以太坊 Layer2 擴容方案之 State Channel

撰文：張樂輝

一 什麼是通道，為什麼需要通道?

1.1 為什麼需要通道?

區塊鏈隨著用戶量和交易量的增加，導致交易擁堵，交易速度慢，費用較高。因此，需要增加區塊鏈的擴展性，那麼通道就是擴展方案之一。

1.2 什麼是通道?

• 第一: 通道是一種解決區塊鏈擴容問題的方案，是一個點對點 (p2p) 網絡或者協議，它允許通道雙方可以進行多筆交易，將最後處理和計算的結果提交鏈上, 在鏈上進行簽名驗證和結算。通道區分為支付通道和狀態通道，狀態通道是在支付通道基礎上衍生而來的

• 第二: 通道通過鏈下交易，來減少與主鏈的直接交互，減輕主鏈的負擔，也可以減少用戶的成本

• 第三: 每一條通道，由主鏈上的多籤智能合約管理，要打開一個通道，雙方需要在鏈上部署合約，然後存入一定數量的資產

• 第四: 當通道建立時，雙方創建一個初始狀態，記錄雙方的初始餘額 ( 例如，Alice 5 ETH，Bob 5 ETH)。雙方對初始狀態進行簽名並各自保存一份簽名狀態。初始狀態可能存儲在雙方的本地數據庫或安全存儲中

• 第五: 當關閉通道的時候，需要雙方確認最終狀態，生成最終狀態簽名。然後提交最終狀態到區塊鏈，區塊鏈進行簽名驗證和結算，正式關閉通道。

二 狀態通道工作原理和流程

2.1 創建和部署多籤合約，建立通道

2.1.1 部署多籤合約

L1 主鏈需要部署多籤合約來管理通道，該合約需要交易雙方存入一定資金，並且鎖定，直到通道關閉，結算完成，釋放資金

2.1.2 存入資金

合約部署之後或者已經部署了，那麼交易雙方需要各存入一定數量的資金，然後資金會鎖定在當前多籤合約

2.2 鏈下交易

2.2.1 生成初始狀態

當通道建立時，雙方創建一個初始狀態，記錄雙方的初始餘額 ( 例如，Alice 5 ETH，Bob 5 ETH)。雙方對初始狀態進行簽名並各自保存一份簽名狀態。初始狀態可能存儲在雙方的本地數據庫或安全存儲中。

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2.2.2 進行交易

Alice 向 Bob 支付 1 ETH。交易後，新的餘額狀態為：Alice 4 ETH，Bob 6 ETH。雙方對新的餘額狀態簽名確認。

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2.2.3 多次交易

雙方可以繼續進行多次交易，每次交易後更新餘額狀態並簽名確認。例如，Bob 向 Alice 支付 2 ETH 後，新的餘額狀態為：Alice 6 ETH，Bob 4 ETH。這些交易數據保存在 Alice 和 Bob 的本地，不立即提交到區塊鏈

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2.3 關閉通道

2.3.1 準備關閉通道

2.3.1.1 確認最終狀態

Alice 和 Bob 需要確認當前最新的交易狀態，並確保雙方都同意這個狀態。這個狀態記錄了最新的餘額分配情況 ( 例如，Alice 6 ETH，Bob 4 ETH)。

2.3.1.2 生成最終狀態簽名

雙方對最終狀態進行簽名，生成包含最終餘額和雙方簽名的信息

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2.3.2 提交最終狀態到區塊鏈

Alice 和 Bob 中的任何一方都可以將最終狀態提交到區塊鏈。提交的內容包括最終狀態的餘額分配和雙方的簽名。

2.3.3 驗證和結算

2.3.3.1 驗證簽名

在區塊鏈上驗證提交的簽名，確保提交的最終狀態是雙方認可的。驗證邏輯通常包括檢查簽名的有效性以及簽名是否匹配最終狀態。

2.3.3.2 餘額結算

驗證通過後，智能合約按照最終狀態的餘額分配，將資金從多簽名地址釋放給雙方。資金按最終狀態的餘額分配給 Alice 和 Bob，例如：Alice 6 ETH，Bob 4 ETH。

2.3.3.3 標記通道關閉

智能合約將通道狀態標記為已關閉，防止再次提交狀態。

三 為什麼通道要設計成多籤合約?

通道合約設計成多籤合約主要是為了確保雙方的資金安全，並且需要雙方共同同意才能進行資金轉移。這種設計提供了一層額外的安全保障，防止任何一方在沒有得到對方同意的情況下獨自操作資金。以下是為什麼通道合約設計成多籤合約的幾個關鍵原因：

3.1 確保資金安全

在多籤合約中，資金的轉移需要得到多個簽名的授權（通常是雙方的簽名）。這確保了單方面無法擅自轉移資金，增強了資金的安全性。

3.2 防止欺詐

多籤合約可以有效防止任何一方試圖進行欺詐操作。因為任何資金的移動都需要雙方簽名確認，這確保了所有交易都是雙方同意的。

3.3 實現鏈下交易的簽名確認機制

多籤合約允許在鏈下進行多次交易，每次交易後通過簽名確認更新狀態。最終狀態在雙方同意後提交到鏈上結算。這種機制需要雙方的簽名確認，確保每一步操作都是透明和被認可的。

3.4 確保通道關閉的正確性

在關閉通道時，多籤合約確保最終狀態的提交和結算需要雙方的同意。這避免了任何一方單方面關閉通道並獲取不公平的餘額分配。

四 狀態通道優缺點比較

4.1 優點

第一: 交易成本低，提升了交易效率第二: 數據不上鍊，具有較強的隱私性第三: 存在挑戰期，具有較強的安全性

4.2 缺點

第一: 存在挑戰期，提現速度慢第二: 鏈下不支持智能合約第三: 要求交易雙方必須同時在線參與方需要保持連接，在線的話能夠及時接收和處理交易狀態更新以及參與爭議解決；如果一方試圖惡意關閉通道或提交錯誤的狀態，在線的另一方可以及時介入，通過鏈上的爭議解決機制第四: 參與主體有限一個通道一般就 2 個參與方，不能太多人參與第五: 不適用於大規模網絡，擴展性較差。