链下扩容深度解析

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解决这一难题,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,是当前区块链发展过程中的热点话题之一。

区块链的去中心化、安全性和可扩展性定义:

• 去中心化:任何人都可以成为节点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,确保网络不受小群体控制。

• 安全性:为获取区块链系统控制权所付出的成本越高,安全性越高,链就可以抵抗较大比例参与者的攻击。

• 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就源于扩容问题。随着比特币用户数量和交易量增多,每个区块上限为1MB的网络开始面临拥堵;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,另一方认为应使用隔离见证Segwit方案优化主链结构。2017年8月1日,支持扩大区块的一方自行运行新客户端,导致比特币历史上第一次重大硬分叉,诞生了新币种BCH。

同样,以太坊网络也选择牺牲了一部分可扩展性来保障网络安全性和去中心化。虽然未像比特币网络限制区块大小,但变相对单一区块可容纳的燃料费设置上限,目的都是为实现Trustless Consensus并确保节点广泛分布。

从2017年的CryptoKitties、DeFi summer、再到后来GameFi和NFT等链上应用兴起,市场对吞吐量需求不断增加,但即使是图灵完备的以太坊每秒也只能处理15-45笔交易(TPS),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得又慢又贵,区块链扩容问题亟待解决。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

按照"是否改变一层主网"作为标准,可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,此文不展开,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,但会提高对高性能节点设备的要求,提高节点加入门槛,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,不再是每个节点参与所有记账,而是由不同分片即不同节点负责不同记账,并行计算可同时处理多个交易;这可降低节点计算压力和加入门槛,提高交易处理速度和去中心化程度;但意味着全网算力被分散,会降低整个网络的"安全性"。

改变一层主网协议的代码可能产生难以预料的负面影响,底层任何细微安全漏洞都会严重威胁整个网络安全,网络可能被迫进行分叉或中断修复升级。

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,用户之间的交互放在链下进行,以此降低交易时间和成本,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(根据带有签名和时间戳的欺诈证明)。参与者在网络部署合约后,存入资金并锁定,双方签名确认后,通道正式开通。通道允许参与者之间进行不限次数的链下免费交易(只要转账净值不超过存入的代币总额)。参与者轮流发送状态更新给对方,等待对方签名确认。一旦对方签名确认,这笔状态更新就算完成。正常情况下,双方同意的状态更新不会上传主网,只有出现争议或关闭通道时,才会依赖主网确认。关闭通道时,任一参与者可在主网提出交易请求,如获全员一致签名批准,则链上立即执行,即合约根据通道最终状态下每个参与者的余额,分发剩余锁定资金;如其他参与者未签名批准,则所有人需等待"挑战期"结束才能收到剩余资金。

总之,状态通道方案可大大减少主网计算量,提升交易速度,降低交易成本。

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首次系统总结State Channel概念,提出比特币的Payment Channel是State Channel概念中的子案例。

• 2016/01,Joseph Poon和Thaddeus Dryja正式发表白皮书《The Bitcoin Lightning Network: Scalable Off-Chain Instant Payments》提出比特币闪电网络的扩容方案Payment Channel(支付通道),该方案仅用于处理比特币网络上的转账支付。

• 2017/11,第一个基于Payment Channel框架下有关State Channel的设计规范Sprites被提出。

• 2018/06,Counterfactual提出详细的Generalized State Channels设计,这是第一个完全与状态通道相关的设计。

• 2018/10,文章Generalised State Channel Networks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为解决所有参与者需持续在线问题,拓展了Watchtowers概念。

• 2020/03,Hydra提出Fast Isomorphic Channels。

3.1.3 技术原理

传统链上工作流程:Alice和Bob与部署在主网上的智能合约交互,用户通过向链上发送交易来改变智能合约状态。缺点是会带来前面讨论的时间和成本问题。

大多数状态通道协议遵循的一般工作流程:乐观情况下,Alice和Bob需执行与之前相同操作,但这次使用状态通道,而不与链上合约交互。

• 第一步,Alice和Bob通过从个人EOA存入资金到链上合约地址,这些资金被锁定在合约中,直到通道关闭时才返回给用户;二人签名确认后,二人之间的状态通道正式开通。

• 第二步,Alice和Bob通过该通道理论上可在链下开展不限次数交易,参与者通过加密签名消息相互通信(而非与区块链网络通信)。双方用户都需对每笔交易签名,以防双花作恶。通过这些消息,他们提出自己账户的状态更新,并接受对方提出的状态更新。

• 第三步,如Alice想关闭通道结束和Bob之间的交易,Alice需向合约提交自己账户的最终状态,如Bob签名批准,合约则会根据最终状态将锁定资金释放返回对应用户。如Bob未响应签名,合约则会在挑战期结束后将锁定资金释放返回对应用户。

悲观情况下状态通道的工作流程:起初,两个参与者存入资金,然后开始交换状态更新。假设某时间点,Bob在轮次中不响应Alice发送来的状态更新签名,此时,Alice可通过向合约提交自己最后一次有效状态来发起挑战,这个有效状态也包含Bob之前的签名,从而证明最后一笔交易已收到Bob批准,最后状态已收到Bob确认。然后,合约允许Bob在一段时间内通过将下一个状态提交给合约进行响应;如Bob响应,则二人可继续在状态通道内交易;如Bob在该时间段内没有响应,则合约自动关闭状态通道并将资金返回给Alice。

3.1.4 优缺点

优点:

• 即时交易确认
• 极低的交易费用
• 扩展性好,理论上无限TPS
• 隐私性好,只有最终状态上链
• 状态更新灵活

缺点:

• 需预先锁定资金
• 参与者需持续在线监控
• 通道关闭时需等待挑战期
• 建立多方通道复杂
• 不适用于大规模价值转移

3.1.5 应用

比特币闪电网络:

概述: 闪电网络是比特币网络的小额支付通道,整体技术演变经历:2/2多签构建单向支付通道,增加RSMC后可构建双向支付通道,再增加HTLC后可连接支付通道拓展到多人支付,最终构建支付网络即闪电网络。通过链下小额支付通道,然后借助中间人构成交易网络,可解决比特币网络扩容问题。闪电网络使用遵循"存款(建立通道)→闪电网络交易(更新通道状态)→退款/结算(结束通道)"流程;理论上每秒可处理一百万笔交易。

时间线:

• 2015年2月,Joseph Poon和Thaddeus Dryja发布闪电网络白皮书草稿
• 2016年1月发布正式版白皮书并成立Lightning Labs
• 2018年3月15日,Lightning Labs发布第一个闪电网络主网版本Lightning Network Daemon (LND) 0.4版本
• 2021年初,闪电网络公共容量(TVL)约4000万美元,约10万用户使用
• 2021年6月,萨尔瓦多宣布采用比特币作为法定货币,9月发布基于闪电网络的钱包Chivo
• 2022年,Cash App和包括OKX、Kraken、Bitfinex在内的26个加密货币交易平台宣布支持闪电网络,实现即时且便宜的BTC存取款和转账功能
• 2022年10月,Lightning Labs发布基于Taproot的新协议Taro protocol(alpha版本),目前正在测试网测试,未来将可用于在比特币网络上铸造、发送和接收资产,并通过闪电网络执行即时、大容量和低费用交易
• 2022年11月23日,根据1ml.com,闪电网络共有76,236个支付通道,通道资金5049 $BTC($81.8M)

生态发展: BTC闪电网络生态从下到上依次为:底层的BTC网络--核心基础设施--各种Dapps。

核心基础设施包括:

• 闪电网络解决方案:个人和企业可运行、连接到