区块链扩容简析：状态通道、TrueBit、Plasma

我们正处在区块链2.0转型的时代中国什么时候可以交易以太坊，目标是大规模商用。 传统的区块链技术，如比特币和以太坊，在性能方面一直无法满足他们的期望。 本文将谈谈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（transactions per second）离商用还有多远？ 有图为证：

约定好的区块链TPS，为什么只抽取了VISA和支付宝？ 不是我没画，只是图上根本没有显示比特币的7笔交易和以太坊的十几笔交易。

现在已经诞生了很多以提高TPS为目标的竞争链，而且动辄上百万的TPS，比特币和以太坊昨天就过时了吗？

V神说，不行，我觉得还能再救回来。

要想治好病，首先要找到病因。 传统区块链技术性能不佳的原因来自两个方面：

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，我们斥巨资打造了世界上最可靠的银行

还聘请了一位非常可靠的推销员，他只有一个缺点......

结果自然是：

好吧，我们知道区块链扩张迫在眉睫，但是如何呢？

那么，链下扩容到底是什么？

链下扩容，顾名思义，就是在链下执行交易或处理过程，区块链只记录或仲裁最终结果。 参与者需要抵押链上资产，通过经济制裁惩罚作弊者，保证链下安全。 链下扩容方案基于区块链基础层，不需要更新基础层，因此也称为二层扩容。 我认为链下扩容的发展可以分为三个方向，接下来我们分别对这几个方向进行说明。

状态通道 - 状态通道

状态通道首先出现在比特币上，成为闪电网络。 然后，类似的方案出现在以太坊上，称为 Thunderbolt Network。 两者原理类似，得益于以太坊的智能合约，后者实现起来更简单，我们就拿它来举例说明。

状态通道的目标是扩大交易量，使区块链上的一位到两位数的交易量可以扩大数百倍甚至更多。

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

支付通道建立后，接下来的交易将以白条（合约）的形式进行，无需去银行排队。 白条的格式如下图所示：

在最后结算的时候，大家只需要拿着最后一份合约到银行就可以完成结算，提取现金，相当于把链上很多交易的结果打包了。

这样，问题就来了，银行不知道最后一笔交易是什么时候发生的。 Bob 可以提交第一个交易合约，从中提取现金和利润。 为了解决这个问题，发起提款的一方需要等待冷却期才能取回资金。 在此冷却期内，如果交易对方能够提供签名合约的更新版本，作弊方将被罚款和没收。

通过储备和签订合约，我们将大部分交易从链上转移到链下，同时也保证了双方交易的“诚实”执行和结算。 但是，在这一步，只有建立了支付通道的双方才能发起交易中国什么时候可以交易以太坊，这在现实中是非常有限制的。 没有建立和维护支付渠道的用户如何应对？

我们通过借用中转渠道进行间接贸易：

使用转账支付通道有天然的局限性，无法保证原子性。 如果在 Alice 将钱汇给 Bob 后 Bob 不付给 Carol 怎么办？ 解决方案是散列锁，称为 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。

支付通道建立后，Carol若要提现，必须出示哈希锁的钥匙。 在出示哈希锁的密钥的同时，Bob 自然可以从 Alice 那里得到他应得的部分。

通过支付通道，我们可以将大量的交易打包上链，让区块链每秒可以处理的交易数量大大增加。 它是完美的解决方案吗？ 在我看来，至少存在以下缺陷：

TrueBit - 链下计算

状态通道解决了交易容量问题，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进行计算。 复杂的智能合约需要大量的计算资源，这在经济上体现在智能合约用户需要交付大量的以太坊（gas）作为驱动。

TrueBit 的理念是将智能合约的计算外包给第三方，在链下执行复杂的计算任务。 通过经济激励，鼓励第三方相互监督，确保计算结果的正确性。 以太坊作为数字法庭，作为计算结果的最终验证者，惩罚作恶者。

TrueBit 的基本流程是这样的：

用户（任务请求者以下简称Task Giver）上传要执行的代码（以下简称任务）并提供委托。 链下第三方计算器（以下简称Solver）发现该任务，认为佣金可接受，执行计算任务并公布计算结果，同时提供保证金。 另一个第三方验证者（以下简称Verifier）重新执行任务。 如果发现 Solver 存在欺诈行为，则可以发起挑战，也需要提供保证金。 让Solver和Verifier通过链上智能合约进行验证游戏（verification game），通过链上Task Giver提供的执行代码验证答案的真实性。 验证过程所需的气体。 如果在挑战期内没有人能提供证据证明 Solver 存在欺诈行为，则 Solver 将获得佣金。

除了基本流程之外，TrueBit其实还设计了很多精巧的方法来优化协议，比如计算段和tax-lotto系统等等，具体看我TrueBit白皮书的解读。

Plasma - 链中链

Plasma 的野心远大于状态通道和 TrueBit。 它要做的就是通过多级（分层）子链来减轻区块链主链的压力，从而实现近乎无限的扩容。

Plasma要解决两个最重要的事情，一个是子链的反欺诈，一个是资金的进出。

对于子链反欺诈，Plasma 使用 Fraud Proof 的方法来解决。

等离子图像来自等离子白皮书

每个子链都需要在主链（以太坊）上创建一个智能合约来明确子链的游戏规则，例如子链的区块验证、母链与子链之间的代币转换、 etc. 同时，子链的区块生产者需要将资金锁定在母链上，以备后续追责。

业务数据存储在子链中，子链的区块哈希作为凭证同步到母链。 任何第三方都可以负责监督子链的运行。 如果发现欺诈行为，可以将问题区块提交给母链进行验证，便于问题区块的问责和回滚。

不难看出，欺诈证明与TrueBit的基本思想类似：智能合约被区块链替代，图灵状态被区块哈希替代。

对于子链参与者，Plasma 提供了一种提取资金的机制。

只要用户在子链上提供最新的交易结果，资金就可以安全地返回到母链上。 母链不会对子链的每个区块进行监管，也无法确认用户提供的实时交易结果。 资金返还需要等待挑战期，以防止用户欺诈。 该机制类似于状态通道。

编者按：社区作者盖盖写过系列文章：深入理解Plasma，有兴趣的可以看看。

概括

与其他扩容方案相比，区块链的链下扩容技术具有以下特点：

不管结果如何，我认为链下扩容将是一个可以与比特币相媲美的社会实验。 还有一件事，社会实验这个词现在被滥用了。 EOS 的社区化治理是一个社会实验，但很难自圆其说； 一个社区演讲领袖开发的网约车还处于空中状态，就已经号称是伟大的社会实验，有点可笑。