成交易计算和状态改变
• 交易压缩:减少链上存储数据量
• 状态承诺:定期在主网提交状态根
• 数据可用性:交易数据存储在主网calldata

Rollups交易成本 = L1数据存储成本 + L2计算处理成本

3.4.3 优缺点

优点:

• 高吞吐量
• 低交易费用
• 继承主网安全性
• 去信任

缺点:

• 提款延迟