以太坊第 2 层扩展解决方案：状态通道、Plasma 和 Truebit

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以太坊目前不够健壮或可扩展。 任何了解这项技术的人都清楚这一点。 但在过去的一年里，投机炒作大大夸大了区块链的能力。 在关键基础设施完善之前，以太坊和 web3 的愿景无法实现。

构建此基础架构并扩展以太坊功能的项目称为扩展解决方案。 缩放解决方案有许多不同的形式，并且通常相互兼容或互补。

本文将深入探讨“off-chain”或“layer 2”（第2层）扩容方案，包括

本文的重点是让读者全面详细地了解 Layer 2 的工作原理。 但不会深入到代码研究和具体的使用场景以太坊第二层，而是着重介绍构建这个系统的经济机制和layer 2扩展方案的技术原理。

公链的扩展挑战

首先要知道，“扩容”不是一个单一的、具体的问题。 这是以太坊在服务全球数十亿用户之前必须解决的问题。

首先是交易吞吐量。 目前，以太坊每秒可以处理 15 笔交易，而 Visa 每秒可以处理 45,000 笔交易。 在过去的一年里，一些像 Cryptokitties 这样的应用增长得非常好，以至于整个网络都在放缓，交易价格也在上涨。

像以太坊这样的公链要求网络中的每个节点都参与处理每一笔交易，这是它的主要局限性。 以太坊上的每个操作——转账、创建 Cryptokitty、生成 ERC20 合约——都必须由网络中的每个节点一起执行。 这是一个设计决定，也是公链足够权威的原因之一。 节点不需要从外部知道区块链的状态，可以自己解决。

这对以太坊的交易吞吐量设置了一个基本限制：它不能高于从单个节点获取数据的速率。

我们可以要求每个节点做更多的工作。 如果我们将块大小加倍，那将意味着每个节点所做的工作量大约是现在的两倍。 但这是以去中心化为代价的：节点需要做更多的工作，功能较弱的计算机（例如消费设备）可能会退出网络，挖矿权力将集中在强大的运营商手中。

我们需要一个可以处理更多事务而不增加单个节点负载的解决方案。

从概念上讲，我们可以采取两种方法来解决这个问题：

1) 如果每个节点不必并行处理每个操作怎么办？

第一种方法颠覆了前提：如果我们可以构建一个链中节点不必参与处理每一笔交易的区块链呢？ 如果网络被分成两个可以半独立运行的部分会怎么样？

分开后，A区可以处理一批交易，B区也可以处理一部分。 这可以使区块链的交易吞吐量翻倍，因为我们现在设置每两个节点同时工作。 如果我们把区块链分成很多很多不同的区域，吞吐量可以提高很多倍。

这就是“分片”背后的思想，由以太坊 Vitalik 等研究人员提出。 一条区块链被分成许多不同的“切片”，每个切片都可以独立处理交易。 Sharding一般指layer 1扩容方案，因为它是在以太坊的底层协议上实现的。

2）为以太坊构建一个协议层网络怎么样？

第二种选择与第一种完全相反：与其增加以太坊自身的能力，不如在此基础上进行构建。 以太坊区块链底层的吞吐量是一样的，但是我们实际上可以进行更多的操作，比如交易，状态更新，或者简单的计算。

这是状态通道、Plasma、Truebit 等“链下”技术背后的原理。 虽然每种技术都旨在解决不同的问题，但它们都需要在不影响安全性的情况下“脱链”运行。

这些也被称为第 2 层扩展解决方案，因为它们位于以太坊主链之上。 它们不需要在基础层进行更改，而是作为与链下软件交互的智能合约存在。

Layer2 是数字经济解决方案

在我们深入了解第 2 层解决方案的细节之前，让我们先了解一下它们背后的基本原理。

公链的基础力量在于数字经济的共识。 通过仔细调整激励并将其与密码学相结合，可以从系统内部达成共识。 这也是中本聪在白皮书中提到的一点，现在已经应用于很多不同的公链，包括比特币和以太坊。

数字经济共识给了我们一个硬核——除非发生51%攻击这样的极端事件，所有的操作（包括支付，或者智能合约）都会按照写好的程序执行。

Layer 2 解决方案背后的基本原理是我们可以使用这个确定性核心作为锚点——在其之上我们附加其他经济机制。 Layer 2 可以将公链的效用扩展到链下，让我们在链外进行交互成为可能，这些交互在需要的时候仍然可以回到主链。

这些层建立在以太坊主链之上，因此不如链上操作安全。 但仍然可以确保它们是最终的、安全的、实用的——尤其是通过牺牲一点操作权限，可以提高操作效率，降低交易成本。

数字经济不是从中本聪的白皮书开始的，也不会就此结束——它是我们正在尝试应用的技术。 不仅在核心协议的设计上，而且在旨在扩展底层链功能的第 2 层解决方案的设计上。

1.状态通道

状态通道是指一种用于处理交易和其他“链下”操作的技术。 然而，状态通道中发生的事情仍然具有高度的安全性和最终性：如果出现问题，我们仍然可以选择回退到链上交易。

许多读者都知道支付渠道，这些渠道已经存在多年，并且也通过闪电网络在比特币上实现。 状态通道是一种更通用的支付通道形式——它们不仅可以处理支付，还可以处理对区块链的“状态更新”——比如智能合约变更。 2015 年，Jeff Coleman 首次提出状态通道。

让我们看一个例子来更好地解释状态通道是如何工作的。 请注意，这是一个概念性的解释，我们不会讨论具体的技术细节。

想象一下，Alice 和 Bob 玩一个井字游戏，获胜者可以获得 1ETH 作为奖励。 最简单的方法是在以太坊上创建一个智能合约，将西洋双陆棋的游戏规则写入智能合约，跟踪每个玩家棋子的动向。 每次玩家移动棋子时，它都会发送到合约中。 当一名选手诞生时，按照规则，合约将支付给获胜者1ETH。

这可行，但效率低且速度慢。 Alice 和 Bob 的整个以太坊网络都在为这个游戏运行，造成了资源的浪费。 玩家每走一步都需要支付费用，并且必须等待矿工完成验证才能进行下一步。

这时候我们可以设计一个系统，让Alice和Bob的交互尽可能在链下完成。 Alice 和 Bob 可以在链下更新状态，并在需要时返回链上交易。 我们称这个系统为“状态通道”。

首先，我们作为“裁判”在以太坊主链上创建一个智能合约，将游戏规则写入合约，并确定爱丽丝和鲍勃为这场游戏的两个玩家。 然后为这个合约设置1ETH的奖励。

紧接着，爱丽丝和鲍勃开始互动。 爱丽丝开始迈出第一步。 签名后，她将其发送给鲍勃。 Bob 也会签名，将签名后的版本发回，并为自己保留一份副本。 然后 Bob 迈出一步，签名并发送给 Alice，Alice 也签名并发回，并为自己保留一份。 每次，他们都会更新自己的状态。 每个交互都包含一个“nonce”，它允许每个交互按时间排序。

到目前为止，所有的操作都没有发生在链上。 Alice 和 Bob 只是在互联网上进行了交易，但是所有的交易都可以上传到合约中——也就是说，它们仍然是有效的以太坊交易。 你可以理解为这两个人来回写区块链认证的支票。 银行不进行存款或取款，但可以随时存入每张支票。

如果 Alice 和 Bob 的游戏结束，假设 Alice 赢了，他们可以上传最终状态（交易列表）并关闭通道。 这样，您只需支付一次交易费用。 合约可以确保“最终状态”由双方签署，等待一段时间以确保结果可靠，最后将 1ETH 的奖金支付给 Alice。

为什么需要这段等待时间？

假设 Bob 上传的不是最终版本，而是他战胜 Alice 的版本。 但是合约只会执行指令，没有办法知道哪一个是最终版本。 这时，设置一个等待期可以让爱丽丝提供证据证明她提供的是最终版本。

Alice提交一份双方签署的交易副本，合约通过交易的nonce确定Alice提交的最终版本，拒绝Bob的请求。

特点和局限性

状态通道适用于许多应用程序，并为传统的链上操作提供了许多升级。 但是，在引入状态通道之前必须考虑其他因素：

L4 正在构建 Counterfactual：一个基于以太坊的状态通道框架，计划完成一个通用的、模块化的模板，并允许开发人员在其应用程序中使用状态通道，而无需自己成为状态通道专家。

另一个值得关注的状态通道项目是 Raiden，它旨在使用类似于闪电网络的模型来构建支付通道。 这意味着您可以打开一个具有更大通道网络的通道，而不是与特定的人一起打开通道，从而使您可以免费与连接到同一通道的任何其他人进行交易。

除了 Counterfactual、Raiden，还有几个基于以太坊的应用程序。 例如，Funfair 为其去中心化平台构建了状态通道（“Fate 通道”），Spankchain 为成人演员构建了单向支付通道（他们还为 ICO 创建了状态通道），Horizo​​n Games 创建了状态通道。

2.等离子

2017 年 8 月 11 日，Vitalik Buterin 和 Joseph Poon 发表了一篇题为“Plasma: Autonomous Smart Contracts”的论文。 这篇文章介绍了一种全新的技术，可以提高以太坊的处理效率。

与状态通道一样，Plasma 也是一种处理链下交易的技术，需要依赖以太坊底层技术来保证其安全性。 但是 Plasma 的切入点不同。 它可以允许在以太坊主链上创建“子”区块链。 这些“子链”反过来也可以创建自己的“子链”，等等。

因此，我们可以在子链级别执行许多复杂的操作，运行具有数千个用户的应用程序，并且只与以太坊主链进行最少的交互。 Plasma 可以运行得非常快并且收取较低的交易费用，因为整个过程不需要在以太坊主链上发生。

但是提交欺诈证明需要访问底层数据，即用于证明欺诈的区块的实际历史。 如果区块生产者也不共享先前区块的信息以防止爱丽丝向根合约提交欺诈证明怎么办？

在这种情况下，爱丽丝需要撤回她的资金，离开子链。 实际上，Alice 向根合约提交了“资金证明”。 在等待一段时间任何人都可以挑战她的证明（例如，证明她在后来的有效区块中花了这笔钱）之后，爱丽丝的资金被转移回以太坊主链。

让我们先看一个例子来理解 Plasma 是如何工作的。

假设您正在以太坊上创建集换式纸牌游戏。 这些卡牌是 ERC 72 代币（例如 Cryptokitties），但它们具有某些允许用户玩游戏的特征和属性——例如《炉石传说》或《万智牌》。 在链上执行这些复杂的操作非常昂贵，因此使用 Plasma 是一个不错的选择。

首先，我们在以太坊主链上创建一套智能合约作为“根”服务于我们的 Plasma 子链。 Plasma Root 包含我们子链的“状态转换规则”（如“无双花”），记录子链状态的哈希值，作为一种“桥梁”，让用户可以在以太坊主链和以太坊主链之间进行交互。子链。

然后，我们创建我们的子链。 子链可以有自己的一套共识机制——在这种情况下，权威证明（PoA），一种依赖于可信区块生产者的共识机制。 区块生产者类似于工作量证明中的矿工——它们是接受交易、生成区块并收取交易费用的节点。 作为一个简单的类比，假设您是唯一生产区块的实体——也就是说，您的公司运行着一些节点，这些节点是我们子链的区块生产者。

一旦子链被创建或激活，区块生产者就会提交给根合约。 这意味着他们实际上是在说“我证明子链中的最新区块是 X”。 这些承诺都记录在 Plasma 根中，以证明子链中发生的交易。

现在子链已准备就绪，我们可以创建集换式纸牌游戏的基本构建块。 该卡基于以太坊主链的ERC 721，通过plasma root转移到子链。 这就提出了一个关键点：plasma 使我们能够与基于以太坊的数字资产进行大规模交互。 然后，我们在子链上部署游戏应用的智能合约，将游戏逻辑和规则写入合约。

游戏用户，其实只是和我们的子链进行交互。 他们可以持有资产（ERC 721 代币），与以太币交易，与其他用户一起玩游戏，从不直接与主链交互。 因为只有少数节点需要处理交易，所以交易费用会低很多，操作也会更快。

但这如何确保安全呢？

通过将更多的操作转移到子链上，主链可以处理更多的交易。 但是如何保证它的安全呢？ 发生在子链上的交易是最终的吗？ 毕竟我们刚才说了，会有实体公司控制区块的产生。 这不是去中心化吗？ 这家公司可以随时窃取您的资金或游戏卡吗？

简单的说，即使一个公司对子链的出块拥有100%的控制权，Plasma也为你提供了一个基本的保障，你可以随时将你的资金和资产取出并放回主链。 如果一个区块生产者有恶意行为，最坏的情况下，它会迫使你离开子链。

且看区块链生产者会做出什么样的恶意行为，再看看plasma会做出什么样的应对措施。

首先以太坊第二层，想象一下区块生产者如何欺骗你——通过创建一个假的新区块来控制你的资金。 他们是唯一有权生成区块的人，因此他们可以创建不遵循区块链规则的区块。 与其他区块一样，它们向包含区块证明的 Plasma 根合约发布承诺。

如前所述，保证用户可以将资产提现回主链。 在这种情况下，用户（或者更确切地说，代表他们的应用程序）将检测到盗窃企图，并在区块生产者尝试花费他们“被盗”的资产之前退出。

Plasma 还创建了一种机制来防止欺诈性退出主链。 Plasma 包含一种机制，任何人（包括您）都可以通过该机制向区块生产者欺骗的根合约发布欺诈证明。 此欺诈证明将包含有关前一个块的信息。 根据子链的状态转移规则，假区块不符合之前的状态。 如果欺诈被确认，子链将被“回滚”到之前的区块。 更好的是，我们建立了一个系统，任何签署假区块的区块生产者都会因为失去链上存款而受到惩罚。

但是提交欺诈证明需要访问底层数据，即用于证明欺诈的区块的实际历史。 如果区块生产者也不共享先前区块的信息以防止爱丽丝向根合约提交欺诈证明怎么办？

在这种情况下，爱丽丝需要撤回她的资金，离开子链。 实际上，Alice 向根合约提交了“资金证明”。 在等待一段时间任何人都可以挑战她的证明（例如，证明她在后来的有效区块中花了这笔钱）之后，爱丽丝的资金被转移回以太坊主链。

最后，区块生产者可以审查子链的用户。 如果用户愿意，区块生产者可以有效地阻止用户在子链上做任何事情。 也就是简单的把我们所有的资产按照上面说的提回到主链上。

然而，取款也有其自身的风险。 如果子链上的所有用户都想同时取出所有资产，以太坊主链可能承受不住这种压力。 还有很多技术可以防止这种情况发生，例如延长取款的响应时间。

事实是一家公司控制100%的出块权是非常极端的情况，一般不会发生。 也就是说，子链和公链一样是去中心化的。 因此，上诉中提到的风险会相对较小。

说完状态通道和 Plasma，我们来比较一下两者。

3. 真比特

Truebit 是一种链下技术，可以帮助以太坊完成繁重的计算。 状态通道和Plasma扩大了吞吐量，所以这也是Truebit的区别。 Truebit 不会增加交易吞吐量，但它会让基于以太坊的应用程序做更复杂的事情。

有些操作的计算成本太高，无法在链上执行。 例如，验证来自其他区块链的简单支付验证 (SPV) 证明，它允许以太坊智能合约“检查”交易是否发生在另一条链（如比特币）上。

想象一下，您需要在基于以太坊的应用程序上执行一些昂贵的计算（如 SPV 证明）。 你不能简单的把它做成以太坊主链智能合约的一部分，因为SPV的计算成本太高了。 事实上，在以太坊上进行所有计算是昂贵的，因为总是需要所有节点参与计算。

但是，您可以向某人（求解器）支付少量费用来进行链下计算。

首先，解决者将费用存入智能合约，然后您将要求告知解决者。 他进行计算并将结果反馈给您。 如果计算正确，他的押金将被退还。 如果计算出错（他犯了错误或作弊），他将失去存款。

那么我们怎么知道结果是正确的呢？ Truebit 使用一种称为“验证游戏”的经济机制。 从本质上讲，我们创建了一种激励机制，鼓励“挑战者”验证解决者提交的结果。 如果挑战者能够验证游戏，证明解决者提交了错误的结果，他们将获得奖励，而解决者将失去押金。

因为验证游戏是在链上执行的，所以它不能简单地计算结果（这会破坏整个系统的目的，因为如果我们可以在链上进行计算，我们就不需要 Truebit）。 相反，我们迫使解决者和挑战者确定他们不同意的具体操作。 实际上，我们正试图让双方对结果提出异议。

一旦操作被识别，就可以在以太坊主链上运行。 然后我们通过智能合约执行细节。

综上所述

Layer 2 扩展解决方案有一个共同的核心：一旦我们拥有公链提供的确定性硬核，我们就可以将其用作数字经济系统的锚点，从而扩展区块链应用程序的有效性。

上面我提到了一些例子，可以让我们更具体地了解二层扩容方案的应用场景。 Layer 2 扩展方案使用的经济机制往往是互动游戏：它们通过为不同的参与者创造激励来竞争或“检查”来工作。 区块链应用程序可以假设给定的声明可能是真实的，因为我们已经为另一方提供了证明它是错误的信息的强烈动机。

在状态通道中，我们通过给每一方“反驳”另一方的机会来确认通道的最终状态。 在 Plasma 中，这就是我们管理欺诈证明和提款的方式。 在 Truebit 中，这就是我们确保求解器说实话的方式——通过激励验证者证明求解器是错误的。

这些系统将有助于解决扩展庞大的全球用户群所涉及的一些挑战。 一些工具，例如状态通道和 Plasma，将增加平台的交易吞吐量。 其他工具，如 Truebit，将有可能将更困难的计算作为智能合约的一部分，从而开辟新的用例。

这三个例子只代表了扩展数字经济的一小部分选择。 我们甚至还没有像 Cosmos 或 Polkadot 这样的“跨链”工作。 我们还应该期望创建新的和意想不到的第 2 层扩展解决方案系统，以改进现有模型，或在速度、最终性和成本之间提供新的权衡。

比任何特定的第 2 层扩展解决方案更重要的是底层技术和机制的进一步发展：数字经济。

这些第 2 层扩展解决方案需要构建在像以太坊这样的可编程区块链之上：你需要一种脚本语言来编程。 对于像比特币这样只提供有限脚本的区块链，这要困难得多（或者在某些情况下几乎不可能）。

我们可以在以太坊上构建 Layer 2 扩展解决方案，我们可以在访问速度、最终性和成本之间取得平衡。 这使得底层区块链更适用于更广泛的应用。 对于大额交易，推荐使用主链。 对于速度更重要的数字收藏品交易，我们可以使用 Plasma。 第 2 层扩展方案允许我们在不损害底层区块链的情况下进行这些权衡，保持去中心化和最终性。

这篇文章的作者是 L4 的联合创始人 Josh Stark。 2017 年，Josh Stark 与 Liam Horne 共同创立了 L4。 L4 团队致力于构建 Web3，进行前沿的加密经济研究，构建核心基础设施，并帮助项目成长。 其创始人之一 Liam 致力于 Counterfactual——一个通用的开放框架，用于在基于以太坊的去中心化应用程序中实施状态通道。

5月30日（周四）晚上8点，Unitimes第29期区块链技术与应用AMA有幸邀请到L4联合创始人、核心开发者Liam Horne，为我们带来了主题为“状态通道与关——连锁扩张计划》分享。

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