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_區塊鏈

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

微眾銀行行長李南青：區塊鏈等金融科技技術，極大地推動了金融業的變革:由新浪財經主辦的“2020中國銀行業發展論壇”今日正式啟幕，微眾銀行行長李南青出席活動并致辭。李南青表示，在這個時代，人工智能、區塊鏈、云計算、大數據等金融科技技術，極大地推動了金融業的變革，推動了金融服務迅速走向數據化、精準化、可信化、敏捷化和智能化。在此背景下，通過科技引領和創新驅動實現銀行數字化轉型已成了銀行業的共識。（新浪財經）[2020/9/23]

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。

蘇州市姑蘇區人民檢察院上線基于區塊鏈的“法眼識動物”微信平臺:近日，一款運用區塊鏈技術的“法眼識動物”微信平臺在江蘇蘇州誕生，該平臺將打擊和保護野生動物雙效合一，運用區塊鏈技術，具有“去中心化、公平公開、鏈上存證”的特點，為解決辦理野生動物案件線索零星、取證難、存在滯后性等難點提供了方案。據介紹，平臺由蘇州市姑蘇區人民檢察院發起，將市場監督管理局、司法局、餐飲協會等主管部門和社會組織多方整合，實現線索共享。[2020/3/3]

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。

A股收盤：區塊鏈50指數收跌6.38%:A股收盤，三大股指全面下跌，上證指數報2880.30點，收跌3.71%，A股區塊鏈50指數報3405.98點，收跌6.38%；區塊鏈板塊收跌7.10%；數字貨幣板塊收跌7.85%。區塊鏈板塊199只概念股中，4只上漲，1只平盤，194只下跌，其中文化長城、亞聯發展等12只股票跌停。數字貨幣板塊32只概念股中，32只下跌，其中高偉達等7只股票跌停。[2020/2/28]

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。

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：

聲音 | 證券時報：為解決問題而設計的區塊鏈項目才擁有生存發展的可能:證券時報網今日刊文認為，長期來看，為解決問題而設計的區塊鏈項目才擁有生存發展的可能，區塊鏈項目需要在效率或公平方面提供解決方案。因此，區塊鏈項目要脫穎而出，要具備幾個特征：1.需要能解決行業的痛點、能契合用戶的需求和呼聲；2.要易于落地；3.項目本身符合商業發展邏輯；4.區塊鏈應用是解決問題的各種方案中，最簡單、成本最低的一個。[2019/6/18]

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。

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。

周鴻祎：提出漏洞不是為了打擊，區塊鏈行業大家在一條船上:在今日“王峰十問”第十七期對話中，360集團創始人兼CEO周鴻祎表示，360沒有立場，是中立，他稱，“我們提出任何一個系統的漏洞，都是為了幫助這個系統改善安全性，保證它的安全，不是為了打擊它。 ”周鴻祎還表示，區塊鏈這個行業里，大家其實是在一條船上，作為新生事物，某一家不安全會讓大家對整個行業產生質疑、失去信心，對行業是不利的。[2018/5/30]

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。

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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