為什么區(qū)塊鏈并不是天然Layer 1

從分層的角度來(lái)看，現(xiàn)有的區(qū)塊鏈在設(shè)計(jì)時(shí)考慮的是特定的功能（例如支付，或者是運(yùn)行 DApp），并希望在運(yùn)行一段時(shí)間后，讓上層協(xié)議來(lái)適應(yīng)自己。然而區(qū)塊鏈并不天然是 Layer 1，Layer 1 是需要設(shè)計(jì)的。在分層的大框架下，上層協(xié)議和分層網(wǎng)絡(luò)分別有著怎樣的需求？Layer 1 和 Layer 2 應(yīng)該分別對(duì)應(yīng)著怎樣的角色，承擔(dān)怎樣的職能？Layer 1 應(yīng)該做什么？Nervos 架構(gòu)師 Jan 給出了他的答案。

Nervos Approach

Nervos Network 的技術(shù)目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)分層的加密經(jīng)濟(jì)網(wǎng)絡(luò)。這樣一個(gè)出發(fā)點(diǎn)帶來(lái)的是一個(gè)與眾不同的設(shè)計(jì)思路，我們自己把它稱為「Nervos Approach」：

如果我們認(rèn)為分層是未來(lái)的發(fā)展方向，我們應(yīng)該從一開(kāi)始就考慮到上層協(xié)議和分層網(wǎng)絡(luò)的需求，在分層的大框架下設(shè)計(jì)區(qū)塊鏈協(xié)議。

換句話說(shuō)，從分層的角度來(lái)看，現(xiàn)有的區(qū)塊鏈設(shè)計(jì)方式都是過(guò)時(shí)的?，F(xiàn)有的區(qū)塊鏈在設(shè)計(jì)時(shí)考慮的是特定的功能（例如支付，或者是運(yùn)行 DApp），并希望在運(yùn)行一段時(shí)間后，讓上層協(xié)議來(lái)適應(yīng)自己。然而如果我們閱讀互聯(lián)網(wǎng)的歷史就知道，今天互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)議分層不是這樣打補(bǔ)丁打出來(lái)的，相反是在吸收過(guò)去經(jīng)驗(yàn)之后基于分層的思路重新設(shè)計(jì)出來(lái)的（是的，互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議也是分層的，我們說(shuō)的 TCP/IP 實(shí)際上是兩個(gè)協(xié)議的名字）。Nervos Approach 是向互聯(lián)網(wǎng)學(xué)習(xí)的產(chǎn)物。

這是為什么區(qū)塊鏈并不天然是 Layer 1，Layer 1 是需要設(shè)計(jì)的。這也是為什么我們選擇設(shè)計(jì) CKB 這樣一個(gè)新的區(qū)塊鏈協(xié)議的原因。

Layer 1 vs. Layer 2

要弄清 Layer 1 應(yīng)該做什么，首先要弄清楚它和上層協(xié)議的區(qū)別。Layer 2 起源于我們發(fā)現(xiàn)公有鏈（這里指 Permissionless Blockchain）的性能不足，很難擴(kuò)容到滿足整個(gè)加密經(jīng)濟(jì)體需求的水平，同時(shí)我們又非常迷戀公有鏈提供的可用性和極大的服務(wù)范圍，因此慢慢演化出了一系列可以由區(qū)塊鏈來(lái)保證安全的 Layer 2 協(xié)議，例如支付通道（Payment Channel），Plasma，etc.

這些協(xié)議的共同特點(diǎn)是犧牲共識(shí)范圍來(lái)?yè)Q取性能。公有鏈最讓人驚艷的地方是通過(guò)開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)，提供不間斷的覆蓋全球的服務(wù)，這意味著全球共識(shí)，也意味著性能低下。解決這個(gè)問(wèn)題的最好方式是將大部分交易轉(zhuǎn)移到共識(shí)范圍更小，但是性能更好的上層協(xié)議中，并且保證上層協(xié)議的參與者總是可以在不滿意的時(shí)候退回到區(qū)塊鏈上來(lái)解決問(wèn)題，代價(jià)僅僅是一些時(shí)間成本。

因此作為 Layer 1 的區(qū)塊鏈，關(guān)注點(diǎn)顯然不應(yīng)該是性能，因?yàn)?Layer 2 會(huì)承擔(dān)這個(gè)職責(zé)。Layer 1 是保障上層協(xié)議參與者的最后防線，它的關(guān)注點(diǎn)應(yīng)該是安全和去中心化（安全和去中心化是兩個(gè)東西，有時(shí)間再展開(kāi)）。如果我們觀察 Layer 2 協(xié)議與 Layer 1 交互的模式，我們還會(huì)發(fā)現(xiàn)，Layer 1 負(fù)責(zé)的是狀態(tài)共識(shí)（存儲(chǔ)），Layer 2 負(fù)責(zé)的是狀態(tài)生成（計(jì)算）。

計(jì)算與狀態(tài)

程序員的世界中有一個(gè)流傳甚廣的公式：程序 = 算法 + 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這個(gè)等式指出了程序設(shè)計(jì)的兩個(gè)核心關(guān)注點(diǎn)，計(jì)算（算法，即計(jì)算的步驟）與數(shù)據(jù)（計(jì)算的對(duì)象）。而數(shù)據(jù)又可以分為兩種，程序輸入（外部數(shù)據(jù)）和狀態(tài)（內(nèi)部數(shù)據(jù)）。

計(jì)算機(jī)科學(xué)中的「狀態(tài)」一詞可以理解為程序在運(yùn)行時(shí)，某個(gè)特定時(shí)刻可訪問(wèn)的一切數(shù)據(jù)。程序中有變量，變量通常代表著內(nèi)存中的一個(gè)可以存放數(shù)據(jù)的位置，這個(gè)位置的內(nèi)容就是程序的狀態(tài)。一段程序的輸出完全取決于它的輸入和其開(kāi)始執(zhí)行時(shí)的狀態(tài)。計(jì)算（CPU）、輸入/輸出（IO）與狀態(tài)（內(nèi)存）構(gòu)成了完整的馮諾依曼體系，今天最流行的計(jì)算架構(gòu)。

以支付通道為例

在支付通道中，Layer 2 的共識(shí)范圍縮小到兩人之間，這是最小范圍的共識(shí)。參與通道的兩人進(jìn)行的操作如下：

1. 向 Layer 1 發(fā)送交易建立通道，鎖定特定的狀態(tài)，鎖定的狀態(tài)只有用 Alice 和 Bob 雙方的簽名才能更新

a.例如，Alice 鎖定 1 BTC，Bob 鎖定 1 BTC，我們用（1， 1）表示在 Layer 1 鎖定的狀態(tài)

2. 雙方通過(guò)鏈外的網(wǎng)絡(luò)連接（Layer 2），產(chǎn)生并交換新的狀態(tài)，各自簽名

a. Alice → Bob 0.5 BTC，Alice/Bob 在本地保存的新?tīng)顟B(tài)為（0.5， 1.5）

b. Bob → Alice 0.1 BTC， Alice/Bob在本地保存的新?tīng)顟B(tài)為（0.6， 1.4）

c. …

d. 最后一次交換后，Alice/Bob 在本地保存的新?tīng)顟B(tài)為（0.2， 1.8），而且雙方都對(duì)該狀態(tài)進(jìn)行了簽名

3. 向 Layer 1 發(fā)送最終的狀態(tài)，Layer 1 驗(yàn)證最終提交的狀態(tài)有 Alice/Bob 雙方的簽名，更新鎖定的狀態(tài)為（0.2， 1.8）并解鎖

從這個(gè)例子我們很容易看到，在整個(gè)過(guò)程中，我們通常討論的計(jì)算分成了兩個(gè)部分進(jìn)行：新?tīng)顟B(tài)的生成，新?tīng)顟B(tài)的驗(yàn)證。前者發(fā)生在 Layer 2，而后者發(fā)生在 Layer 1。如果我們觀察其他的 Layer 2 協(xié)議，例如 Plasma 或者是 TrueBit，很容易得到類似的結(jié)論。正因?yàn)?Layer 1 會(huì)驗(yàn)證 Layer 2 產(chǎn)生的狀態(tài)，我們才能夠做到通過(guò) Layer 1 保證 Layer 2 的安全，因?yàn)?Layer 2 的用戶在遇到問(wèn)題時(shí)，總是可以請(qǐng)求 Layer 1 來(lái)做某種形式的驗(yàn)證（這是為什么 Layer 1 可以看作是「Crypto Court」，因?yàn)樗且粋€(gè)能識(shí)別密碼學(xué)證明的「法院」）。

因此在分層架構(gòu)下，Layer 1 的關(guān)注點(diǎn)應(yīng)該是狀態(tài)的驗(yàn)證（和存儲(chǔ)），Layer 2 的關(guān)注點(diǎn)應(yīng)該是狀態(tài)的生成。通過(guò)將狀態(tài)的生成轉(zhuǎn)移到 Layer 2，將生成和驗(yàn)證分離，我們的分層網(wǎng)絡(luò)兼顧了性能（Layer 2）、安全和去中心化（Layer 1）。

任何程序都有計(jì)算和狀態(tài)，區(qū)塊鏈上運(yùn)行的程序（DApp）自然也不例外，在分層架構(gòu)上構(gòu)建應(yīng)用時(shí)，需要考慮在哪里產(chǎn)生狀態(tài)，在哪里驗(yàn)證狀態(tài)，在哪里保存狀態(tài)。由于狀態(tài)的生成和驗(yàn)證分離，狀態(tài)生成的方法可以和驗(yàn)證解耦，狀態(tài)生成不必被 Layer 1 的編程模型綁定，具有更大的自由度。只要能通過(guò) Layer 1 驗(yàn)證，狀態(tài)的生成甚至可以是中心化的（事實(shí)上大部分 Plasma 協(xié)議中只有一個(gè) Operator?。?/p>

Layer 1 應(yīng)該做什么

我們?cè)谡f(shuō)「計(jì)算」的時(shí)候，實(shí)際上說(shuō)的是「狀態(tài)生成」。在一般的計(jì)算模型里面，不存在信任和安全問(wèn)題（我的 CPU 不會(huì)用假的結(jié)果騙我），所以生成就好，不考慮驗(yàn)證；但是在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)里面，我們不僅需要生成，還需要驗(yàn)證。Layer 1 的關(guān)注點(diǎn)應(yīng)該是狀態(tài)的驗(yàn)證和存儲(chǔ)，而不是狀態(tài)生成（希望你沒(méi)有被繞暈……）。

由此我們終于可以推出 Layer 1 應(yīng)該做什么：

1. 需要一個(gè)安全的共識(shí)協(xié)議，范圍越大越好?；?PoW 的 Nakamoto Consensus 正是這樣一個(gè)協(xié)議，這是唯一一個(gè)在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的全球共識(shí)。

2. 需要可編程能力，以支持各種狀態(tài)驗(yàn)證邏輯，這意味著我們需要一個(gè)強(qiáng)大的編程模型（狀態(tài)模型+虛擬機(jī)）。

3. 需要能夠理解各種密碼學(xué)證明，因?yàn)閰^(qū)塊鏈協(xié)議是基于密碼學(xué)構(gòu)建的，Layer 1 與 Layer 2 之間傳遞的證明是密碼學(xué)證明。

4. 需要管理好狀態(tài)，因?yàn)榻?jīng)過(guò)驗(yàn)證的狀態(tài)會(huì)留在 Layer 1 上。這意味著我們需要一個(gè)關(guān)注狀態(tài)的經(jīng)濟(jì)模型。