简析区块链链下扩容：状态通道、TrueBit、Plasma

我们正处于区块链 2.0 转化的时代，目标是大规模的商用。传统的区块链技术，如比特币和以太坊，在性能上面已经显得力不从心，本文就来聊一聊区块链链下扩容技术。

比特币和以太坊有多快？

作为史上最慢的分布式数据库，比特币和以太坊的 TPS（每秒交易数）离商用有多远呢？有图为证：

说好的区块链 TPS，怎么只画了 VISA 和支付宝呢？不是我没画，只是比特币的 7 笔交易，以太坊的十来笔交易，在图上根本显示不出来。

现在诞生了很多以提升 TPS 为目标的竞争链，动辄声称百万级 TPS，比特币和以太坊是不是已经成为昨日黄花了呢？

V 神说，不，我觉得还可以再抢救一下。

治病要先找到病因，传统区块链技术性能差的原因来自于两方面：

1. 每一个全节点都需要校验并记录所有的交易数据，不可水平扩展

2. 运行在开放网络中，网络时延，节点数量全都是未知数，要全网节点达成共识，需要很大的开销

从一个故事开始

故事大致是这样的，我们斥巨资打造了全世界最靠谱的银行

也聘请了一个非常可靠的业务员，他只有一个缺点…

结果自然是：

好了，我们知道区块链扩容是迫在眉睫的事情，but how？

• 方法一：多开几家银行，自然分流。对应到的是各种 Altcoin，Cosmos，Polkadot 等方案
• 方法二：多请几个业务员，把闪电先生远在家乡的父老乡亲都请过来帮忙，办事的柜台多了，效率自然也就上去了，可以对应的是 sharding 和 DAG 这些方案
• 方法三：既然闪电先生效率不行，You can you up 啊，换一个更快的业务员吧。对应到的是各种新的共识算法，比如说 POS，DPOS，PBFT等。注意这里并不是说这些新的共识算法一定会比 POW 优胜，各种方式其实各有优劣，本文不做评价
• 方法四：也是我们今天要所要讲的，“我都 TMD 忙成?了你们就别来给老子添乱自己事情自己解决” 方案，俗称链下扩容（off-chain），或者说是二层扩容技术

那么，到底什么是链下扩容呢？
链下扩容顾名思义，就是把交易或者处理的过程放在链下执行，区块链只对最终结果进行记录或者仲裁。参与者需要在链上抵押资产，通过经济制裁的方式惩罚作弊者，保证链下安全。链下扩容方案建立在区块链基础层以上，不需要更新基础层，所以也被称为层 2 扩容。链下扩容的发展我觉得可以分为三个方向。接下来我们对这几个方向分别解释

State channels - 状态通道

状态通道最早出现在比特币上，成为闪电网络，接着，以太坊上也出现了类似的方案，叫雷电网络。两者在原理上差不多，得益于以太坊的智能合约，后者实现更简单，我们以之为例说明。

状态通道的目标是交易扩容，让区块链上一两位数的交易量扩充百千倍甚至更多。

交易开始之前，交易双方各提供一笔准备金，后续的交易都在准备金中进行。

银行和用户之间约定：

    * 双方同时签名，退回准备金
    * 单方签名，也能退回准备金，但是发起退款的一方需要等待一个冷却期

冷却期的作用有两个，一是鼓励大家维持支付通道，二是防止欺诈

支付通道建立起来以后，接下来的交易就用打白条（合约）的方式进行，再也不需要到银行排队了，白条的格式如下图所示:

最终结算的时候，大家只要把最后一张合约拿到银行，即可完成结算并提现，相当于把很多笔的交易结果打包上链了。

这样，问题来了，银行并不知道最后一笔交易到底发生在什么时候。Bob 可以提交第一张交易合约取现从中获利。为了应对这个问题，发起提现的一方需等待一个冷却期才能取回自己的资金，在这个冷却期内，如果交易另一方能提供更新版本的签名合约，作弊方将被罚没准备金。

通过准备金和签名合约，我们把大部分的交易从链上转移到链下，同时还保证了交易双方 “诚实” 的执行交易和结算。但是，在这一步，只有建立起支付通道的双方可以发起交易，这在现实中限制很大。对于没有建立和维护支付通道的用户来说，怎么处理呢？

我们通过借用中转通道的方式间接交易：

利用中转支付通道这种方式存在着天然的限制，无法保证原子性，如果 Alice 把钱打给 Bob 以后，Bob 不付给 Carol 怎么办？解决方法是哈希锁，成为 HTLC。

1. 交易路径上的每两方建立按先后顺序建立加锁合约，加锁的密钥掌握在交易终点用户（Carol）手上。

2. 合约路径建立完成后，Carol公开密钥，通道用户可以以之提现。

支付通道建立起来以后，Carol 要提现，必须展示哈希锁的密钥，在展示哈希锁密钥的同时，Bob 也自然的可以从 Alice 手上拿到自己应得的部分。
通过支付通道，我们可以把海量的交易打包后上链，让区块链每秒能处理的交易数大大提升，那它是不是就是完美的解决方案呢？在我看来，至少存在下面缺陷：

• 锁定的准备金只能在支付通道中使用，只有关闭通道以后才是真正的提现，当网络存在海量通道时，通道的集中关闭会导致类似银行挤兑的系统性风险，压垮网络。

• 交易双方需要监视网络，在冷却器内及时提供证明防止欺诈，从被动防御转变为主动防御

• 闪电网络中只有保存最终的资金状态保存，中间的交易细节全部被忽略

• 通道需要准备金维持，不可能任意两个用户间都存在支付通道，最终很可能会有大资金形成中心化的中转节点，这个大资金实际上具备了审查交易的能力

TrueBit - 链下计算

状态通道解决的交易容量问题，那么 TrueBit 解决的就是智能合约容量问题。

我们知道，以太坊中的智能合约需要每台矿机执行计算。复杂的智能合约需要耗费大量的计算资源，经济上体现为智能合约用户需要交付大量的以太币（gas）作为驱动。

TrueBit 的思路是把智能合约的运算外包给第三方，把复杂的计算任务放到链下执行。通过经济激励，促使第三方之间互相监督，保证计算结果正确性。以太坊作为一个数字法庭，对计算结果作为终极校验并惩罚作恶者。

TrueBit 的基本过程是这样的：

1. 用户（任务请求方 下文称为 Task Giver）上传需要执行的代码（下文成为任务），并提供佣金。
2. 链下第三方计算者（下文称为 Solver）发现这个任务，认为佣金可以接受，执行计算任务并答公示运算结果，同时提供一笔保证金。
3. 另外的第三方验证者（下文称为 Verifier）重新执行任务，如果发现 Solver 造假，可以发起挑战，同样需要提供一笔保证金。
4. 通过链上的智能合约让 Solver 和 Verifier 玩一个验证游戏（verification game），通过 Task Giver 在链上提供的执行代码验证答案真伪，提供正确答案的一方获取佣金，造假的一方从保证金中支付整个验证过程所需的 gas。
5. 如果在挑战期内没有人能提供证据证明 Solver 造假，Solver 获得佣金。

在基本过程之外，TrueBit 其实还设计了很多精巧方法去优化协议，比如说计算分段和税金 - 乐透制度等，详见拙作 TrueBit 白皮书解读。

Plasma - 链中链

Plasma 的野心比状态通道和 TrueBit 都要大得多，它要做的是通过多级（分层）子链来减轻区块链主链的压力，从而达到近乎无限的扩容。

• 子链负责处理各自数据和业务，可以有自己独立的共识算法

• 父链中保存了子链块 hash 和子链的校验规则，必要时进行仲裁和经济惩罚

Plasma 要解决两个最重要的事情，一是子链的反欺诈，另一个是资金的进入与退出。

对于子链反欺诈，Plasma 采用了欺诈证明（Fraud Proof）的办法来解决。

Plasma 图片均来源于 Plasma 白皮书

每个子链，需要在主链（以太坊）上创建智能合约，明确子链的游戏规则，诸如子链的块验证，父链跟子链的 token 转换等。同时，子链出块方需要在父链中锁定资金，用于后续追责。

业务数据保存在子链，子链的块 hash 同步到父链中作为凭证。任意第三方可以负责监督子链的运行，如果发现欺诈行为，可以把问题区块提交父链验证，便于追责和问题区块回滚。

不难看出，欺诈证明跟 TrueBit 基本思路有相似之处：智能合约换成了区块链，图灵状态换成了区块哈希。
对于子链参与者，Plasma 提供了一个资金退出的机制。

用户只要提供在子链上最新的交易结果，就可以把资金安全的回退到父链中。父链不会监督子链每个区块，无法确认用户提供的交易结果实时性，资金回退需要等待一个挑战期，防止用户欺诈，机制类似于状态通道。

编者注： 社区作者盖盖写了一系列文章：深入理解 Plasma， 有兴趣可前往阅读。

小结

跟其它扩容方案相比，区块链的链下扩容技术具有如下特点：

• 结合使用了密码学和经济学，比较好的传承了比特币的思想，是最有信仰，最性感的扩容方案
• 理论上可以对区块链性能有非常大的提升，但实际效果很大程度取决于 “人”，实际效果需要时间证明
• 目前仍然比较年轻，实现也相当复杂，存在着一系列的风险

不管结果如何，我觉得链下扩容会是一个可以媲美比特币的社会实验。再多说一句，现在社会实验这个词已经被用滥了。EOS 的社区化治理，说是社会实验，还勉强说得过去；某社区言论领袖搞的打车链，还是空气状态，就已经号称自己是伟大的社会实验，这就有点扯了。