區塊鏈的鏈下擴展解決方案

鏈下解決方案指基於構建在主區塊鏈之上的第二層應用程式或通道,基本不需要對實際區塊鏈進行任何根本上的更改;大部分交易事務被「轉移」到次要通道,以減少主鏈網路擁塞,並提高處理速度。

區塊鏈技術在追求去中心化和不可篡改的同時,也面臨著擴展性和性能問題。這種現象有一個形式化的證明,俗稱為分散式、共識與規模( Decentralized-Consistent-Scale )的三角問題,也稱區塊鏈不可能三角。

換句話說,在一個分散式系統中,區塊鏈只能實現上述三個屬性中的兩個。然而,加密社區一直在努力尋找解決可擴展性問題的解決方案。目前加密社區正在探索的擴展解決方案有四類:

  1. 第一層鏈上( On-Chain )解決方案:也稱為協議層解決方案,第一層解決方案要求對實際區塊鏈的基礎代碼進行根本上的更改(因此稱為「鏈上」)。這需要對代碼與軟體進行更新,比如增加區塊大小限制或減少區塊創建時間,但這很容易導致硬分叉。
  2. 第二層鏈下( Off-Chain )解決方案:這是指基於構建在主區塊鏈之上的第二層應用程式或通道,基本不需要對實際區塊鏈進行任何根本上的更改。大部分交易事務被「轉移」到次要通道,以減少主鏈網路擁塞,提高處理速度。
  3. 共識機制:所有區塊鏈中最重要的機制,可拓展的共識機制簡化了協商一致流程,從而允許更大的拓展性和交易交易處理能力。
  4. 可拓展分散式帳本:這是另一種分散式系統,與區塊鏈相比它擁有另一種資料結構。分散式帳本通常使用線性資料結構,而不是像區塊鏈那樣將交易資料組織成連續的塊。

本文將重點研究第二層擴展解決方案,也稱為鏈下擴張解決方案。

第二層解決方案的分類

側鏈是可以在維護底層協定安全的同時實現無限制擴展和保護隱私的最早方案之一。

側鏈允許用戶將一些加密貨幣鎖定在主鏈上,從而可以獲得並行鏈上的加密貨幣,而在並行鏈上將使用它自己的規則、共識以及更靈活的協定管理方式。側鏈增加了輸送量、靈活性,並允許使用共識規則進行實驗。一些已接近啟用就緒的側鏈包括比特幣的 Rootstock 側鏈和 Liquid 側鏈,以及乙太坊的 Plasma 側鏈。

另一種類型的鏈下解決方案是狀態通道,它在概念上類似於側鏈。狀態通道是一種設想雙方之間完全無信任的情況下達成共識的方法。我們可以利用本地共識,而不是在公共網路上達成全球共識。為了利用狀態通道,必須創建一個擁有連接到更大網路節點的支付通道。為了保證狀態通道中的安全性,通常的做法是在主網路上鎖定一些加密貨幣,並將它們作為抵押品來確保誠實行為。下面是第二層不同的解決方案。

Plasma

Plasma 是乙太坊區塊鏈的側鏈實現方案。乙太坊利用智慧合約來處理 Plasma 鏈上的所有規則和驗證、治理。

側鏈上的區塊驗證可以由單個運算子完成,也可以由比基礎層小得多的驗證器協商一致完成。僅這一點就可以加快區塊創建頻率和每個塊中最大可處理的交易事務數量。區塊鏈底層區塊須被全世界數以萬計的節點接收,由於解決區塊鏈的傳播和延遲問題的這一過程並非易事,但是利用 Plasma 側鏈則將避免這個問題。

這種方法的主要缺點和問題是,雖然乙太坊開發者不斷創新並突破界限,盡可能地保持去中心化和無需信任的原則,但側鏈總是引入一定程度的中心化。

傳輸乙太坊或比特幣的閘道通常由一方控制,並且易受各種攻擊。即使由於協定規則的限制,運營節點不一定竊取用戶資金,但他們仍然可以獲取交易資料,知曉匿名使用者或收集保留一些資訊。

閃電網路

閃電網路( Lightning Network )可能是為比特幣和類似比特幣的區塊鏈(如 Decred、Litecoin )構建的最有名的第二層支付網路。擁有一個由支付管道組成的對等網路的想法幾乎和比特幣一樣久。

早在2010年,中本聰( Satoshi Nakamoto )在 BitcoinTalk 論壇上發表評論時就提到了這種方法。閃電網路利用支付管道的概念,提供雙向的貨幣轉帳,並設想一個速度接近暫態、零交易對手風險、費用低廉的網路。

閃電網路中的主要概念是狀態通道,可以在任何兩個用戶之間打開,方法是在底層區塊鏈中包含一個特殊的資金交易。這樣的交易是以2-of-2多重簽名的形式完成,這意味著任何一方都不能單獨取款。為了保證在不合作的情況下,資金不會永遠丟失在通道中,或是如果私密金鑰丟失,需要雙方簽署對方的交易才能執行交易。

一旦狀態通道開放並提供一些比特幣作為資金,那麼雙方可以在其對等連接的情況下進行快速交易,並且不需要支付任何費用。閃電交易以密碼學為基礎的「智慧合約」完成,這允許完全無信任的付款;任何一方都可以隨時關閉該通道,同時修復比特幣區塊鏈上的未結算交易餘額。

此外,閃電網路通過多重簽名技術對資金有一些鎖定時間,從而確保不會發生惡意欺詐行為。比如,假設 Alice 看到 Bob 試圖通過發佈一些過時的交易記錄(對他有利的記錄)來欺騙她,她可以簡單地以一種稍後承諾( commitment )的形式提供證據,並從多重簽名中釋放她的資金。反過來,Bob 將因違反規則而受到懲罰。這與 Plasma 用戶在 Plasma 鏈運營商上證明誠實性時使用的一般方法相同,儘管它是以不同的方式實現的。

在大多數情況下,合作雙方都有統一目的性。在這種情況下,通過從原來的2-of-2多重簽名構建正常交易,雙方在充分合作後關閉通道。該交易將根據最近的承諾向每個成員支付相應的餘額。這兩個人都不必經歷支付額外鏈上費用的緩慢過程,也不會因為協議鎖定他們的比特幣而失去機會成本。

閃電網路的另一個好處是它不受任何公司甚至一組開發人員的控制。開發者從編寫一個名為 BOLT (閃電技術的基礎)的文檔開始。BOLT 使用偽代碼和簡單的英語詳細描述了協議的各個方面。雖然世界各地有多個團隊使用不同的程式設計語言和平臺構建一個閃電網路的實現,但是由於他們都在同一個參考規範上協作,因此生成的軟體是可交互操作的。

最美妙的是,通過閃電網路支付或接收比特幣的行為很少發生在鏈上。這節省了巨大的成本,並大大加快了交易速度。

GEO協議

GEO協議是一種鏈下擴展解決方案,可以構建在任何現有的公有鏈之上,並將它們連接到一個單一的跨鏈網路中,之後就不再需要昂貴的算力和電力來保護。相反,它是一個離線協定,利用分散式網路的狀態通道和信任線( trustlines )連接它們。其優勢在於,與比特幣、乙太或 Plasma 不同,GEO 節點可以在速度相對較慢、價格相對低廉的設備上運轉起來,比如智慧手機或樹莓派電腦。

GEO 利用了由 Ripple 開發者 Ryan Fugger 首創的信任線概念。這個想法與閃電網路或(雷電網路) Raiden 中的雙向通道非常相似,但主要的區別在於,當恰好有兩個使用者之間的雙邊協議時,就會出現信任線。這一個協議包括雙方信貸額度(負債),以及一個餘額,表明一方是否欠另一方,以及欠另一方多少。非信任的陌生人之間的支付是通過信任線網路傳播餘額更新來實現的,直到一項支付完成。

信任線機制

信任線由 IOU (I Owe You)管道組成,用戶可以在這裡發行自己的貨幣或資產,網路有助於自由和無限制地交換該資產。這也允許持有人之間直接進行跨區塊鏈價值交換,而不需要與中心化交易所進行接觸。為了保持區塊鏈技術的分散性和無信任性,GEO 協議不允許凍結帳戶或信任線。GEO 協議開發的另一個概念是複合通道,它是信任線與用戶發行的資產以及經典的狀態通道的組合,加密貨幣被鎖在一個鏈上的多重簽名錢包中。這結合了幾乎無限的可擴展性和對底層區塊鏈以及多個區塊鏈的不信任。當天結束時,使用者不僅可以進行加密貨幣交易,還可以將法定貨幣、真實世界財產和其他資產通證化。使用這種技術最出名的就是跨鏈 DEX(去中心化交易所)。

CELER網路

Celer 網路是一種區塊鏈無關的、水準可拓展的協議,它通過鏈下擴展提高了區塊鏈的可拓展性。它採用分層技術架構及以下幾個核心技術創新:

  • 帶有側鏈通道的通道構造套件和靈活的支持廣義的鏈下DApp狀態轉換
  • 最優狀態路由演算法具有比現有最先進的解決方案高15倍的交易事務輸送量
  • 簡化各種平臺上的鏈下應用程式的開發和在各平臺使用鏈下應用

值得注意的是,還有其他的解決方案也採用了類似的方法,如閃電網路、雷電網路、Trinity 和 Plasma 。Celer Network 與眾不同之處在於,它可相容所有致力於在鏈上拓展的項目。這是很重要的考慮,因為其他在這領域的專案,如閃電網路無法相容 ETH 或 EOS。

未來該何去何從

區塊鏈必須從根本上增強其擴展能力,以支援更高的交易交易處理能力,以及支援大規模運行。解決可拓展性問題正由加密貨幣社區嚴格執行,從上面的示例可以看出,加密貨幣社區正在努力地解決可拓展性問題。區塊鏈的不同變體能夠保留去中心化的原則,並擁有類似于傳統支付流程如 Visa 或萬事達的拓展能力,這只是時間問題。第二層網路將擴展區塊鏈技術的能力,並不斷開發出新的應用,從而將乙太坊、比特幣和其他區塊鏈技術帶到未來十億人的手中。

(原文刊載自合作夥伴時代觀察。)


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