链下扩容深度剖析:从比特币闪电网络到以太坊Layer2方案

2025-07-23 08:07:14

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中的热点话题之一。

区块链的去中心化、安全性和可扩展性简单定义如下:

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,确保网络不受少数大型中心化参与者控制。
安全性:获取区块链系统控制权所需成本越高,安全性越高,能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。随着用户数量和交易量增多,1MB 区块上限的比特币网络开始面临拥堵;2015 年起,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优化主链结构。2017 年 8 月 1 日,支持扩大区块的一方自行开发 8MB 客户端系统运行,导致比特币首次重大硬分叉,诞生了新币种 BCH。

以太坊网络也选择牺牲一部分可扩展性来保障安全性和去中心化,通过对区块燃料费设置上限来限定交易量。从 2017 年的 CryptoKitties 到后来的 DeFi、GameFi 和 NFT 等应用兴起,市场对吞吐量需求不断增加,但以太坊每秒仅能处理 15-45 笔交易,导致交易成本增加、结算时间变长,大部分 DApp 难以承受运行成本,整个网络变得又慢又贵,亟需解决扩容问题。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"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,但会提高节点设备要求,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,由不同节点负责不同记账,并行计算可同时处理多个交易;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;但全网算力被分散,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,底层细微安全漏洞会严重威胁整个网络安全,可能导致分叉或中断修复升级。

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。

链下扩容方案可细分为 Layer2 和其他方案:

Layer2 方案包括:

状态通道
侧链
Plasma
Rollups(乐观汇总和零知识汇总)

其他方案包括:

验证人
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开启、关闭或解决纠纷时,用户才需与主网交互,将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",如两人棋类游戏。每个通道由主网上的多签智能合约管理,控制存入资产、验证状态更新,并仲裁争议。参与者在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。通道允许不限次数的链下免费交易(只要转账总额不超过存入代币)。参与者轮流发送状态更新并等待对方签名确认。正常情况下状态更新不上传主网,只有出现争议或关闭通道时才依赖主网确认。关闭通道时,任一参与者可在主网提出请求,如获全员一致签名,则立即执行;否则需等待"挑战期"结束再收到剩余资金。

状态通道可大幅减少主网计算量,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:首个基于支付通道框架的 State Channel 设计规范 Sprites 提出
2018/06:Counterfactual 提出详细的 Generalized State Channels 设计
2018/10:Generalised State Channel Networks 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 是首个基于该想法的协议
2019/10:Pisa 为解决参与者需持续在线问题,拓展 Watchtowers 概念
2020/03:Hydra 提出 Fast Isomorphic Channels

3.1.3 技术原理

传统链上工作流程:用户与主网智能合约交互,通过发送交易改变合约状态。缺点是带来时间和成本问题。

状态通道工作流程:

用户将资金存入主网合约地址,锁定资金直到通道关闭
用户在链下进行不限次数交易,通过加密签名消息通信
如需关闭通道,用户向合约提交最终状态
如对方签名批准,合约根据最终状态分发资金;否则需等待挑战期结束

悲观情况下:

如某用户不响应状态更新,另一方可向合约提交最后有效状态发起挑战
合约允许被挑战方在一段时间内响应
如无响应,合约自动关闭通道并返还资金

3.1.4 优缺点

优点:

即时确认交易
高吞吐量
低交易费用
私密性好

缺点:

需预先锁定资金
通道容量有限
参与者需持续在线监控
通道创建和关闭成本高
有限的通用性

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,技术演变经历:单向支付通道、双向支付通道、多人支付网络。通过链下支付通道和中间人构成交易网络,解决比特币网络扩容问题。使用流程为"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)"。理论上每秒可处理百万笔交易。

时间线:

2015年2月:白皮书草稿发布
2016年1月:正式白皮书发布,成立 Lightning Labs
2018年3月:发布首个主网版本LND 0.4
2021年6月:萨尔瓦多采用比特币为法定货币,发布基于闪电网络的钱包Chivo
2022年:多家交易平台支持闪电网络
2022年10月:闪电网络拥有76,236个支付通道,通道资金5049 BTC

生态发展: 闪电网络生态从下到上依次为:底层BTC网络、核心基础设施、各种DApps。核心基础设施包括闪电网络解决方案和节点流动性服务。基础设施之上是支付和金融服务等应用程序。目前已有超过20个类别和100多个应用,涵盖支付、钱包、节点管理、浏览器扩展、播客和流媒体等领域。

以太坊雷电网络:

概述: 雷电网络是基于以太坊的小额支付通道,与闪电网络类似,通过建立状态通道扩展链上交易,实现快速低费用的ERC20代币支付。

时间线:

2017年成立,创始人曾是以太坊核心开发者
2017年10月进行ICO,筹集超3000万美元
2020年5月发布首个主网Alderaan版本
2021年底多个交易所将RDN代币摘牌

目前未获广泛采用,原因包括:

使用门槛高:以太坊Gas费用过高时,开启通道成本过高
更先进扩容技术出现:当时是以太坊唯一扩容方案,但目前出现如Rollup等更好方案

生态发展: 目前生态发展缓慢,团队正改造使其运行在以太坊Layer2 Rollup网络上,以降低创建通道Gas费用。2022年5月在Arbitrum上线,成为L2之上的L2。未来将以Rollups为中心转变,作为补充方案。

Celer Network:

概述: Celer Network本质是增加激励层(CELR代币)的闪电网络,通过链外扩展技术和激励经济模型构建快速低成本的高频交互DApps,如电子竞技平台等。

技术原理: 用户在链下状态通道进行交互,只有在需要时(如出现争议)才在链上验证。通过链下地址转换器OAT,链下地址可唯一映射链上智能合约。

架构包括三层:

cChannel:广义状态通道和侧链套件
cRoute:链下支付路由
cOS:链下应用程序开发框架和运行环境

时间线:

2018年创立,团队来自知名大学
2019年3月在币安Launchpad发行CELR代币
2019年7月主网上线,发布首个通用状态通道网络和电竞平台CelerX

生态发展: 随区块链生态向多链发展,Celer Network转变为支持跨链的L2扩容聚合平台,推出DeFi协议Layer2.finance、信息跨链协议Celer IM和资产跨链桥cBridge等产品。cBridge已支持139种代币和38条链。2022年11月集成进MetaMask Bridges Beta和zkSync 2.0测试网。