链下扩容全解析:从State Channels到ZK Rollups

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。

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。
  • 安全性:为了获取区块链系统控制权所付出的成本越高,则安全性越高。
  • 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。以太坊网络也是选择牺牲了一部分可扩展性,用来保障网络的安全性和去中心化。从2017年开始,市场对吞吐量需求不断增加,但以太坊每秒只能处理15-45笔交易,导致交易成本增加,结算时间变长。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。

万字深度研报:全面解析链下扩容

2. 扩容方案的类别

按照"是否改变一层主网"作为标准,可以将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,主要方案是分片。

主要方案:

  • 扩大区块空间:增加每个区块打包的交易数量,但会降低去中心化程度。
  • 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,可提高交易处理速度,但会降低整个网络的安全性。

改变一层主网协议可能会产生难以预料的负面影响,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。

可细分为Layer 2和其他方案:

  • Layer 2:在主链之上构建的二层网络
  • 其他方案:如侧链等

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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,用户间交互放在链下进行,以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。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首次系统总结State Channel概念
  • 2016/01: 比特币闪电网络白皮书正式发表
  • 2017/11: 首个State Channel设计规范Sprites提出
  • 2018/06: Counterfactual提出详细的Generalized State Channels设计
  • 2018/10: State Channel Networks和Virtual Channels概念提出
  • 2019/02: N-Party Channels概念出现,Nitro是首个基于该想法的协议
  • 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

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3.1.3 技术原理

状态通道工作流程:

  1. 用户向链上合约存入资金,开通通道
  2. 用户在链下进行交易,通过签名消息相互通信
  3. 关闭通道时,向合约提交最终状态
  4. 如无争议,合约根据最终状态分配资金
  5. 如有争议,进入挑战期,由合约仲裁

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3.1.4 优缺点

优点:

  • 即时交易确认
  • 高吞吐量
  • 低手续费
  • 隐私性好

缺点:

  • 需锁定资金
  • 通道关闭延迟
  • 难以支持复杂应用
  • 用户需在线监控

3.1.5 应用

主要应用:

  • 比特币闪电网络:小额支付通道网络
  • 以太坊雷电网络:类似闪电网络的以太坊扩容方案
  • Celer Network:增加激励层的状态通道网络

3.1.6 应用比较

比特币闪电网络:

  • 发展较早,生态较成熟
  • 仅支持BTC支付

以太坊雷电网络:

  • 支持ETH和ERC20转账
  • 发展缓慢,使用率低

Celer Network:

  • 支持通用应用场景
  • 增加代币激励,生态发展较快

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3.2 Sidechains

3.2.1 概要

侧链是为了加快比特币交易而出现的一种区块链形态,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上。

3.2.2 时间线

  • 2012/01:比特币侧链概念首次提出
  • 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:Skale测试网上线
  • 2018/10:xDai Chain测试网上线
  • 2020/06:Skale主网上线
  • 2020/06:Matic PoS Chain主网上线
  • 2021/02:Axie Infinity侧链Ronin主网运行
  • 2021/12:xDai Chain与Gnosis Dao合并
  • 2022/03:POA Network合并入Gnosis Chain

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3.2.3 技术原理

侧链主要有两种与主链通信方式:

  • 双向锚定:主链和侧链验证者互相记录对方状态
  • 不协调锚定:侧链验证者监控主链,主链通过引入Certifiers实现通信

侧链机制:

  • 主链->侧链:主链锁定资产,侧链生成等值资产
  • 侧链->主链:侧链销毁资产,主链解锁资产

侧链资产安全性取决于侧链共识机制。

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3.2.4 优缺点

优点:

  • 高度可定制
  • 支持复杂智能合约
  • 可实现快速交易确认

缺点:

  • 去中心化程度较低
  • 安全性依赖验证者
  • 双向转账延迟较高

3.2.5 应用

主要应用:

  • xDai Chain(现Gnosis Chain):基于DAI的侧链
  • Polygon(前Matic Network):以太坊扩容解决方案聚合器
  • Ronin:Axie Infinity游戏专用侧链

3.2.6 应用比较

xDai Chain:

  • 交易成本低,速度快
  • 生态发展一般

Polygon:

  • 多种扩容方案
  • 生态发展较好

Ronin:

  • 专为游戏设计
  • 曾遭受重大安全事件

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3.3 Plasma

3.3.1 概要

Plasma是一个构建可扩展Dapp的框架,旨在降低用户对侧链Operator的信任。即使Operator作恶,用户资产也可以安全撤回主网。

3.3.2 时间线

  • 2017/08:Plasma白皮书发布
  • 2018/01:Plasma MVP提出
  • 2018/03:Plasma Cash提出
  • 2018/06:Plasma Debit提出
  • 2018/11:Plasma Prime概念提出
  • 2019年起:以太坊社区开始探索Rollups

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3.3.3 技术原理

Plasma核心思想:

  • 链外执行:大部分工作在主网之外处理
  • 状态承诺:通过Merkle Root在主网上确认链外计算状态
  • 退出机制:用户可安全地将资金从Plasma链撤回主网

工作流程:

  1. 用户存入资产到主网合约
  2. 在Plasma链上进行交易
  3. Operator定期将状态根提交到主网
  4. 用户可随时发起退出请求
  5. 经过挑战期后,可从主网合约提取资产

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3.3.4 优缺点

优点:

  • 高吞吐量
  • 低手续费
  • 安全性较高

缺点:

  • 退出时间长
  • 用户需监控链上状态
  • 难以支持复杂应用

3.3.5 应用

主要应用:

  • Plasma Group:后转型为Optimism
  • OMG Network:后转型为Boba Network
  • Polygon:整合多种扩容方案

3.3.6 总结

Plasma是一种技术过渡方案,存在一些固有问题。多数项目在尝试后转向其他扩容方案,如Rollups。

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,只将状态承诺和压缩后的交易数据上链。Rollups分为Optimistic Rollups和ZK Rollups两种。

3.4.2 技术原理

Rollups工作原理:

  1. 用户发送交易到Layer 2
  2. Aggregator将交易打包并执行
  3. 将交易批次和状态根提交到Layer 1合约
  4. Layer 1合约验证并更新状态

Rollups核心问题:如何保证上传交易批次的正确性

两种解决方案:

  • 欺诈证明 → Optimistic Rollups
  • 有效证明 → ZK Rollups

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3.4.3 优缺点

优点:

  • 继承Layer 1安全性
  • 高吞吐量
  • 低手续费

缺点:

  • 数据可用性挑战
  • 提款时间较长(Optimistic Rollups)
  • EVM兼容性问题(ZK Rollups)

3.4.5 Optimistic Rollups

3.4.5.1 概要

Optimistic Rollups(OPRUs)依靠欺诈证明来保证链下执行的正确性。默认所有交易正确,只在有争议时才在主链执行验证。

3.4.5.2 时间线
  • 2018/08:Arbitrum提出将交易放
ZK0.67%
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评论
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夹心饼干哥vip
· 16小时前
太长不看啊 给孤总结下重点
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薅毛致富vip
· 16小时前
有一说一没跑road还是废的
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元宇宙的包租婆vip
· 16小时前
诶这问题还在讨论 无解啊
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薛定谔的盈利vip
· 16小时前
还在卡扩容 有点意思
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