以太坊第 2 层扩展解决方案：状态通道、Plasma 和 Truebit

对于以太坊来说，2018 年是基础设施之年。 今年是早期采用者测试网络极限的一年，重点是扩展以太网的技术。

以太坊仍处于起步阶段。 今天，它既不安全也不可扩展。 任何与该技术密切合作的人都可以很好地理解这一点。 但在过去的一年里，ICO 驱动的炒作已经开始夸大网络的现有能力。 以太坊和 web3 的承诺——一个安全、易于使用的去中心化互联网，由一套通用的经济协议管理，并被数十亿人使用——在关键基础设施建成之前仍然遥遥无期。

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

在这篇长篇文章中，我想深入探讨一个可扩展的解决方案：“链下”或“第二层”解决方案。 首先，我们将讨论以太坊（以及所有公共区块链）的扩展挑战。

其次，我们描述了解决扩展挑战的不同方法，区分“第 1 层”和“第 2 层”解决方案。

第三，我们将深入研究第 2 层解决方案并解释它们的工作原理——具体来说，我们将讨论状态通道、Plasma 和 Truebit。

这篇文章的重点是让读者对第二层解决方案的工作原理有一个全面而详细的概念性理解。 但我们不会深入研究代码或具体实现。 相反，我们专注于理解用于构建这些系统的经济机制，以及所有第 2 层技术共享的共同见解。

1.公共区块链的扩展挑战

首先，重要的是要了解“缩放”不是一个单一的、特定的问题。 它指的是必须克服的一系列挑战，才能使以太对全球数十亿人的用户群有用。

最常见的扩展挑战是交易吞吐量。 目前，以太坊每秒可处理约 15 笔交易，而签证流程约为每秒 45,000 笔。 在过去的一年里，一些应用程序——比如密码学或偶尔的 ICO——已经流行到足以“减慢”网络速度并提高 gas 价格。

核心限制是像以太坊这样的公共区块链要求每笔交易都由网络中的每个节点处理。 以太坊区块链上发生的每项操作——支付、创建加密库、部署新的 ERC20 合约——都必须由网络中的每个节点并行执行。 这是设计使然——它是公共区块链权威的一部分。 节点不必依赖其他人来告诉他们区块链的当前状态是什么——他们自己弄清楚了。

这对以太坊的交易吞吐量施加了根本限制：它不能高于我们对单个节点的要求。

我们可以要求每个单独的节点做更多的工作。 如果我们将块大小加倍（即：这意味着每个节点的工作量大约是每个块的两倍。但这是以去中心化为代价的：节点需要更多的工作意味着功能较弱的计算机（例如消费设备）可能会从中退出在网络中，挖矿变得更加集中在强大节点的运行中。

相反，我们需要一种方法让区块链在不增加单个节点工作量的情况下做更多有用的事情。

从概念上讲，我们有两种方法来解决这个问题：

如果每个节点不需要并行处理每个操作怎么办？

第一种方法拒绝了我们的前提——如果我们可以构建一个每个节点都不需要处理每个操作的区块链会怎么样？ 相反，如果网络被分成两个可以独立运行的部分会怎样？

A 部分可以处理一组交易，而 B 部分可以处理另一组交易。 这将有效地使区块链的交易吞吐量翻倍，因为我们的限制现在可以由两个节点同时处理。 如果我们可以将区块链拆分成许多不同的部分，那么我们可以成倍地提高区块链的吞吐量。

这就是 Vitalik 的以太坊研究小组和其他研究人员正在追求的对“分片”的洞察。 区块链分为不同的部分，称为碎片，每个部分都可以独立处理交易。 分片通常被称为第 1 层扩展解决方案，因为它是在以太坊本身的基础层协议中实现的。

第二，如果我们可以从以太现有的能力中挤出更多有用的操作呢？

第二种选择恰恰相反：如果我们可以利用现有容量做更多事情，而不是增加以太区块链本身的容量。 基础层以太坊区块链的吞吐量将是相同的，但在实践中，我们将能够执行更多对人和应用程序有用的操作——例如交易、游戏中的状态更新或简单的计算。

这就是状态通道、Plasma 和 Truebit 等“离线”技术背后的洞察力。 虽然每个解决了不同的问题，但它们都是通过“链下”而不是在以太坊区块链上执行操作来实现的，同时仍确保足够的安全性和最终性。

它们也被称为第 2 层解决方案，因为它们建立在以太坊主链上。 它们不需要更改底层协议——相反，它们只是作为与链下软件交互的以太坊上的智能合约存在。

2.Layer 2 解决方案是加密经济解决方案

在深入研究特定的第 2 层解决方案之前，了解使它们成为可能的潜在见解非常重要。

公共区块链的基本功能是加密经济共识。 通过仔细调整激励措施，并通过软件和加密技术保护它们，我们可以创建可靠的计算机网络，这些计算机网络就系统的内部状态达成一致。 这是中本聪白皮书的关键见解，现在已经应用于许多不同的公共区块链，包括比特币和以太坊。

加密经济共识给了我们一个核心确定性——除非像 51% 攻击这样的极端情况，否则我们知道链操作——比如支付或智能合约——将按照书面形式执行。

Layer 2 解决方案背后的洞察力是我们可以使用确定性核心核心作为锚——我们附加额外的经济机制。 第二层经济机制可以向外扩展公链的效用，让我们从区块链上进行交互，必要时可靠地引用这个核心内核。

这些建立在以太坊“之上”的层并不总是具有与实时链操作相同的保证。 但它们仍然足以最终安全地非常有用，特别是当最终的小幅减少使我们的操作更快或降低间接成本时。

加密经济学并不以中本聪的白皮书开始和结束——它是一种我们学习应用的技术。 不仅在核心协议的设计上，在扩展底层区块链功能的二层系统设计上也同样如此。

1.状态通道

状态通道是一种用于执行“链下”交易和其他状态更新的技术。 然而，在州内通道中发生的事情仍然非常安全和最终：如果出现任何问题，我们仍然可以选择回溯到链上交易中确定的“硬核”。

大多数读者都熟悉支付渠道的概念，它已经存在了好几年，最近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——它们不仅可以用于支付，还可以用于任何“状态更新”，例如智能合约中的区块链。 Jeff Coleman 在 2015 年首次详细描述了状态通道。

解释状态通道如何工作的最好方法是看一个例子。 请记住，这是一个概念性的解释，这意味着我们不会深入了解实际实施的技术细节。

想象一下，Alice 和 Bob 想玩“tic tac”游戏，获胜者将获得 1 分。 最简单的方法是在以太坊上创建一个智能合约，强制执行井字游戏的规则并跟踪每个玩家的动作。 每当玩家想要移动时，他们都会向合约发送交易。 当玩家根据规则获胜时，合同将支付给获胜者。

这可行，但效率低且速度慢。 Alice 和 Bob 让整个以太坊网络处理他们的游戏，这可能是他们所需要的。 每次玩家想要移动时，他们都必须支付 gas 费用，并且他们必须等待几个街区才能进行下一步移动。

相反，我们可以设计一个系统，让爱丽丝和鲍勃可以用尽可能少的链式动作来玩井字游戏。 Alice 和 Bob 可以在链下更新游戏状态，同时仍然充满信心地认为他们可以在必要时恢复到以太坊主链。 我们称这个系统为“国家频道”。

首先，我们在以太坊主链上创建一个智能合约“判断”，它可以理解井字游戏的规则，可以将爱丽丝和鲍勃识别为我们游戏中的两个玩家。 合约持有1个一等奖。

然后，Alice 和 Bob 开始玩游戏。 爱丽丝创建并签署了一个描述她的第一步的交易，并将其发送给鲍勃，鲍勃也签署了它，发回签名版本，并为自己保留一份副本。 然后鲍勃创建并签署了一个描述他的第一个动作的交易，并将其发送给爱丽丝，爱丽丝也签署并发回，并保留一份副本。 每一次，他们都在更新他们之间游戏的当前状态。 每笔交易都包含一个“随机数”，这意味着我们以后总能知道这些动作的顺序。

到目前为止，这一切都没有发生在链上。 Alice 和 Bob 只是通过互联网相互发送交易以太坊第二层，但没有在区块链上实现任何东西。 然而，所有交易都可以发送到判断合约——换句话说，它们是有效的以太币交易。 你可以把它想象成两个人来回写一串被冻结的支票。 实际上，没有银行存款或取款，但每家银行都有一叠支票，他们可以随时存入。

当爱丽丝和鲍勃玩游戏时——也许因为爱丽丝赢了——他们可以通过提交最终状态（例如交易列表）来关闭通道，只支付交易费用。 法官确保这个“最终状态”由双方签署，等待一段时间以确保没有人可以合法地质疑结果，然后将数字 1 的奖励支付给 Alice。

为什么我们需要这个法官契约等待的“挑战期”？

想象一下，Bob 没有将真正的最终状态发送给法官，而是发送了一个旧版本的状态——他赢得了 Alice。 Judge 只是一个愚蠢的合约——就其本身而言，它无法知道这是否是最新状态。

挑战期让 Alice 有机会证明 Bob 对游戏的最终状态撒了谎。 如果有最近的状态，那么她将有一份已签名交易的副本，她可以将其提交给法官。 法官可以看到 Alice 的版本通过了对 nonce 的检查，而 Bob 试图窃取胜利的尝试被拒绝了。

特点和局限性

状态通道在很多应用中都很有用，它们是操作上的重大改进。 但是，重要的是要记住在决定应用程序是否适合通道化时所做的具体权衡：

状态通道取决于可用性。 如果爱丽丝在挑战期间失去了互联网连接（可能是因为鲍勃急于获得奖品，破坏了她家里的互联网连接），她可能无法在挑战期结束前做出回应。 然而，爱丽丝可以付钱给其他人来保存她的状态并保持她的可用性。

它们在参与者将在很长一段时间内交换许多状态更新的情况下特别有用。 这是因为创建用于部署法官合同的渠道的初始成本。 但是一旦部署，这个通道内每次状态更新的成本就非常低。

状态通道最适用于具有一组已定义参与者的应用程序。 这是因为，判断合约必须始终知道属于给定通道的实体（即地址）。 我们可以增删人，但是每次都需要修改合约。

状态通道是高度私有的，因为一切都发生在参与者之间的通道中，而不是公开广播和记录。 只有开放和关闭的交易必须是公开的。

状态通道具有即时终结性，这意味着一旦双方签署了状态更新，它就可以被认为是最终的。 双方都有很高的保证，必要时可以“强制”状态链。

在 L4，我们构建反事实：以太坊层的通用状态通道框架。 我们的通用模块化实现将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。 您可以在此处阅读有关该项目的更多信息。 我们将在 2018 年第一季度发表一篇描述我们技术的论文。

另一个值得注意的状态通道项目是 Raiden，它目前专注于使用类似于闪电网络的模型构建支付通道网络。 这意味着您可以打开一个连接到更大的渠道网络的单一渠道实体，而不是与您要与之交易的特定人打开渠道，从而使您能够向其他人支付费用以连接到同一网络没有额外的费用。

除了 Counterfactual 和 Raiden，以太坊上还有几个特定于应用程序的通道实现。 例如，Funfair 为他们的去中心化赌博平台建立了状态通道（他们称之为“命运通道”），Spankchain 为成人表演者建立了一个单向支付通道（他们也为他们的 ICO 使用状态通道），Horizo​​n Games 使用状态他们第一个基于以太坊的游戏中的频道。

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。 本文介绍了一项新技术，该技术将使以太坊每秒实现比目前更多的交易。

与状态通道一样，Plasma 是一种进行链下交易的技术，同时依赖于底层以太坊区块链的安全性。 然而，Plasma 通过允许将“子”区块链附加到“主”以太区块链，将这一想法带入了一个新的方向。 这些子链依次产生自己的子链，子链可以产生自己的子链，依此类推。

因此，我们可以在子链级别执行许多复杂的操作，只需要与以太坊主链进行最少的交互即可在数千名用户中运行整个应用程序。 Plasma 子链可以更快地移动并收取更低的交易费用，因为它不需要在整个以太坊区块链上复制。

要了解 Plasma 的工作原理，让我们来看看如何使用它。

假设您正在以太坊上创建扑克游戏。 这些卡片将是 ERC 721 不可替代代币（如 Cryptokitties），但具有一些功能和属性，允许用户在炉石传说中玩游戏，或在派对上表演魔术。 这些复杂的操作非常昂贵，因此您决定用等离子替换您的应用程序。

首先，我们在以太坊主链上创建一套智能合约作为我们 Plasma 子链的“根”。 在我们的子链上（如“交易不能花费已经花费的资产”），记录子链状态的哈希，并充当一种“桥梁”，允许用户在以太坊主链和子链之间移动资产，这些“孩子”包含了我们子链的基本“状态转换规则”。

然后，我们创建我们的子链。 子链可以有自己的共识算法——在这个例子中，假设它使用权威证明 (PoA)，这是一种依赖于受信任的区块生产者（即验证者）的简单共识机制。 区块生产者类似于“工作证明”系统中的矿工——他们是接收交易、形成区块并收取交易费用的节点。 让我们保持示例简单，并假设您（创建游戏的公司）是唯一创建块的实体 - 即。 贵公司运行多个节点，它们是我们子链的区块生产者。

一旦子链被创建并激活，区块生产者就会定期提交给根合约。 这意味着他们实际上是在说：“我保证，子链中最近的区块是 X”。 这些承诺记录在等离子的根上，以展示子链中发生的事情。

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。 卡片本身是 ERC721，最初在以太坊主链上创建，然后通过 Plasma Root 转移到子链。 这就提出了一个关键点：Plasma 允许我们与基于区块链的数字资产进行大规模交互，但这些资产应该首先在 ethereal-main 链上创建。 然后，我们在子链上部署实际的游戏应用智能合约，其中包含所有的游戏逻辑和规则。

当用户想玩我们的游戏时，他们只与子链进行交互。 他们可以持有资产（ERC721 卡）、购买和交易以太币，以及与其他用户玩游戏（无论我们的游戏允许他们做什么），所有这些都无需与主链直接交互。 因为只有少数节点（即块生产者）需要处理交易以太坊第二层，所以费用可以低得多，操作可以更快。

但这怎么可能安全呢？

通过将更多操作从主链转移到子链，显然我们可以做得更多。 但它有多安全？ 在子链上发生的交易实际上被认为是最终的吗？ 毕竟，我们刚刚描述了一个系统，其中一个实体控制我们子链的区块生产。 这不是专注力吗？ 公司不能偷走你的资金，或者随时拿走你的收藏卡吗？

简而言之，即使在单个实体控制子链上 100% 区块生产的情况下，Plasma 也给你一个基本保证，你可以随时将你的资金和资产返回到主链。 如果生产者开始恶意行事，可能发生的最糟糕的事情就是他们迫使你离开子链。

让我们来看看区块生产者可能表现不佳的几种不同方式，看看 Plasma 如何处理这些情况。

首先，想象一个区块生产者试图通过撒谎来欺骗你——通过创建一个假的新区块，然后你的资金突然被他们控制了。 他们是唯一的区块生产者，因此他们可以自由地引入一个不真正遵循我们区块链规则的新区块。 就像任何其他区块一样，他们必须向包含区块证明的 Plasma 根合约发布承诺。

如前所述，用户始终有一个最终的保证，即他们可以将自己的资产归还主链。 在这种情况下，用户（或代表他们的应用程序）检测到盗窃企图并在区块生产者尝试使用他们“被盗”的资产之前撤回。

Plasma 还创建了一种防止欺诈性返回主链的机制。 Plasma 包含一种机制，任何人（包括你）都可以通过该机制向根合约发出欺诈证明，以证明区块生产者已被欺骗。 这个欺诈证明将包含关于前一个区块的信息，并允许我们证明根据子链的状态转换规则，假区块不会从前一个状态正确跟随。 如果欺诈被确认，子链将“回滚”到前一个区块。 更好的是，我们建立了一个系统，任何签署虚假区块的区块生产者都会因丢失在线存款而受到惩罚。

但是提交欺诈证明需要访问基础数据——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有关先前区块的信息，从而阻止爱丽丝向根合约提交欺诈性证明怎么办？

在这种情况下，解决方案是 Alice 撤回她的资金并离开子链。 本质上，Alice 向根合约提交“资金证明”。 在任何人都可以质疑她的证明的延迟之后（例如，表明她实际上在后来的有效区块中花费了这些资金），爱丽丝的资金被移回以太坊主链。

最后，区块生产者可以审查子链的用户。 如果区块生产者愿意，他们可以不将某些交易包含在区块中，从而有效地阻止用户在子链上做任何事情。 如上所述，解决方案再次简单地将我们所有的资产返回到以太坊主链。

然而，取款也有其自身的风险。 一个问题是，如果使用子链的每个人都试图同时退出，会发生什么情况。 如果出现大规模提款，以太坊主链上可能没有足够的容量来处理挑战期间每个人的交易，这意味着用户可能会损失资金。 不过，有许多可能的技术可以防止这种情况发生，例如通过延长挑战期以适应提款。

值得注意的是，并非所有区块生产者都由一个实体控制——这是我们示例中的极端情况。 我们可以创建孩子链，其区块生产分布在许多不同的实体中——即实际上以更类似于公共区块链的方式去中心化。 在这些情况下，区块生产者以上述方式进行干预的风险较小，用户不得不将资产转移回以太坊主链的风险也较小。

现在我们已经介绍了状态通道和等离子，值得注意一些比较。

一个区别是状态通道可以在通道中的所有参与方都同意退出时执行即时退出。 如果 Alice 和 Bob 同意关闭通道并撤回他们的资金，只要他们都同意最终状态，他们就可以立即将他们的资产从通道中取出。 这在 Plasma 上是不可能的，如上所述，用户必须始终经历一个涉及挑战期的退出过程。

每笔交易的状态通道也应该比 Plasma 更便宜、更快。 这意味着我们可以在 Plasma 子链上建立国家渠道。 例如，在两个用户正在交换一系列小交易的应用程序中。 在子链级别建立状态通道应该比直接在子链上执行每笔交易更便宜、更快。

最后，值得注意的是，这只是部分描述，遗漏了许多细节。 Plasma 本身还处于非常早期的阶段。 如果您有兴趣了解有关 Plasma 的最新工作的更多信息，请查看 Vitalik 最近提出的“最小可行 Plasma”（即 Plasma 的精简实现）提案。 台湾的团队正在研究它，你可以在这个 repo 中找到它。 OmiseGo 正在为他们的去中心化交易所进行实施——他们在这里发布了最新进展。

3. 真比特

Truebit 是一种帮助以太坊在链外进行繁重或复杂计算的技术。 这使得它不同于状态通道和 Plasma，后者更有利于提高以太坊区块链的整体交易吞吐量。 正如我们在开篇部分所讨论的那样，扩展是一个多方面的挑战，需要的不仅仅是高交易吞吐量。 Truebit 不会让我们做更多的交易，但它会让基于以太坊的应用程序以主链可以验证的方式做更复杂的事情。

这将使我们能够执行对以太坊应用程序有用的操作，这些应用程序的计算成本太高而无法在链上进行。 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（例如比特币或狗狗币）上。

让我们看一个例子。 想象一下，你有一些昂贵的计算——比如 SPV 证明——需要作为你的以太坊应用程序的一部分来执行。 你不能简单地将其作为以太坊主链上智能合约的一部分，因为 SPV 证明的计算成本太高。 请记住，在以太网上执行任何计算都非常昂贵，因为每个节点都必须并行执行。 以太坊中的一个区块有一个最大 gas 限制，从而为该区块中合并的所有交易设置了计算量的上限。 但是 SPV 证明的计算量非常大，所以即使它是唯一的内部交易，也需要整个气体限制的许多倍。

相反，您需要向某人支付少量费用来进行反向链接计算。 您付钱的人称为解决者。

首先，解决方案在智能合约中支付保证金。 然后，您向求解器描述他们需要为您执行的计算。 他们运行计算，并返回结果。 如果结果正确（稍后更多），他们的押金将被退还。 如果结果证明求解器没有正确执行计算——也就是说，他们被骗或犯了错误——他们将失去押金。

但是我们如何判断结果是对还是错呢？ Truebit 使用一种称为“验证游戏”的经济机制。 本质上，我们为其他各方（称为挑战者）创建激励机制，以检查求解器的工作。 如果挑战者可以通过验证游戏来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。

由于验证游戏是在链上执行的，它不能简单地计算结果（这会破坏系统的整个目的——如果我们可以在链上计算，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，我们支持双方陷入困境——找到他们不同意结果的实际代码行。

一旦确定了特定的操作，它就足够小，可以由以太坊主链实际执行。 然后我们通过以太坊的智能合约执行此操作，该合约一劳永逸地确定哪一方说的是真话，哪一方说谎或错了。

综上所述

第 2 层解决方案有一个共同的见解：一旦我们拥有公共区块链提供的确定性核心，我们就可以将其用作加密经济系统的锚点，从而扩展区块链应用程序的实用性。

现在我们已经研究了一些示例，我们可以更具体地了解第 2 层解决方案如何应用这种见解。 Layer 2 解决方案使用的经济机制往往是互动游戏：它们为不同的参与方创造激励，以竞争或“检查”彼此的工作。 区块链应用程序可以假设给定的陈述很可能是真实的，因为我们已经为另一方提供强烈的激励来提供表明它是错误的信息。

在状态通道中，这就是我们确认通道最终状态的方式——让每一方都有机会“反驳”另一方。 在 Plasma 中，我们如何管理欺诈预防和取款。 在 Truebit 中，我们如何确保求解器说出真相——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将以太坊扩展到庞大的全球用户群所涉及的一些挑战。 一些像状态通道和 Plasma 会增加平台的交易吞吐量。 Truebit 等其他公司将能够在智能合约中进行更困难的计算，开辟新的用例。

这三个示例仅代表隐写经济比例解的可能设计空间的一小部分。 我们甚至还没有谈到像 Cosmos 或 Polkadot 这样的“区块链间协议”是做什么的（尽管这些是“第 2 层”解决方案还是其他东西是另一篇文章的主题）。 我们还应该期望发明新的和意想不到的第 2 层系统，以改进现有模型或在速度、最终性和开销之间提供新的权衡。

比任何特定的第 2 层解决方案更重要的是底层技术和机制的进一步发展，这些技术和机制首先使其成为可能：加密经济设计。

这些第 2 层扩展解决方案有力地证明了以太坊等可编程区块链的长期价值。 只有区块链是可编程的，才有可能建立第 2 层解决方案的经济性：您需要使用脚本语言来编写执行交互式游戏的程序。 对于像比特币这样只提供有限脚本功能的区块链，这要困难得多（或者在某些情况下，比如 Plasma，可能是不可能的）。

以太坊允许我们构建第 2 层解决方案，以访问速度、最终成本和间接成本之间权衡矩阵上的新点。 这使得底层区块链更适用于更广泛的应用程序，因为具有不同威胁模型的不同类型的应用程序将自然偏好不同的权衡。 对于我们甚至要防御民族国家的高价值交易，我们使用主链。 对于速度更重要的数字收藏品交易，我们可以使用 Plasma。 第 2 层让我们在不影响底层区块链的情况下做出这些权衡，保持去中心化和最终性。

此外，很难提前预测给定扩展解决方案需要哪些脚本功能。 在设计以太坊时，Plasma 和 Truebit 还没有发明。 但由于以太坊是完全可编程的，它几乎可以实施我们可以发明的任何经济机制。

充分利用区块链技术价值的唯一途径是通过以太坊等可编程区块链实现这一核心确定性。