深度解析:链下扩容方案及其未来发展

TxFailed

2025-07-28 11:15:11

链下扩容深度解析

1. 扩容的必要性

区块链的未来愿景是实现去中心化、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。

去中心化、安全性和可扩展性的定义:

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,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。2017年8月1日,Bitcoin ABC自行开发至8MB的客户端系统开始运行,导致了比特币历史上第一次重大硬分叉,诞生了新币种BCH。

以太坊网络也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年的CryptoKitties,DeFi summer、再到后来GameFi和NFT等链上应用的兴起,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,大部分Dapps难以承受运行成本。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。

2. 扩容方案的类别

按照"是否改变一层主网"作为标准,可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,目前的主要方案是分片。

链上扩容有多种方案,此处简要列举两种:

方案一: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,降低去中心化程度。
方案二: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,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。

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:状态通道、Plasma、Optimistic Rollups、ZK Rollups
其他:侧链、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,把用户间的交互放在链下进行,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首次系统性总结State Channel概念。
2016/01:Joseph Poon和Thaddeus Dryja正式发表比特币闪电网络白皮书。
2017/11:第一个基于Payment Channel框架下的State Channel设计规范Sprites被提出。
2018/06:Counterfactual提出详细的Generalized State Channels设计。
2018/10: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。

3.1.3 技术原理

状态通道工作流程:

参与者在主网智能合约中存入资金并锁定,双方签名确认后通道开通。
参与者在链下进行不限次数的免费交易。
参与者轮流发送状态更新并签名确认。
关闭通道时,任一参与者可在主网提出交易请求。如获全员签名批准,立即执行;否则等待"挑战期"结束。

状态通道可大大减少主网计算量,提升交易速度,降低交易成本。

3.1.4 优缺点

优点:

即时确认交易
高吞吐量
低手续费
高隐私性

缺点:

需锁定资金
通道建立和关闭需花费Gas费用
参与者需持续在线监控
难以进行多方交易

3.1.5 应用

比特币闪电网络
- 小额支付通道,通过链下小额支付通道构建交易网络
- 2015年提出,2018年发布主网版本
- 截至2022年11月,有76,236个支付通道,5049 BTC锁仓
以太坊雷电网络
- 基于以太坊的小额支付通道,与闪电网络相似
- 2017年成立,但未获广泛采用
- 目前正在改造,计划在L2网络上运行
Celer Network
- 增加激励层的闪电网络
- 适用于高频交互类应用,如电子竞技平台
- 已推出DeFi协议Layer2.finance、信息跨链协议Celer IM和资产跨链桥cBridge

3.1.6 应用比较

比特币闪电网络、以太坊雷电网络和Celer Network在设计思路、应用场景和发展现状方面存在差异。比特币闪电网络发展较为成熟,而雷电网络目前使用较少,Celer Network则拓展到更多应用场景。

3.2 Sidechains

3.2.1 概要

侧链概念于2012年被提出,2014年首次发表相关文章。侧链是为加快比特币交易而出现的区块链形态,可使用更复杂的合约或改善共识机制。侧链交易结果最终会记录在主链验证者端。

3.2.2 时间线

2012/01:比特币侧链概念在聊天室中被提出
2014/10:比特币侧链论文初次发表
2017/04:POA Network基于以太坊Proof of Authentication共识的侧链测试网上线
2017/10:Matic Network启动
2017/12:POA Network主网上线
2018/01:Skales测试网上线
2018/10:xDai Chain测试网上线
2020/06:Skale主网上线,以太坊侧链Matic PoS Chain主网上线
2021/02:Matic Network更名为Polygon Network
2021/02:Axie Infinity游戏侧链Ronin主网开始运行
2021/12:xDai Chain与Gnosis Dao合并成Gnosis Chain
2022/03:POA Network合并入Gnosis Chain

3.2.3 技术原理

侧链主要有两种与主链沟通的方式:

双向锚定(Symmetric Pegged):主链和侧链验证者实时记录对方当前状态。
不协调锚定(Asymmetric Pegged):侧链验证者监控主链活动,但主链无法确认侧链状态,需引入Certifiers机制。

侧链机制总结:

资产从主链到侧链:主链锁定资产,侧链生成wrapped asset
资产从侧链到主链:侧链销毁wrapped asset,主链解锁资产

侧链上资产安全性取决于侧链的安全性,主要是侧链的共识机制。

3.2.4 优缺点

优点:

高扩展性
快速确认
低交易费用
可实现复杂智能合约

缺点:

安全性依赖侧链共识机制
去中心化程度较低
跨链转账需等待时间长
存在单点故障风险

3.2.5 应用

xDai (现更名为Gnosis Chain)
- 代币$xDai与美元1:1锚定
- 采用PoSDAO验证模式
- 2018年9月主网上线,2022年4月与Gnosis合并
- 目前TVL约$53mil,有35个进行中项目
Polygon
- 2017年成立,2020年6月主网发布
- 提供侧链Matic PoS Chain和Plasma方案Matic Plasma Chain
- 2021年2月品牌升级为Polygon,转型为扩容方案聚合器
- 目前拥有37k+DApp,1.8B总交易数,135M+用户
Ronin
- Axie Infinity游戏专用侧链
- 采用PoA(Proof of Authority)共识机制
- 2021年3月主网上线
- 2022年3月遭受6.24亿美元黑客攻击