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。但通常区块链只能实现其中两个,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,这是当前区块链发展过程中的热点话题之一。

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,确保网络不受少数参与者控制。

• 安全性:获取区块链系统控制权的成本越高,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源于扩容问题。随着比特币用户数量和交易量增多,1MB区块上限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,另一方支持使用隔离见证Segwit优化主链结构。2017年8月1日,支持大区块的一方自行开发8MB客户端系统开始运行,导致比特币出现第一次重大硬分叉,同时诞生了新币种BCH。

同样,以太坊网络也牺牲了部分可扩展性来保障网络安全性和去中心化,通过对单一区块可容纳的燃料费设置上限来限制交易量。目的是实现无信任共识并确保节点广泛分布。

从2017年的CryptoKitties,DeFi summer,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,但以太坊每秒仍只能处理15-45笔交易。这导致交易成本增加,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

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,此篇文章不展开,简要列举两种:

• 方案一是扩大区块空间,增加每个区块打包的交易数量,但这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,由不同分片负责不同记账,并行计算可以同时处理多个交易。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,因为底层任何细微的安全漏洞都会严重威胁整个网络的安全性。例如,2018年Zcash的通胀漏洞事件:Zcash代码基于比特币0.11.2版本修改,2018年发现其底层代码存在高危漏洞,可无限增发代币,团队花了8个月时间进行秘密修补,修复后才公开这一事件。

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:

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,并把用户之间的交互放在链下进行,以降低用户交易的时间和金钱成本,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",例如两人国际象棋游戏。每个通道都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)。参与者在区块链网络部署合约后,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(只要他们的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,等待对方的签名确认。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,只有在出现争议或关闭通道时,才会依赖主网确认。需要关闭通道时,任一参与者可在主网提出交易请求,如果退出请求获得全员一致签名批准,则链上立即执行,即智能合约根据通道最终状态下每个参与者的余额,分发剩余的锁定资金;如果其他参与者没有签名批准,则所有人需等待"挑战期"结束才能收到剩余资金。

综上,状态通道方案可以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首次系统性总结State Channel的概念,提出比特币的Payment Channel是State Channel概念中的一个子案例。

• 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框架下的有关State Channel的设计规范Sprites被提出。

• 2018/06,Counterfactual提出了一个非常详细的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的概念。

• 2019/02,状态通道的概念扩展到N-Party Channels,Nitro是首个基于该想法建立的协议。

• 2019/10,Pisa为了解决所有参与者需要持续在线的问题,拓展了Watchtowers的概念。

• 2020/03,Hydra提出Fast Isomorphic Channels。

3.1.3 技术原理

图1展示的是传统链上的工作流程:Alice和Bob与部署在主网上的智能合约进行交互,用户通过向链上发送交易来改变智能合约的状态。缺点是会带来上面讨论的时间和成本问题。

图2展示的是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需要执行与之前相同的操作,但这次他们使用状态通道,而不是与链上合约进行交互。

• 第一步,Alice和Bob通过从个人EOA存入资金到链上合约地址(交互1,2),这些资金被锁定在合约中,直到通道关闭时才将余额返回给用户;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的交易(蓝色虚线),参与者通过加密的签名消息相互通信(而不是与区块链网络通信)。双方用户都需要对每笔交易进行签名,以防止双花作恶。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,如果Alice想关闭通道结束和Bob之间的交易,Alice需要向合约提交自己账户的最终状态(交互3),如果Bob签名批准,合约则会根据最终状态将锁定的资金释放返回对应用户(交互4,5)。如果Bob未响应签名,合约则会在挑战期结束后将锁定的资金释放返回对应用户。

图3显示的是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(交互1,2),然后开始交换状态更新(蓝色虚线)。假设在某个时间点,Bob在他的轮次中不响应Alice发送来的状态更新签名(交互3),此时,Alice可以通过向合约提交自己最后一次的有效状态来发起挑战(交互4),这个有效状态也包含了Bob之前的签名,从而证明最后一笔交易已经收到Bob的批准,最后状态已经收到Bob的确认。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;如果Bob响应,则二人可以继续在状态通道内进行交易;如果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(交互5)。

3.1.4 优缺点

优点:

• 即时性:链下交易几乎是即时的
• 可扩展性:链下交易数量不受限制
• 隐私性:只有通道的最终状态才会上链
• 低费用:大大减少了链上交易费用

缺点:

• 可用性:需要参与者持续在线以响应对手的挑战
• 资金效率:需要锁定资金
• 中心化风险:通道网络的长期发展可能导致部分节点成为中心化的"枢纽"
• 复杂性:状态更新机制较为复杂

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,其整体技术演变经历:2/2多签构建单向支付通道,增加RSMC(Revocable Sequence Maturity Contract)后可构建双向支付通道,再增加HTLC(Hash Time Lock Contract)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,可以解决比特币网络扩容问题。闪电网络的整体使用遵循着"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)"的流程;理论上闪电网络每秒可以处理一百万笔交易。

时间线:

• 2015年2月,Joseph Poon和Thaddeus Dryja发布了闪电网络白皮书的草稿;
• 2016年1月发布正式版白皮书并成立了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,闪电网络的公共容量(TVL)只有约4000万美元,约不到10万用户使用闪电网络。
• 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,实现即时且便宜的的BTC存取款和转账功能。
• 2022年10月,Lightning Labs发布了基于Taproot的新协议--Taro protocol(alpha版本),目