BTC:區塊鏈技術引卷之九：狀態通道——鏈下交互鏈上清算，兩條腿走路 | 火星號精選_TWO

通證通研究院×FENBUSHIDIGITAL聯合出品

文：宋雙杰，CFA；程東鋒

特別顧問：沈波；Rin；JX

導讀

狀態通道是一種比較熱門的擴容方案，以太坊基金會近期披露的3000萬美金的年度資金預算，有1900萬美金用于包括狀態通道和Plasma在內的以太坊2.0的開發。狀態通道有望推進區塊鏈的大規模落地商用。

摘要

區塊鏈不可能三角是指非中心化特性、安全性、擴展性三者不可能同時得到很好的滿足。

狀態通道解決方案通過將鏈下交互和鏈上清算隔離開，能夠在保障一定程度的非中心化和資產安全性的同時，實現速度更快、費用更低的交易。狀態通道作為一種鏈下擴容方案，從一般到特殊分為通用狀態通道、狀態通道和支付通道三個層次。

狀態通道面臨的主要問題包括路由問題、通道平衡問題、節點離線問題以及保證金鎖定問題。

通過設計合理的路由策略可以將狀態通道擴展為網絡結構，目前的方案有哈希時間鎖合約、虛擬通道和元通道。通道平衡問題的主要解決思路有背壓路由算法和鏈下重新平衡方案。節點離線問題的主要解決思路是引入第三方來監督鏈下狀態，并加以經濟激勵。保證金鎖定問題的解決思路是從流動性資金供應商那里吸收閑散資金、共享資金池。

相比于鏈上擴容方案，狀態通道巧妙地將鏈上和鏈下的職能分開，采用該方案無需改變公鏈結構，結合了鏈上的安全性和非中心化特性以及，鏈下的擴展性，但從整體生態來說，由于鏈上鏈下通信過程中可能存在的問題，狀態通道依然屬于安全性、非中心化和擴展性的一種新平衡。相比于其他鏈下擴容方案，狀態通道的隱私性較好，可做到即時性，尤其適合于固定雙方的高頻互動，其劣勢在于需要中間節點“墊付”資金、要求節點實時在線或需引入第三方來監督。

風險提示：中介節點壟斷、安全漏洞

動態 | 2020年，區塊鏈等新技術將亮相廣州市城市管理:昨日，廣州市城市管理和綜合執法局召開全市城市管理工作年終總結視頻會議，并對2020年城市管理工作進行部署。圍繞“目標清單”，2020年將在各方面繼續完成相關任務。其中包括運用5G技術、衛星定位和遙感技術、AI（人工智能）、GIS（地理信息系統）、大數據等，探索構建以物聯網為基礎、以區塊鏈為特點的城市管理新技術應用。（廣州日報）[2019/12/29]

目錄

1狀態通道概述

2狀態通道的三個層級

2.1通用狀態通道

2.2狀態通道

2.3支付通道

3狀態通道需攻克的關鍵問題

3.1路由問題

3.1.1哈希時間鎖合約

3.1.2虛擬通道

3.1.3元通道

3.2通道平衡問題

3.3節點離線問題

3.4保證金鎖定問題

4狀態通道和其他擴容方案的對比

4.1與鏈上擴容方案的對比

4.2與其他鏈下方案的對比

正文

狀態通道是區塊鏈鏈下擴容方案之一，目前有眾多知名項目都采用了狀態通道技術方案。

1狀態通道概述

區塊鏈的所有節點執行相同的計算、存儲相同的數據，這樣一種冗余的架構在保障了安全性和非中心化的同時，也導致區塊鏈處理交易的速度非常慢，且費用昂貴。

鏈下擴容也稱第2層擴容，是不改變公鏈基礎協議的一種應用層上的擴展方案，第1層提供安全性，第2層提供擴展性。鏈下擴容目前主要有狀態通道、側鏈和鏈下計算等方案。

狀態通道中的狀態指的是區塊鏈賬本當前的樣子，包括賬戶名稱、余額、合約數據等。狀態通道是在兩方或多方之間開辟一條鏈下通道來進行狀態交換，以實現較低的手續費和即時到賬等特性。

聲音 | 長沙市委常委：區塊鏈等技術已與經濟、政府職能等融為一體:據中國新聞網消息，在“區塊鏈應用實例與前沿研討”上，長沙市委常委、統戰部部長譚小平表示，長沙是中部地區的重要城市，正在推進高質量發展。高質量發展的驅動力是科技，大數據、區塊鏈等前沿技術已與經濟、社會、政府職能等融為一體。[2019/3/18]

利用狀態通道交易的流程一般為：

①交易方在鏈上鎖定一定量的資產，在區塊鏈上記錄并開辟狀態通道；

②在通道內進行相互交易和狀態更新，但不提交到鏈上；

③當任一方想要關閉通道時，提交最終狀態到區塊鏈上進行清算。若另一方有異議，可在規定時間內申請鏈上仲裁。

狀態通道的擴容原理主要是鏈下交互、鏈上清算，避免將每一筆小額交易都放在鏈上進行，只需要把最終的狀態提交到鏈上即可，減輕了鏈上的工作量。當雙方均無異議可以很快完成清算，實現即時終結性，此外由于在通道內進行鏈下交易，可實現較快的交易速度、較低的手續費，以及較好的隱私性。

當某一方試圖欺詐，提交有利于自己的非最終狀態上鏈時，另一方可以通過提交帶有時間戳的最新狀態向鏈上申訴，坐實后欺詐者會面臨被沒收抵押物的懲罰。但這要求狀態通道的用戶實時在線，如果某一方長時間離線，鏈上清算會強制執行，從而可能造成損失。這種情況下一般會引入第三方來監督是否有欺詐現象發生，但這需要設計出合理的第三方經濟激勵機制。

狀態通道方案比較適合參與方在相對較長的時間里需多次交換狀態、對單次轉賬的交易手續費比較敏感等場景。例如棋牌類游戲、物聯網智能支付、平臺、直播打賞等。

2狀態通道的三個層級

狀態通道作為一種鏈下擴容方案，從一般到特殊主要分為通用狀態通道、狀態通道和支付通道三個層級。

2.1通用狀態通道

通用狀態通道是模塊化、標準化的狀態通道開發框架，實例化之后即成為狀態通道或支付通道。開發人員無需很熟悉狀態通道的相關技術細節也可以很容易地開發基于狀態通道的應用，用戶也可在不執行任何鏈上操作的情況下在通道內安裝、運行和終止DApp。

聲音 | 螞蟻金服閆鶯：螞蟻金服區塊鏈打造信任鏈接的基礎設施:螞蟻金服區塊鏈實驗室資深技術總監閆鶯在公開演講中表示，螞蟻區塊鏈首先要解決實際價值。第二要不斷去攻克大規模場景所需要技術的瓶頸。螞蟻區塊鏈在定位上，打造的是信任鏈接的基礎設施。[2018/7/15]

典型的項目有Counterfactual、CelerNetwork。

2.2狀態通道

狀態通道是在鏈下進行狀態交互的通道。通過將鏈上的圖靈完備智能合約放到鏈下執行，來實現狀態交換和鏈下擴容的目的。例如基于狀態通道開發的圍棋游戲，就是在鏈下不斷進行狀態的交換。

典型的項目有PerunNetwork、FunFair。

2.3支付通道

支付通道屬于狀態通道在支付領域內的具體應用。交易雙方在狀態通道內可多次進行賬務往來，直到通道關閉時上鏈清算。鏈下轉賬快速無手續費，當一方嘗試在上鏈清算時進行欺詐，會有仲裁和懲罰機制來確保雙方的資產安全。

典型的項目有閃電網絡、Raiden、TrinityLiquidityNetwork。

3狀態通道需攻克的關鍵問題

3.1路由問題

為了將支付通道擴展為支付網絡，在已開辟的狀態通道上通過路由節點建立兩個陌生節點的連接無疑是比較經濟的。正如六度人脈理論闡釋的那樣，我們可以借助六度人脈和世界上其他任何人建立聯系。目前主要有如下三種路由方案：

3.1.1哈希時間鎖合約

代表項目：閃電網絡

發送方向接收方發送BTC到1/2多重簽名地址，如果接收方不能在合約規定的時間內通過“簽名哈希密文”的方式將BTC解鎖，那么BTC就會退還給發送方。

如圖所示，A想通過B、C向D發送1個BTC。D作為接收方，首先生成一個隨機私鑰r和公鑰R，然后將R發送給A。

陳磊：2018年迅雷將把重點放在構建區塊鏈生態和共享計算上:迅雷CEO陳磊表示，2018年迅雷將把重點放在構建區塊鏈生態和共享計算上。同時對于資本市場熱議的CDR試點回歸A股，他透露迅雷正在推進研究借助這一政策回歸A股的可能性。[2018/4/10]

A和B首先搭建了哈希時間鎖合約，R就是其中的“鎖”，這里的“時間”是3天，“哈希密文”就是只有D才知道的私鑰r。這個合約意味著只要B能在3天之內獲得私鑰r來解鎖R，就可以得到A在智能合約里發送的1個BTC，否則這1個BTC就會退還給A。

B需要獲得私鑰r來解鎖R，按照同樣的思路，B和C的智能合約規定，只要C能在2天之內獲得私鑰r來解鎖R，就可以得到B在智能合約里發送的1個BTC，否則這1個BTC就會退還給B。

最后C和D的智能合約也是如此，只要D能在1天之內用私鑰r來解鎖R就可以獲得這1個BTC。相當于D是用私鑰r換取了C“墊付”的1個BTC，C拿到私鑰r后再用它解鎖并換取了B“墊付”的1個BTC，之后B用r解鎖了A的1個BTC。

也就是說，D首先生成了“鎖”和對應的“鑰匙”，然后鎖依次傳到A、B、C；D收到BTC后，“鑰匙”依次傳到C、B、A。這樣幾個節點無需相互信任就實現了從A到D的安全轉賬。實際操作中，中間節點會收到額外的服務費作為經濟激勵。

3.1.2虛擬通道

代表項目：PerunNetwork

如圖所示，A、B都已經與I開辟了狀態通道，分別為通道X和通道Y。現在A、B向中間節點I通過智能合約發出申請，建立A和B的虛擬通道Z。

A在X通道鎖定了Z個通證，對應的I在Y通道也鎖定了Z個通證；

B在Y通道鎖定了Z個通證，對應的I在X通道也鎖定了Z個通證。

鎖定之后相當于在A、B之間建立了一個虛擬通道Z，A、B在該通道內對應的可用額度分別是Z、Z。A如果想向B轉賬1個通證，I的左邊會增加1個通證，與此同時右邊會減少1個通證，減少的1個通證轉給了B，達成的效果類似于武俠小說里的“隔山打牛”，A通過I作為“跳板”向B轉賬了1個通證。虛擬通道也可以進一步擴展形成更大的網絡。

地產板塊成今日大熱點 區塊鏈概念緊隨其后:區塊鏈板塊的整體漲幅雖然不大，但其板塊內的個股表現僅次于房地產板塊。壹橋股份、四方精創強勢漲停，易見股份暴漲7%，飛天誠信、暴風集團均上漲4%左右，新晨科技、贏時勝、高偉達、御銀股份等個股亦有不同程度的上漲。

今天區塊鏈概念股的大漲，最直接的原因便是人人網大漲，進而刺激到國內的區塊鏈概念股大漲。但是從概念股今天的表現來看，資金似乎并沒有打持久戰的意愿。首先是漲停股與非漲停股之間的漲幅斷層過大，整個板塊的板塊效應缺失；其次，早盤大漲的易見股份、暴風集團、新晨科技、飛天誠信、贏時勝、御銀股份午后紛紛回落，連一日游的行情都沒有，更何況持續性的行情。[2018/1/5]

與哈希時間鎖合約方案相比，該方案的中間節點無需牽涉到每筆交易中來，只需通過智能合約自動執行，因此更具隱私性和低延遲性，但是需要中間節點鎖定足夠數量的通證，以為虛擬通道兩端提供“中介服務”。比如在上面的例子中，I節點至少需要鎖定ZZ個通證。

3.1.3元通道

代表項目：Counterfactual

該方案與虛擬通道類似，只是結構稍有差異。比如Counterfactual，是將通用狀態通道進行實例化后分別建立A和I、B和I的代理狀態通道，在此基礎上建立A、B的支付通道，實現和虛擬通道相同的效果。

3.2通道平衡問題

在狀態通道網絡中，采用傳統計算機網絡的最短路徑的路由策略，會造成通道的不平衡狀態，反過來又會使得路由策略失效，尋路遇到“死胡同”便無法有效傳遞價值。如圖表8所示A、B、C三個節點兩兩組成的雙向狀態通道，采用最短路徑使得節點在某一通道的可用通證變為0，雙向通道變成了單向通道。左上圖是平衡狀態，對應左下圖所示雙向通道。中上圖和右上圖的通證集中到了一邊，分別對應中下和右下的單向通道。

CelerNetwork提出了背壓路由算法，在每個時間切片內衡量局部網絡的擁堵程度和通道失衡度，然后按照背壓權重最大的方向進行路由轉移，減少網絡擁堵的同時實現通道平衡。通過對77個節點組成的254個狀態通道組成的支付網絡進行測試后發現，背壓路由算法和閃電網絡的最短路徑路由算法相比，性能提高了15倍，通道利用率提高了20倍。

LiquidityNetwork提出了一個允許在鏈下重新平衡支付通道的Revive協議。該協議通過使一組支付通道節點執行一組交易，來重新平衡每個節點在多個通道的通證資產量，防止單向通道形成。如下左圖所示的樹形網絡結構無法做到重新平衡，而Revive所采用的右圖所示的網絡包含環狀結構，可以實現節點在多個通道的通證分布從集中重新變得均勻。例如，B在和D組成的通道里有200個通證，而在和E組成的通道里有0個通證，對于右圖可以通過環狀結構進行重新調配，使得B和D、B和E組成的兩個通道里各有100個通證。

3.3節點離線問題

前文提到狀態通道是在鏈下交互、鏈上清算，任何一方都可以關閉狀態通道實現最終的清算和交割。當雙方同時在線且達成一致，可實現即時終結性。但是當一方處于離線狀態，或者另一方發起攻擊使其離線，并提交對自己有利的非最終狀態給鏈上，離線方一旦錯過仲裁期，最終的清算結果將會對離線方造成資產損失，損害狀態通道的公平性、安全性。

這種情況下人們想到通過把監測任務外包給第三方加以解決,例如閃電網絡的監督者、Pisa的看管者、CelerNetwork的狀態保衛網絡。

Monitors通過舉證獲得獎勵，Custodians通過質押安全保證金獲得監管機會，StateGuardianNetwork是由狀態守護者組成的一個類似于Plasma的側鏈，CELR通證持有者通過抵押通證成為鏈下狀態守護者，抵押通證越多則被委派以守護鏈下狀態任務的概率越大，從而獲得更多收益的概率也越大。

隨著鏈下擴容的發展和大規模商用，通過設計合理的第三方經濟激勵機制，將為layer-2的服務提供商帶來機遇。

3.4保證金鎖定問題

3.1章節提到的路由方案，無論是哈希鎖定合約，還是虛擬通道、元通道，都需要中間節點“墊付”資金，或鎖定保證金。網絡規模越大、平均的轉賬金額越大，整個網絡鎖定的保證金也越多，由此產生的機會成本也越高昂。

LiquidityNetwork和CelerNetwork都提出了類似于銀行的機制來共享流動性，試圖通過智能合約從通證持有者處租借通證或支付中心相互“拆借”和共享的方式，減少保證金的鎖定。

下圖為CelerNetwork的經濟模型，主要由流動性資金支持拍賣機制、流動性資金擔保挖礦機制和鏈下狀態守護者網絡三部分構成。其中PoLCMining機制是Celer網絡流動性資金的關鍵源頭，簡單來說就是通過質押擔保合約從流動性資金提供商那里收集閑散資金，類似于銀行從儲戶那里獲得資金，再通過LiBA機制為狀態通道服務供應商提供流動性資金，類似于銀行放貸。

LiquidityNetwork基于NOCUST的多方支付中心，通過匯聚和共享抵押資金的方式來減少資金鎖定。而閃電網絡需要對所有的交易進行100%的抵押，且抵押金相互隔離，流動性較差。

4狀態通道和其他擴容方案的對比

4.1與鏈上擴容方案的對比

相比于鏈上擴容方案，狀態通道巧妙地將鏈上和鏈下的職能分開，采用該方案無需改變公鏈結構，結合了鏈上的安全性和非中心化特性以及，鏈下的擴展性，但從整體生態來說，由于鏈上鏈下通信過程中可能存在的問題，狀態通道依然是安全性、非中心化和擴展性的一種新平衡。

4.2與其他鏈下方案的對比

相比于其他鏈下擴容方案，狀態通道的隱私性較好，可做到即時性，尤其適合于固定雙方的高頻互動，其劣勢在于需要中間節點“墊付”資金、要求節點實時在線或需引入第三方來監督。

側鏈的擴容原理是在主鏈上擴展側鏈處理事務，側鏈產生糾紛后可以在“挑戰期”向主鏈申請仲裁，類似于中級人民法院和最高人民法院的關系，兼顧了效率和公正。側鏈方案和狀態通道相比，由于強制留有“挑戰期”而不具有即時終結性。

鏈下計算的方案是將復雜的計算放在鏈下進行，將計算結果提交到鏈上進行確認。鏈下計算也是通過引入競爭和激勵的方式來確保鏈下的計算結果是可靠的，例如Truebit的核實游戲。鏈下計算比較適合需要做復雜計算的場景，例如BTC的簡單支付驗證可以讓以太坊的智能合約來檢查某筆交易是否已經發生，但SPV本身的計算量很大，放在鏈上進行昂貴且擁堵。

附注：

因一些原因，本文中的一些名詞標注并不是十分精準，主要如：通證、數字通證、數字currency、貨幣、token、Crowdsale等，讀者如有疑問，可來電來函共同探討。

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