去中心化可扩展性——智能合约平台的快速比较

我们将研究智能合约平台的去中心化可扩展性，其中一些加密货币领域的项目正在寻求解决这一难题，即Lightning Network、Raiden、Plasma和Lumino。可扩展性是区块链领域的关键解决方案。如果加密货币成为主流，它们必须至少与集中式替代方案一样快，如果无法更快的话。在本指南中，我们将研究阻止加密货币处理更快交易的主要问题。

去中心化可扩展性问题的简要历史

区块链的可扩展性问题已得到充分证明。 比特币和以太坊是世界上最受欢迎的两种加密货币，但是，前者每秒只能处理3笔到7笔交易，而以太坊每秒只能处理15-20笔交易。与PayPal和Visa的机构解决方案相比，这真是太差劲了。去中心化加密货币之所以在处理速度方面落后，是因为它们的设计方式。

阻碍可扩展性的设计问题

我们将研究两个主要问题：

· 花时间将交易放入区块中。

· 花时间来达成共识。

花时间将交易放入区块中

比特币和以太坊都遵循工作量证明（POW）共识模式。在POW模式中，有一些称为矿工的参与者使用他们的计算能力来解决密码难题。如果他们成功地开采了这些区块，那么他们会因解决难题而获得区块奖励。

因此，假设Alice想向Bob发送4个比特币BTC，该交易数据将与内存池中其余的其他待处理交易排队。成功开采区块的矿工从内存池中提取待处理交易，并将其放入区块中。一旦发生这种情况，交易就会得到处理，矿工为其服务收取一些交易费。该系统的问题在于，矿工成为整个操作的瓶颈。因此，只要内存池的尺寸增加，处理交易所花费的平均时间就会大大增加。此外，须注意的是，在比特币区块链中，这些区块的尺寸限制为1 MB。换句话说，只有这么多的交易可以放入它们的区块中。

好吧，那么以太坊呢？

虽然区块没有比特币的1 MB大小限制，但它们受到670万个气体上限的限制。一笔简单的以太坊交易可能花费大约21,000气体。但是，复杂的智能合约可能会花费更多。

因此，气体是处理该特定交易或智能合约所需的计算能力。由于每个区块都有气体限制，矿工只能添加其气体需求加起来等于或小于区块的总气体上限的交易。

花时间来达成共识

比特币和以太坊的区块链托管在对等网络上。这是比特币网络的节点分布：

而这则是以太坊的：

网络节点分布在广泛的区域，并具有相同的特权。没有中央机关，也没有任何等级制度。它是一个平面拓扑。

但是，由于没有中央机关，去中心化网络如何做出决定？答案是——共识机制。

一旦矿工成功地开采了一个区块，他们就需要在整个网络中传播它。网络的绝大多数（>⅔）必须批准该区块的合法性。不幸的是，这意味着随着越来越多的人进入网络，达成共识变得越来越耗时。

第2层去中心化可扩展性——智能合约平台的比较

因此，如果区块链的固有架构存在缺陷，那么在区块链基础上创建一层个是有意义的，这可以允许我们采用扩展交易规模的方法。我们今天将要讨论的技术——Lightning Network、Raiden、Plasma和Lumino都是第2层可扩展性解决方案的示例。要了解这些解决方案的工作机制，您需要了解付款渠道的概念。

状态通道是参与者之间的双向通信通道，其使它们能够相互交互，这通常在区块链的链上和链下发生。这样做是因为它不再需要像矿工这样的第三方来验证交易，因此它将成倍地减少交易时间。

那么建立链下状态通道有什么要求？

· 区块链状态的片断通过多重签名或某种智能合约锁定，具体由一组参与者约定。

· 参与者通过在彼此之间签署交易来相互交互，而无需向矿工提交任何物品。

· 然后将整个交易集添加到区块链（在Lumino和Raiden中，并非所有交易都存储在区块链上）。

按照Slock.it创始人Stephan Thual的说法，可以在参与者预先确定的位置关闭状态通道。其可以是以下几种： 

· 截止时间，例如，参与者可以同意打开一个状态通道并在2小时后关闭。

· 它可以基于已完成的交易总量，例如，在进行了价值100美元的交易后关闭该链。

支付通道是一种状态通道，专门处理双方之间的付款和小额付款。请注意，通道上的所有交互都是可能发生在区块链上但正在链下发生的事情。虽然有许多不同类型的支付通道，但到目前为止，最流行的是哈希时间锁定合约（HTLC）。

HTLC允许开放支付通道，在预先约定的截止日期之前，资金可以在双方之间转移。这些付款通过提交加密证明得到确认。

很好，到目前为止，我们对这些解决方案的背景知识有了基本了解。现在让我们一一探讨。

1、Lightning Network

Lightning Network是HTLC类型的链下小额支付系统，旨在使交易在区块链中能够更快地进行。它是Joseph Poon和Tadge Dryja在其白皮书中提出的概念，旨在解决区块大小限制和交易迟延问题。

让我们以一个假设的例子来了解它是如何工作的。想象一下Alice必须通过Bob向Charlie汇款。 

· Alice和Bob打开了一个通道，Bob和Charlie打开了一个通道。

· 假设Alice宣布她想与Charlie交互。

· Charlie宣布了一个随机数字并生成其SHA256哈希值，然后将其交给Alice。基本上，如果Charlie选择一个数字A，那么他将给出数字H（A）的哈希值。

· Alice将0.1 BTC发送给Bob，条件是只有能够提交获得相同哈希值所需数据的人才能取得付款。Bob如果想要滥用资金，他将需要拥有数据，即生成该哈希值所需的先前映像。Bob基本上将不得不提供他并不拥有的“A”。

· Bob现在以同样的条件将资金移交给Charlie。Charlie将先前映像“A”交付给Bob，最终从Bob取得付款。

· Bob将“A”交付Alice，最终从Alice取得付款。 

以下是整个工作流程的信息图。

Lightning Network的优势如下：

· 快速付款：付款几乎是即时的。

· 不依赖矿工：交易无需经过矿工的批准和验证即可进行处理。

· 支持小额付款：早期的小额付款在比特币区块链上极为不便。现在，由于有了Lightning Network，才得以实现小额付款。

· 支持多签名：仅当通道中的每个人都批准时，交易才会进行处理。

· 减少区块链负载：由于链中发生了如此多的交易，因此大大减少了主链必须承担的负载。

· 减少等待时间：由于交易是在链下进行，而且没有矿工的干预，因此几乎没有等待时间。

· 它有助于提高可扩展性，因为它将增加每秒发生的交易数量。

2、Raiden

Raiden是以太坊的第二层解决方案。虽然它与Lightning Network非常相似，但与之不同的是，它与交易详细信息一起，其状态通道也可以传输智能合约详细信息。阻碍以太坊交易的最大问题如下： 

· 区块间隔时间：在以太坊中开采区块需要15秒。

· 气体价格：交易是否包含在区块中也直接关系到每笔交易的气体价格。通常，矿工接受气体价格较高的交易，并且可以通过允许他们“插队”来给予他们特别的优先权。

· 孤立块：矿工有时候会开采空块。这些区块也称为“孤立块”。 即使是最好的采矿池，目前也有1-2%的孤立块率。

Raiden将允许两个用户在他们之间进行多次交易，而无需与矿工或区块链进行交互。它的结构类似于在以太坊主链上运行的网状结构。

Raiden Network的优势？ 

· 可使用且简单的应用程序编程接口（API）。

· 实现以太坊可扩展性。

· 它可用于发送任何ERC20代币。

· 实现快速、简单的汇款。

· 将减少以太坊区块链上的负载。

Plasma与Lightning Network/Raiden一起，将为以太坊架构引入全新的一层：

Plasma是在根链（主要的以太坊区块链）之上运行的一系列合约。如果要构想架构和结构，可以将主区块链和Plasma区块链视为一棵树。主区块链是根，而Plasma链（又称为子区块链）是树枝。

这大大减少了主链上的负载。支链定期向主链发送报告。事实上，您可以将“根链”视为最高法院，将所有支链视为下级法院，这些法院从主要法院获得权力。 

所有支链都可以发行自己的独特代币，这些代币可以激励链验证者照顾链并确保其无故障。每个支链有其自己的独立数据，并且当它确实需要向主链提交一些数据时，它不会转储其所有内容，而只是将博客标头哈希值提交给主链。 

Plasma不仅节省了主链中的大量空间，而且还指数性地提高了交易过程的速度。如果实施得当，这可能是有史以来对以太坊和加密货币做出的最具革命性的变化之一。

OmiseGo是最有前景的基于以太坊的项目之一，目前正在开发基于Plasma的产品，以实现快速无缝的付款。

在讨论RIF Lumino之前，让我们更好地了解RSK和RIF。 Rootstock（RSK）是智能合约平台，可通过侧链技术连接到比特币的区块链。 Rootstock可以让您创建与以太坊 （web3 / EVM / Solidity模式）兼容的应用程序，同时仍可享受比特币区块链提供的安全性。Rootstock的核心是以下组合：

· 图灵完备的基于资源的确定性虚拟机（用于智能合约）与以太坊的EVM兼容。

· 基于强大联盟的双向挂钩比特币侧链（用于BTC计价的贸易）。

· SHA256D合并采矿共识协议（用于依赖比特币矿工的共识安全性），间隔时间为30秒（用于快速付款）。

如果您想进一步了解RSK，可以在此处阅读我们的指南。

Rootstock还将利用其技术堆栈（Rootstock基础构架框架开放标准，英文缩写RIFOS）帮助在比特币基础上构建健康的经济体系。通过使每个人都尽可能简单地进行操作，它将促进区块链技术的使用。由于RIFOS基于存在于比特币之上的侧链（RSK）构建，人们可以将其视为位于比特币区块链上的第三层。

关于RIFOS，请注意以下特点：

· 只要产品与基础协议兼容，开发人员就可以将其无缝集成到RIFOS生态系统中。

· RIFOS的各个组件旨在最大限度地为希望在协议的生态系统中提供基础架构服务的用户带来潜在益处。

· 所有组件均受比特币网络提供的安全保护。

· 其协议将包括触发网络效应和规模经济的机制。

· 使用单个代币（RIF）将消费RIFOS中运行的大多数服务。

RIFOS目前正在研究的领域之一是使用其 Lumino 项目进行的“付款”。Lumino与Raiden非常相似，因为它通过状态通道发送交易和智能合约详细信息。但是，不同之处在于，尽管Raiden是为以太坊构建的，但Lumino是由RSK构建的，是对比特币的扩展。Lightning Network和Lumino可能会出现竞争，但是，事实是它们彼此互补，并且正在共同努力为比特币用户提供最佳服务。

结论：去中心化的可扩展性

通过实施第2层机制，加密货币每秒可能实现成百上千笔交易。可扩展性一直是加密货币领域最大的问题之一。但是，Lumino、Lightning Network、Raiden和Plasma等项目向我们展示了我们终于有办法一劳永逸地解决此问题并实现真正的主流采用。