BatPay：ERC20代幣小額支付的高燃氣效率協議

1. 簡介

BatPay（批次支付）是專為以太坊區塊鏈上ERC20代幣轉帳設計的代理擴容解決方案。該協議透過將多個操作打包成單一交易，解決了小額支付場景中高燃氣成本的關鍵挑戰。此方法特別適用於一對多和少對多的支付場景，常見於如Wibson數據市場等數位市場。

該協議透過三個主要批次處理時機運作：

買方在單筆交易中向多個賣方註冊多筆支付
賣方將多筆支付款項收集至其錢包
在BatPay平台上進行批量用戶註冊

2. 相關工作

2.1 支付池

支付池利用Merkle樹在葉節點儲存支付資訊，收款人透過離鏈接收Merkle分支進行提款。雖然對單次分配有效，但重複支付需要更新樹結構，並面臨數據可用性和欺詐性更新的挑戰。

2.2 BatLog

BatLog提供高效的獎勵分配機制，將總獎勵儲存在合約中，用戶提取累積金額。然而，它僅限於定期獎勵分配，無法解決通用的一對多支付問題。

2.3 支付通道

如Raiden、Perun和Celer等解決方案使用帶有鎖定保證金的離鏈通道。雖然對重複使用通道效率高，但需要參與者在挑戰期間保持在線，且主要適用於一對少支付。

2.4 Plasma鏈

Plasma鏈作為根鏈與子鏈之間的中介，使用戶在欺詐操作期間能夠退出。然而，它們面臨大規模退出的脆弱性，並依賴鏈運營商的可用性。

2.5 zk-SNARKs批次支付

此方法使用Merkle樹進行地址和餘額註冊，並結合零知識證明。雖然提供強大的隱私保證，但涉及顯著的計算開銷和複雜度。

3. BatPay協議設計

3.1 核心架構

BatPay採用精密的批次處理機制，將多個支付操作匯總到單一區塊鏈交易中。該架構包含三個主要組件：支付註冊、挑戰解決和提款機制。

3.2 批次操作

該協議識別三個關鍵的批次處理機會：支付註冊、資金收集和用戶入駐。每個批次操作透過將固定成本分攤到多個操作中，顯著降低了每筆交易的燃氣成本。

3.3 挑戰遊戲機制

BatPay以高效的挑戰遊戲取代昂貴的鏈上驗證。此機制將大部分計算負擔推至離鏈，同時透過經濟激勵和密碼學證明維持安全保證。

4. 技術實現

4.1 數學基礎

燃氣優化遵循公式：$G_{total} = G_{base} + n \times G_{marginal}$，其中$G_{base}$代表固定交易成本，$G_{marginal}$是每筆支付的增量成本。BatPay透過批次處理最小化$G_{marginal}$來實現效率。

4.2 智能合約程式碼

function batchTransfer(
    address[] memory recipients,
    uint256[] memory amounts,
    bytes32 merkleRoot
) public payable {
    require(recipients.length == amounts.length, "Arrays length mismatch");
    
    for (uint i = 0; i < recipients.length; i++) {
        _pendingBalances[recipients[i]] += amounts[i];
    }
    
    emit BatchTransfer(merkleRoot, recipients.length, msg.sender);
}

4.3 燃氣優化公式

燃氣節省計算為：$S = \frac{G_{standard} \times n}{G_{batch} + n \times G_{perPayment}}$，其中$n$是批次大小，展示了超線性擴展效益。

5. 實驗結果

5.1 效能指標

BatPay實現了每筆支付300-1000燃氣的卓越效能，相較標準ERC20轉帳提升了1000倍。該系統在以太坊主網上維持約1700筆每秒的交易處理量。

5.2 燃氣成本分析

比較分析顯示傳統ERC20轉帳消耗約50,000燃氣，而BatPay根據批次大小和操作參數將此降低至300-1000燃氣。

5.3 吞吐量比較

與支付通道和其他第二層解決方案相比，BatPay在一對多支付場景中展現了更優越的吞吐量，同時維持更強的數據可用性保證。

6. 主要特性

元交易：為終端用戶實現無需以太幣的操作
密鑰鎖定支付：支援數位商品的原子交換
即時提款：無需等待期即可存取資金
批量註冊：成本效益高的用戶入駐
無數據可用性問題：所有必要資訊皆在鏈上

7. 原創分析

BatPay代表了區塊鏈小額支付解決方案的重要進展，解決了限制以太坊在小額交易應用中的基本可擴展性挑戰。該協議結合交易批次處理與挑戰遊戲的創新方法，在鏈上驗證和離鏈計算之間創造了平衡的權衡。此設計理念與以太坊基金會和史丹佛區塊鏈研究等機構的既定擴展研究相一致。

相較於Raiden網絡白皮書中記載的傳統支付通道，BatPay在一對多支付場景中提供了更優越的可擴展性，且無需參與者持續在線。該協議每筆支付300-1000燃氣的效率，相較標準ERC20轉帳提升了三個數量級，使其在與新興第二層解決方案競爭的同時，維持了更強的安全保證。

挑戰遊戲機制展示了精密的密碼經濟設計，讓人聯想到樂觀匯總方法，但特別針對支付應用進行了優化。此方法減輕了主鏈的計算負擔，同時透過經濟激勵確保協議完整性。數學基礎$G_{total} = G_{base} + n \times G_{marginal}$提供了清晰的擴展效益，隨著批次大小增加而呈超線性增長。

BatPay對元交易的支持解決了以太坊應用中的關鍵可用性障礙，使用戶無需持有原生ETH支付燃氣費即可與協議互動。此特性結合用於原子交換的密鑰鎖定支付，使BatPay成為需要高效小額支付能力的數位市場和去中心化應用的全面解決方案。

該協議1700 TPS的效能指標顯著超過以太坊基礎層容量，並在維持所有交易永久可審計性的同時，與其他擴展解決方案相比表現優異。此設計選擇避免了困擾某些第二層解決方案的數據可用性問題。

8. 未來應用與發展方向

BatPay的架構實現了眾多未來應用，包括：

DeFi微收益分配：向數千名流動性提供者高效分配小額收益支付
內容變現：串流服務和數位內容的小額支付
物聯網設備支付：物聯網網絡中的機器對機器交易
遊戲經濟：遊戲內微交易和獎勵分配
跨鏈整合：擴展至多鏈環境和第二層網絡

未來發展方向包括整合零知識證明以增強隱私、跨鏈相容性，以及透過錢包整合和開發者工具改善用戶體驗。

9. 參考文獻

Wibson數據市場白皮書（2018）
以太坊基金會。「以太坊白皮書」（2014）
支付池研究 - 以太坊研究
Merkle樹在區塊鏈中的應用 - IEEE研討會
BatLog：高效獎勵分配 - 區塊鏈會議論文集
Raiden網絡：快速可擴展支付 - 白皮書
Plasma：可擴展自主智能合約 - Buterin & Poon
zk-SNARKs用於區塊鏈擴展 - Zcash協議規範
燃氣優化技術 - 以太坊黃皮書
小額支付通道網絡 - ACM計算調查