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過程中的熱點話題之一。

區塊鏈的去中心化、安全性和可擴展性定義如下:

• 去中心化:任何人都可以成爲節點參與區塊鏈系統的生產和驗證,節點數量越多,去中心化程度越高,從而確保網路不受小羣體控制。

• 安全性:爲了獲取區塊鏈系統控制權所付出的成本越高,則安全性越高,鏈就可以抵抗較大比例的參與者攻擊。

• 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就源於擴容問題。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Segwit方案優化主鏈結構。2017年8月1日,支持擴容的一方自行開發8MB區塊的客戶端系統開始運行,導致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一部分可擴展性來保障網路的安全性和去中心化。雖然以太坊未像比特幣那樣限制區塊大小,而是對單一區塊可容納的燃料費設置上限,但目的都是爲了實現無信任共識並確保節點廣泛分布。

從2017年的CryptoKitties、DeFi summer到後來的GameFi和NFT等鏈上應用興起,市場對吞吐量需求不斷增加,但以太坊每秒仍只能處理15-45筆交易。這導致交易成本增加,結算時間變長,大部分DApps難以承受運行成本,整個網路變得又慢又貴,區塊鏈擴容問題亟待解決。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,此篇不展開,簡要列舉兩種:

• 方案一是擴大區塊空間,即增加每個區塊打包的交易數量,但這會提高對高性能節點設備的要求,提高節點的加入門檻,降低"去中心化"程度。

• 方案二是分片,將區塊鏈帳本分成若幹部分,不再是每個節點參與所有記帳,而是由不同分片即不同節點負責不同記帳,並行計算可以同時處理多個交易;這樣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;但這意味着全網算力被分散,會降低整個網路的"安全性"。

改變一層主網協議的代碼可能會產生難以預料的負面影響,因爲底層任何細微的安全漏洞都會嚴重威脅整個網路的安全性,網路可能會被迫進行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。

鏈下擴容方案又可以細分爲Layer2和其他方案:

• Layer2:在主鏈之上構建的二層網路,包括State Channels、Plasma、Rollups等
• 其他方案:Sidechains、Validium等

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,以此來降低交易時間和成本,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。每個通道都由主網上運行的多籤智能合約管理,該合約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。參與者在網路部署合約後,存入資金並鎖定,雙方籤名確認後,通道正式開通。通道允許參與者間進行不限次數的鏈下免費交易(只要轉帳淨值不超過存入的總額)。參與者輪流發送狀態更新給對方,等待對方籤名確認。一旦對方籤名確認,這筆狀態更新就算完成。正常情況下,雙方同意的狀態更新不會上傳主網,只有出現爭議或關閉通道時,才會依賴主網確認。需要關閉通道時,任一參與者可在主網提出交易請求,如果獲得全員一致籤名批準,則鏈上立即執行;如果其他參與者沒有籤名批準,則所有人需等待"挑戰期"結束才能收到剩餘資金。

綜上,狀態通道方案可以大大減少主網計算量,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首次系統性總結State Channel概念,提出比特幣的Payment Channel是State Channel的子案例。
• 2016/01,Joseph Poon和Thaddeus Dryja正式發表白皮書《The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments》提出比特幣閃電網絡的擴容方案Payment Channel(支付通道),該方案僅用於處理比特幣網路上的轉帳支付。
• 2017/11,第一個基於Payment Channel框架下的State Channel設計規範Sprites被提出。
• 2018/06,Counterfactual提出了詳細的Generalized State Channels設計,這是第一個完全與狀態通道相關的設計。
• 2018/10,文章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是首個基於該想法建立的協議。
• 2019/10,Pisa爲解決所有參與者需要持續在線的問題,拓展了Watchtowers概念。
• 2020/03,Hydra提出Fast Isomorphic Channels。

3.1.3 技術原理

狀態通道的一般工作流程如下:

1. Alice和Bob通過從個人EOA存入資金到鏈上合約地址,這些資金被鎖定在合約中,直到通道關閉時才返回給用戶;二人籤名確認後,二人之間的狀態通道正式開通。

2. Alice和Bob可在鏈下開展不限次數的交易,參與者通過加密的籤名消息相互通信(而不是與區塊鏈網路通信)。雙方都需要對每筆交易進行籤名,以防止雙花作惡。通過這些消息,他們提出自己帳戶的狀態更新,並接受對方提出的狀態更新。

3. 如果Alice想關閉通道結束和Bob之間的交易,Alice需要向合約提交自己帳戶的最終狀態,如果Bob籤名批準,合約則會根據最終狀態將鎖定的資金釋放返回對應用戶。如果Bob未響應籤名,合約則會在挑戰期結束後將鎖定的資金釋放返回對應用戶。

3.1.4 優缺點

優點:

• 即時交易,高吞吐量
• 低交易成本
• 可實現隱私交易
• 安全性由底層區塊鏈保證

缺點:

• 需要鎖定資金
• 不適合大規模多方交易
• 參與方需要頻繁在線
• 部分場景受限制

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,技術演變經歷從單向支付通道到雙向支付通道再到多人支付網絡。通過鏈下小額支付通道,借助中間人構成交易網路,可以解決比特幣網路擴容問題。使用遵循"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)"的流程;理論上每秒可以處理一百萬筆交易。

• 時間線:

  • 2015年2月,發布白皮書草稿
  • 2016年1月發布正式版白皮書並成立Lightning Labs
  • 2018年3月15日,發布第一個主網版本LND 0.4
  • 2021年初,公共容量約4000萬美元,約10萬用戶
  • 2021年6月,薩爾瓦多採用比特幣爲法定貨幣,9月發布基於閃電網絡的錢包Chivo
  • 2022年,26個加密貨幣交易平台宣布支持閃電網絡
  • 2022年10月,Lightning Labs發布Taro protocol alpha版本,未來將可用於在比特幣網路上鑄造、發送和接收資產
  • 2022年11月23日,閃電網絡有76,236個支付通道,通道資金5049 BTC(81.8M美元)

• 生態發展: 閃電網絡生態從下到上包括:底層BTC網路、核心基礎設施(解決方案、節點和流動性服務)、各種DApps。截至2022年11月,基於閃電網絡的DApps已超過20個類別和100多個應用,主要包括支付、錢包、節點管理、瀏覽器擴展程序、播客和流媒體等。

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,通過建立狀態通道來對鏈上交易進行拓展,目的是實現近乎即時、低費用和可擴展的ERC20代幣支付。

• 時間線:

  • 2017年成立,創始人Heiko Hees曾是以太坊核心開發者
  • 2017年10月17日ICO籌集超3000萬美元
  • 2020年5月第一個Raiden Light Client - Alderaan在以太坊主網上線
  • 2021年底,多個交易所將$RDN摘牌

• 目前未獲廣泛採用,原因包括:

  1. 使用門檻過高:以太坊Gas費用過高時,開啓通道成本過高
  2. 更先進的擴容技術出現:Rollup等更好的擴容方案使Raiden Network用例受限

• 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,以進一步降低創建State Channel的Gas費用。2022年5月宣布在Arbitrum上線,成爲L2之上運行的L2。未來將以Rollups爲中心進行轉變,作爲與Rollups共存的補充方案。

Celer Network:

• 概述:Celer Network本質上是一個增加了激勵層(代幣$CELR)的閃電網絡,可通過鏈外擴展技術和激勵性經濟模型構建快速、易用、低成本和安全的高頻交互類型區塊鏈DApps,如電子