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解決這一難題,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,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:

• 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,確保網路不受小羣體控制。

• 安全性:爲獲取區塊鏈系統控制權所付出的成本越高,安全性越高,鏈就可以抵抗較大比例參與者的攻擊。

• 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。隨着比特幣用戶數量和交易量增多,每個區塊上限爲1MB的網路開始面臨擁堵;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,另一方認爲應使用隔離見證Segwit方案優化主鏈結構。2017年8月1日,支持擴大區塊的一方自行運行新客戶端,導致比特幣歷史上第一次重大硬分叉,誕生了新幣種BCH。

同樣,以太坊網路也選擇犧牲了一部分可擴展性來保障網路安全性和去中心化。雖然未像比特幣網路限制區塊大小,但變相對單一區塊可容納的燃料費設置上限,目的都是爲實現Trustless Consensus並確保節點廣泛分布。

從2017年的CryptoKitties、DeFi summer、再到後來GameFi和NFT等鏈上應用興起,市場對吞吐量需求不斷增加,但即使是圖靈完備的以太坊每秒也只能處理15-45筆交易(TPS),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,整個網路對用戶而言變得又慢又貴,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

按照"是否改變一層主網"作爲標準,可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,此文不展開,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,但會提高對高性能節點設備的要求,提高節點加入門檻,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,並行計算可同時處理多個交易;這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產生難以預料的負面影響,底層任何細微安全漏洞都會嚴重威脅整個網路安全,網路可能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。

鏈下擴容方案又可細分爲Layer2和其他方案:

Layer2:

• State Channels
• Plasma
• Rollups
  • Optimistic Rollups
  • ZK Rollups

其他:

• Sidechains
• Validium

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,用戶之間的交互放在鏈下進行,以此降低交易時間和成本,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,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(根據帶有籤名和時間戳的欺詐證明)。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。通道允許參與者之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代幣總額)。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。關閉通道時,任一參與者可在主網提出交易請求,如獲全員一致籤名批準,則鏈上立即執行,即合約根據通道最終狀態下每個參與者的餘額,分發剩餘鎖定資金;如其他參與者未籤名批準,則所有人需等待"挑戰期"結束才能收到剩餘資金。

總之,狀態通道方案可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首次系統總結State Channel概念,提出比特幣的Payment Channel是State Channel概念中的子案例。

• 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框架下有關State Channel的設計規範Sprites被提出。

• 2018/06,Counterfactual提出詳細的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持續在線問題,拓展了Watchtowers概念。

• 2020/03,Hydra提出Fast Isomorphic Channels。

3.1.3 技術原理

傳統鏈上工作流程:Alice和Bob與部署在主網上的智能合約交互,用戶通過向鏈上發送交易來改變智能合約狀態。缺點是會帶來前面討論的時間和成本問題。

大多數狀態通道協議遵循的一般工作流程:樂觀情況下,Alice和Bob需執行與之前相同操作,但這次使用狀態通道,而不與鏈上合約交互。

• 第一步,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。

• 第二步,Alice和Bob通過該通道理論上可在鏈下開展不限次數交易,參與者通過加密籤名消息相互通信(而非與區塊鏈網路通信)。雙方用戶都需對每筆交易籤名,以防雙花作惡。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。

• 第三步,如Alice想關閉通道結束和Bob之間的交易,Alice需向合約提交自己帳戶的最終狀態,如Bob籤名批準,合約則會根據最終狀態將鎖定資金釋放返回對應用戶。如Bob未響應籤名,合約則會在挑戰期結束後將鎖定資金釋放返回對應用戶。

悲觀情況下狀態通道的工作流程:起初,兩個參與者存入資金,然後開始交換狀態更新。假設某時間點,Bob在輪次中不響應Alice發送來的狀態更新籤名,此時,Alice可通過向合約提交自己最後一次有效狀態來發起挑戰,這個有效狀態也包含Bob之前的籤名,從而證明最後一筆交易已收到Bob批準,最後狀態已收到Bob確認。然後,合約允許Bob在一段時間內通過將下一個狀態提交給合約進行響應;如Bob響應,則二人可繼續在狀態通道內交易;如Bob在該時間段內沒有響應,則合約自動關閉狀態通道並將資金返回給Alice。

3.1.4 優缺點

優點:

• 即時交易確認
• 極低的交易費用
• 擴展性好,理論上無限TPS
• 隱私性好,只有最終狀態上鏈
• 狀態更新靈活

缺點:

• 需預先鎖定資金
• 參與者需持續在線監控
• 通道關閉時需等待挑戰期
• 建立多方通道復雜
• 不適用於大規模價值轉移

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,整體技術演變經歷:2/2多籤構建單向支付通道,增加RSMC後可構建雙向支付通道,再增加HTLC後可連接支付通道拓展到多人支付,最終構建支付網絡即閃電網絡。通過鏈下小額支付通道,然後借助中間人構成交易網路,可解決比特幣網路擴容問題。閃電網絡使用遵循"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)"流程;理論上每秒可處理一百萬筆交易。

時間線:

• 2015年2月,Joseph Poon和Thaddeus Dryja發布閃電網絡白皮書草稿
• 2016年1月發布正式版白皮書並成立Lightning Labs
• 2018年3月15日,Lightning Labs發布第一個閃電網絡主網版本Lightning Network Daemon (LND) 0.4版本
• 2021年初,閃電網絡公共容量(TVL)約4000萬美元,約10萬用戶使用
• 2021年6月,薩爾瓦多宣布採用比特幣作爲法定貨幣,9月發布基於閃電網絡的錢包Chivo
• 2022年,Cash App和包括OKX、Kraken、Bitfinex在內的26個加密貨幣交易平台宣布支持閃電網絡,實現即時且便宜的BTC存取款和轉帳功能
• 2022年10月,Lightning Labs發布基於Taproot的新協議Taro protocol(alpha版本),目前正在測試網測試,未來將可用於在比特幣網路上鑄造、發送和接收資產,並通過閃電網絡執行即時、大容量和低費用交易
• 2022年11月23日,根據1ml.com,閃電網絡共有76,236個支付通道,通道資金5049 $BTC($81.8M)

生態發展: BTC閃電網絡生態從下到上依次爲:底層的BTC網路--核心基礎設施--各種Dapps。

核心基礎設施包括:

• 閃電網絡解決方案:個人和企業可運行、連接到