“扩容三难困境”破局新法:“十倍协议”已落地区块链游戏

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2018
09/17
13:13
小葱区块链
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“扩容三难困境”破局新法:“十倍协议”已落地区块链游戏

扩容难题是现阶段绝大多数区块链企业的核心关注点。一个普遍共识是,只有在安全性前提下,妥善解决了交易速度和规模问题,区块链才能在商业应用中大展身手。

近期以太坊创始人Vitalik频繁出席各类行业会议介绍以太坊扩容方案Sharding和Casper,并多次在公开场合表示解决扩容问题是当前的核心工作。比特大陆吴忌寒也在2018年第4届全球区块链峰会上强调,“性能扩展问题”是区块链技术未来10年的重要发展主线。

小葱特此梳理出目前市场上就区块链扩容问题所提出的种种解决方案(包括Plasma、State Channel、Lightening Network、Truebit等),对比分析各类方案的优劣情况、适用范围及发展状况,同时就今年8月底新兴的扩容方案“十倍协议(Tenfold Protocol)”的实用性与适用性进行探讨。

区块链扩容难题由来已久

区块链的扩容挑战通常指的是系统处理高业务量的能力。一般而言,扩容方案需要解决的问题包括:提升区块链系统的性能处理能力,降低使用区块链系统的交易/燃料费用,最终推动区块链技术落地大规模商用。

以太坊创始人Vitalik 最先提出“扩容三难困境(Scalability Trilemma)”,认为区块链系统一般只能实现去中心化、安全性和扩容中的两个属性。若想达到显著扩容,必然会在其他领域(安全性、去中心化、计算能力等)上有所舍弃。

比特币和以太坊为代表的第一代公链重点关注的便是“安全性”和“去中心化”,而将速度和扩容体验放在了第二位。随着网络的发展壮大,交易速度缓慢、吞吐率低,交易费用高昂等缺陷日渐凸显。

当然,正因为扩容难题的长期存在,留给区块链创业公司较多发展空间,许多新兴区块链项目往往把性能提升作为差异化竞争点。他们或通过创建新的高性能公链,或通过开发一些软件协议,试图能让区块链像中心化互联网那样快速工作。

既有扩容方案的分类集锦

目前市场上的区块链扩容实施方案可大致分为两类:1)链上扩容,即第一层(Layer1)扩容;2)链下扩容,即第二层(Layer2)扩容。

Layer1扩容:增加底层区块链本身的容量

Layer1扩容是针对底层区块链本身进行“改造”,使其能支持更多更快的链上交易。主要包括常见的扩块、改进共识算法以及以太坊分片(Sharding)几种方案。

扩块

例如Bitcoin Gold的做法,将比特币每个区块2M的大小扩展到8M。但它牺牲了一定的去中心化,由于每个节点的工作量增加,性能要求更强,那些算力小的计算机可能会退出网络,它可能带来矿机生产和运营的专业化和集中化;此外,于公链全网共识而言,区块可扩展的容量有限。

改进共识算法

即通过改进第一代区块链的共识算法创建替代性的、高性能公链,如EOS、DIFINITY、Cosmos等后起项目。从POW发展到POS、甚至DPOS,但它们多是牺牲了一些“去中心化”特性来换取的性能提升,依旧没能走出“三难困境”。

以太坊分片

分片是以太坊正在研究的、一种旨在提升协议基础层容量的扩容技术。该方案将区块链系统分成不同部分,各部分独立处理交易,通过多个网络计算机来分配交易负载,允许更多交易在同一时间得到确认,据V神自己说,吞吐量的扩展是没有上限的。

不过分片技术是一项颇为浩大的工程,目前而言实施该方案还存在诸多难点。比如首先需要有完善的机制合理安排哪个节点运行哪个片区,且不同片区的节点也要有合适的共识机制;其次,以太坊分片依赖于Casper PoS共识算法的实施,此前以太坊相关人员曾透露,以太坊分片扩容方案预计将在Casper实施后,分两个阶段分别在2020年和2021年完成部署。

Layer2扩容:把部分链上交易置于链下处理,释放底层区块链的容量

Layer2的扩容技术其实都是一种链下技术,通过把区块链系统内很大一部分交易事务从链上转移到链下执行以提升性能。称作第二层解决方案,是因为它们构建在既有第一层区块链(如比特币和以太坊)之上,无需更改基层协议,既能维持主链的公平性与稳定性,又可增加链下的高效和灵活性。代表性的方案有:比特币的闪电网络(Lightning network)、以太坊的Plasma、状态通道(State Channel)以及Truebit,各有特色和利弊。

闪电网络

闪电网络是由Joseph Poon和Thaddeus Dryja在2015年针对比特币主链转账速度慢、成本高等问题提出的链下交易网络,运用了一种支付通道(payment channels)技术。通过在比特币上新创建一层,将小额交易放在比特币区块链之外处理,实现链上的快速和廉价交易与净结算。闪电网络由用户生成的通道组成,这些通道中,用户能以安全和去信任的方式来回发送支付。

但闪电网络主要是一个资产转移技术,无法进行编程。此外,目前大多数闪电网络用户仍然是技术开发者,其使用多带有实验性质,并且闪电网络上关于路由、隐私等风险问题都有待解决。

状态通道

2015年Ledger 实验室的创始人Jeff Coleman首次详细描述了状态通道技术。概括而言,状态通道是为希望进行交易通信的两个用户之间打开的双向通道。通道中每个参与者都需要用私钥签署这些交易以确保交易真实性。这些通道是链下的和私有的,只有参与者知道,参与者之间可以进行即时和匿名交易。

由于状态通道是执行链下计算的一种安全方法,并且可以实现状态更新。目前已有Funfair和Celer Network等企业在使用该技术实施扩容。当然它也存在几个众所周知的局限:

通信参与者需要能事先确定:对于新用户加入或现有用户离开,要通过链上交易实现,需更改链上合约。

通信复杂程度高,通信开销花费高:因为状态通道里每笔交易(通信)都要被通道内所有参与者签名。所以状态通道往往只适用于用户较少的应用,大型社交网络或游戏平台难以处理。

开发限制较多:首先状态通道需在诸如Solidity这样的智能合约语言中部署实施,因为涉及的争议必须在链上解决;其次,状态通道本身是全局响应的,在状态通道上编写一个程序往往需要完成支持链上运行和链下运行的两部分编写工作,从而实现链上链下的互联互通。

Plasma

Plasma是2017年8月Vitalik Buterin 和 Joseph Poon提出的一种扩容技术,它同样是一种链下交易的技术,同时依托以太坊公链来保证安全与信任。Plasma 从一个新的方向实现了状态通道,它允许在以太坊主链上嵌套“子链”,这些子链也可以产生他们自己的子链,等等,如此便能优化跨多层区块链的交易负荷,可以在子链级别执行很多复杂操作,只需要与以太坊主链进行尽可能少的交互。

正在研发中的Plasma具有较多的预期效用:加速交易;节点数量较少,费用越低,操作越顺畅;节省大量的处理能力和内存;兼容各种链上量化解决方案(如分片)等;通过高数据存储容量提高区块链应用的分类帐可扩展性。

不过就目前看来,Plasma仅支持数字资产的安全转移,无法用于执行一般的状态升级更新,它不支持编程(类似比特币和以太坊的差异,比特币只适用于做资产转移,而以太坊上能编程写智能合约),开发者可以利用Plasma实现快速的链下资产转移,并节省燃料费,但无法在Plasma上写一些功能逻辑,也因此,其目前多局限在去中心化交易所等应用上。

Truebit

Truebit 是一种帮助以太坊进行繁重、复杂计算的计算市场。与状态通道和Plasma不同,Truebit设计初衷是解决以太坊智能合约的gas限制,提高网络可以实现的计算量上限,而不仅仅是加快交易速度,重点针对如视频广播、机器学习等繁重的计算工作。

该方案的实现原理是,用户上传所需执行的代码,由某个服务外包商执行并赚取佣金,其它人监督代码执行的正确性,以太坊通过智能合约进行终极仲裁并奖善罚恶。链上节点无需完整验证,从而大大减轻了链上计算负担,也降低了用户gas消耗。

不过由于市场本身在链上,发布任务和接收结果都会存在很大延迟,这也导致Truebit的应用有一定局限性,不太适合类似区块链游戏这样的交互式应用。且Truebit目前还在开发过程中,离投放市场还有一定周期。

“十倍协议”:一个关于“可扩展性三难困境”的新考量

“十倍协议(Tenfold Protocol)”是区块链初创企业Binary Mint于今年8月底发布的一项新型扩容方案,它用于安全地维持一个链下状态机,同时能在链上读取其状态。Tenfold允许开发者使用任何编程语言构建大型复杂的区块链应用,兼容任何支持智能合约的区块链(包括以太坊及新一代主打性能的公链)。目前,Tenfold已部署至“云斗龙(Hyper Dragons)”这一区块链战斗类游戏上,据小葱了解,部署了Tenfold的新版云斗龙将在性能上和游戏体验上获得极大提升,同时燃料费用会大幅缩减。

小葱特此约访了Tenfold协议的开发团队,创始人Derek Chiang(姜恩池)指出,Tenfold是一种专为“消费者级别的区块链应用”打造的Layer2扩容方案。此处“消费者级别”的应用指的是需要很多用户同时使用的区块链应用,如游戏、社交网络平台、即时通信平台等等。

设计Tenfold之前,Derek及其团队分析了所有消费者级别的区块链应用,认为这些应用中涉及的“区块链交易”可以划归为两类:无限价值交易(Unbounded Transactions)和有限价值交易(bounded Transactions)。意思是,他们认为区块链应用中每个交易/事物所涉的经济价值(economic value)有所差异,比如,去中心化交易所中每笔“交易”的经济价值可无限大(在于用户自己需要/愿意交易多少金额);而战斗类游戏中,每砍一刀、升级一次、拿到新装备等类似“交易”都只有有限的甚至没有经济价值。

显然,这两类交易对安全性、去中心化程度,以及交易速度的需求也有所分化:“无限价值交易”需最大程度地提升安全性,而“有限价值交易”则往往更注重性能提升,也对燃料费用较为敏感。

Tenfold首先瞄准的正是“有限价值交易”应用程序的扩容需求,目前主要活跃于区块链游戏行业,不过据Derek表示,“未来所有需要‘状态转换(state update)’的、面对消费者的区块链应用都会使用到Tenfold技术”。通过将这些“有限价值交易”安全转移至链下执行,Tenfold能实现交易性能的大幅提升以及燃料费用的大幅缩减,并且这些链下处理的交易可以被主链访问,能实现较高的互操作性。

据小葱了解,区块链战斗类游戏“云斗龙”已在其竞技场模块率先部署了Tenfold,据云斗龙官方公告显示,新版“火箭竞技场”已于9月14日完成更新升级。

“扩容三难困境”破局新法:“十倍协议”已落地区块链游戏

“扩容三难困境”破局新法:“十倍协议”已落地区块链游戏

云斗龙竞技场的战斗类操作皆在链上运行,燃料费用很高,且每个区块都有gas限制,导致战斗能处理的玩家数量非常有限。此前,竞技场每场战斗仅能容纳32条龙,每天支持3场战斗。据小葱了解,部署Tenfold第二层扩容方案后,新版云斗龙将得到以下提升:

每局战斗能同时容纳多达2,048条龙;

理论上每天可执行无限场次的战斗,但具体要看用户活跃度及游戏产品设计;

游戏消耗的燃料成本降低了95%以上。

此外,由于新版云斗龙将即时战斗过程从链上迁移到了链下执行(链上能看到执行状态),可便于开发者频繁更新和升级。

Tenfold与其他扩容方案的差异化分析

Tenfold与Layer1方案:相辅相成

作为Layer2 的解决方案,Tenfold与Layer1扩容方案是相辅相成的关系,各自从不同角度推动区块链的性能提升。

Layer1的扩容方案往往存在研发周期较长,更新迭代较慢也难以达成升级迭代共识等局限,且往往仅适用于其独立的公链生态,缺少通用性。这也是为什么许多人倾向于在Layer2上构建扩容方案。Layer1作为底层区块链设施,需要维持相对的稳定性,不方便频繁的更新迭代,而在Layer2上则可以做更多灵活性操作与设计(在不影响Layer1的基础上完成快速迭代),也更容易落地和投放市场。当然,这两层的解决方案并非互斥,而是相辅相成的关系。

Derek告诉小葱,若以太坊分片技术得以实施,且以太坊上的区块链应用同时部署了Tenfold,两种方案在性能上的提升效果是可以相乘的。

Tenfold与Layer2方案:“‘有限价值交易’的消费级区块链应用”上适用性更高

Tenfold与Truebit、闪电网络、状态通道、Plasma一样都是基于以太坊区块链的Layer2解决方案,Truebit的重点在于提高以太坊网络的计算能力;闪电网络和Plasma更多的是一种资产转移技术,需进行价值转移的应用多会采用这两项扩容方案,但它们都难以编写更多的操作逻辑,实现状态转换;

需要实现一定编程逻辑的应用会考虑使用状态通道技术,状态通道比较适用于那些有高安全性需求、同时又能事先确定每组参与者的应用。但状态通道由于存在通信复杂程度高、开销花费高、开发限制较多等局限性,也影响了其推广与普及。

相比之下,新兴的Tenfold协议更适合那些需要大规模和极快速交易的消费者级别的应用(如游戏、社交媒体、即时通信平台)。与状态通道相比,Tenfold能极大降低通信复杂度及通信开销,同时它类似一个API,允许开发者使用任何传统的编程语言(技术)实现核心程序逻辑,后续的更新和升级也更便捷。但Tenfold并不适合类似去中心化的交易所这类涉及更多金融、支付交易的应用,该类场景(也即“无限价值交易”应用)更适用Plasma。

不过Tenfold能完全兼容Plasma,小葱获悉,Tenfold团队的终极目标正是要构建一个既支持Plasma又支持Tenfold的一元化平台,打造一种能同时适用于“有限价值交易”和“无限价值交易”的区块链应用扩容方案。

或许,比起很多目前尚在开发中的扩容方案,Tenfold一个比较明显的优势在于,它已完成开发,作为一项成熟的扩容方案被部署至区块链游戏应用之中。据小葱了解,Mixmarvel(一个基于区块链的多人联网游戏社区)游戏社区在为云斗龙竞技场部署Tenfold扩容方案后,将继续改造整个云斗龙游戏,乃至Mixmarvel生态的所有游戏。Tenfold究竟能否率先实现区块链游戏性能的新突破,市场也将很快有所反馈。

小结

区块链技术的潜力是无限的,尽管目前区块链扩容挑战仍在,尽管区块链应用在性能上距离中心化应用仍有很大距离,但新的理论和技术方案正不断浮出水面,全球区块链技术开发者们正从不同角度发力,推动实现区块链系统内交易速度与吞吐量的提升、交易成本的降低以及开发体验的改善。

目前而言,无论是Layer1的分片扩容技术、“新一代”高性能公链的尝试,还是Layer2 的种种或适用“有限价值交易”,或适用“无限价值交易”的扩容技术,它们都有所局限性,都只能解决特定用例中的技术扩展性问题。区块链技术发展的过渡期,各类应用需要根据自身对安全性、交易性能与计算能力的不同需求选用契合的技术方案;与此同时,随着各项扩容技术的相互融合与借鉴,相信市场很快会迎来具有更强通用性和扩容性,同时兼具安全性与开发便捷性的解决方案。

来源: 小葱区块链

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