一文讀懂區塊鏈執行層、存儲層和共識層的擴容方案

Chainlink

特邀专栏作者

2022-07-20 13:30

本文約9994字，閱讀全文需要約15分鐘

本文概述了區塊鏈的可擴展性問題，重點聚焦區塊鏈與傳統計算系統的區別，並列舉了區塊鏈在執行層、存儲層以及共識層不同擴容方案的優劣勢。

AI總結

展開

本文概述了區塊鏈的可擴展性問題，重點聚焦區塊鏈與傳統計算系統的區別，並列舉了區塊鏈在執行層、存儲層以及共識層不同擴容方案的優劣勢。

信任最小化是一種寶貴的安全屬性，而圖片描述加密事實加密事實圖片描述

加密事實可以為應用和記錄的後端計算實現信任最小化

目前，區塊鏈已經為各種創新的應用場景實現了信任最小化，其中包括貨幣政策（如：比特幣）以及數字資產交易（如：DEX智能合約

智能合約智能合約一級標題

一級標題

區塊鏈與傳統計算的對比分析

在討論如何擴展區塊鏈之前，必須先了解區塊鏈計算與傳統計算的根本區別。總的來說，區塊鏈具有以下核心價值：

計算具有高確定性——按照預定義的代碼邏輯嚴格執行，並具有非常高的確定性。
可信且中立——區塊鏈沒有中心化的管理員或特殊的網絡權限，這意味著任何人都可以提交交易，無需擔心被操控或差別對待。
終端用戶進行驗證——世界上任何一個人都可以審核區塊鏈賬本的歷史和當前狀態以及客戶端軟件的底層代碼。

更具體而言，區塊鏈的任務是管理內部賬本，這個賬本可以記錄資產所有權、合約狀態或原始數據。大多數區塊鍊網絡都由“區塊生產者”和“全節點”管理。這兩類參與者各自發揮不同的功能，但有時也會相互重疊。

全節點

全節點全節點接受或拒絕。全節點會獨立儲存區塊鏈賬本的完整副本，並不斷驗證新區塊，但是全節點不需要參與區塊生產過程。大多數全節點由區塊生產者運行，但交易所、RPC協議提供方以及stablecoin發行方等關鍵經濟主體和終端用戶也可以運行全節點。全節點有權拒絕無效的區塊，因此可以監督區塊生產者的行為，即使圖片描述圖片描述

用戶通過全節點向區塊鏈提交交易，而礦工和驗證節點則向全節點提供區塊並獲得驗證

另外，將全節點和區塊生產者分開，還可以避免礦工或驗證節點隨意更改協議規則從而操控區塊。這是一種權力製衡機制，區塊生產者只有權力排序交易，但無法決定區塊鏈的規則。規則由全節點社區治理，理論上來說，任何人都可以輕鬆加入全節點社區。要進一步了解區塊鏈的底層架構，請查看《一文讀懂加密事實：信任最小化的計算和記錄》。

降低硬件要求對於降低全節點運行門檻來說至關重要，這一直以來都是區塊鏈維持去中心化水平的關鍵，也是實現信任最小化的關鍵。然而，去中心化通常也會導致區塊鏈速度非常慢，因為網絡的運行速度取決於其中最慢的那個節點。這個問題也被稱為“區塊鏈的不可能三角”，或者圖片描述圖片描述

區塊鏈的不可能三角指區塊鏈在可擴展性、安全性以及去中心化水平這三個維度不得不做出取捨

傳統區塊鏈模式存在一個瓶頸，那就是要實現可擴展性就必須犧牲去中心化水平或安全性，或在這兩個維度都做出一定犧牲。比如，實現了可擴展性和去中心化的網絡就不得不對大量活躍參與者提供經濟激勵，以保障安全性。而實現了可擴展性和安全性的網絡通常必須提高節點運行成本，從而犧牲去中心化水平。另外，實現了去中心化和安全性的網絡通常需要維持較低的節點要求和較高的攻擊成本，但最終會在可擴展性方面遭遇瓶頸。

與區塊鏈不同的是，傳統的計算環境無需擔心去中心化問題，因為它們的主要目的並不是在最大程度上實現信任最小化。因此，傳統的計算網絡通常都是中心化的，並且由盈利型企業運行。由於網絡由單一實體管理，並且其計算結果不需要由終端用戶獨立驗證，因此可以實現低成本和高運行速度。

一級標題

二級標題

區塊鏈執行層

區塊鏈執行層指執行交易和狀態變更的計算層。交易執行包括查看交易的有效性（如：驗證簽名和通證餘額），執行鏈上邏輯併計算狀態變更。狀態變更指全節點更新賬本的副本，以反應新的通證轉賬、智能合約代碼更新以及數據存儲。

二級標題

區塊鏈存儲層

區塊鏈存儲層指全節點維持和儲存賬本副本的存儲層。區塊鏈的存儲功能通常分為兩類：

歷史數據——包括所有原始交易和區塊數據。交易數據包括起始和目的地地址、發送金額以及每筆交易的簽名。區塊數據包括來自某一區塊的交易列表和元數據，比如根哈希值、nonce以及前一個區塊的哈希值等。歷史數據通常無需快速訪問，只需要至少有一個誠實節點就可以下載。
全局狀態——是全部數據的快照，智能合約可以對其進行讀寫，比如所有智能合約的賬戶餘額以及變量。全局狀態可以看作是區塊鏈的數據庫，需要對輸入的交易進行驗證。狀態通常儲存在樹數據結構中（如：默克爾樹），全節點可以輕鬆快速地訪問並更改。

全節點需要訪問歷史數據，以首次與區塊鏈同步，並且需要訪問全局狀態，以驗證新區塊並執行新的狀態變更。隨著賬本和相關存儲數據量不斷變大，狀態計算會越來越慢，而且成本也會越來越高，因為節點需要花更多時間並執行更多計算才能對狀態進行讀寫。如果節點的內存滿了，就需要使用磁盤存儲空間，這就會進一步降低計算速度，因為節點在執行過程中需要在不同的存儲環境中來回切換。

二級標題

區塊鏈共識層

一級標題

二級標題

劣勢：

優勢：

優勢：劣勢：

劣勢：對驗證節點進行縱向擴容會限製網絡的去中心化水平，因為運行驗證節點或全節點的成本變高了。節點成本通常會隨著時間推移而越來越高，這也會讓大多數用戶望而卻步。維持去中心化水平將取決於二級標題二級標題

二級標題

優勢：

優勢：劣勢：

劣勢：二級標題

將執行層分片，實現橫向擴容

劣勢：

優勢：

優勢：劣勢：

劣勢：二級標題

二級標題

模塊化區塊鏈

模塊化區塊鏈模塊化區塊鏈優勢：rollup優勢：

優勢：二級標題

劣勢：

劣勢：圖片描述

二級標題資料來源）

支付和狀態通道

另外，

優勢：

優勢：劣勢：

劣勢：另外，

另外，一級標題一級標題

二級標題

優勢：

優勢：劣勢：

劣勢：二級標題

在底層區塊鏈上進行數據分片

另一個區塊鏈數據存儲擴容方案是劣勢：優勢：

優勢：劣勢：

劣勢：由於分片越多對主鏈造成的壓力就越大，因此區塊鏈可以承載的分片數量存在上限。另外，還需要實現二級標題二級標題

使用模塊化的區塊鏈來壓縮鏈上數據存儲

模塊化區塊鏈在鏈下執行計算任務，然後將交易數據和狀態變更儲存在鏈上或鏈下。其他節點或用戶可以用這些數據來重建賬本的當前或歷史狀態。 rollup將數據儲存在鏈上之前會先在鏈下進行壓縮。

二級標題

模塊化區塊鏈的鏈下數據存儲

模塊化區塊鏈可以在鏈下儲存交易數據，以進一步降低鏈上存儲要求。比如“validiums”，在鏈上發布零知識證明，並在鏈下儲存數據。目前，模塊化區塊鍊主要採用四種鏈下數據存儲方案：

中心化存儲——在鏈下中心化的平台上儲存數據。這種方案的數據存儲成本最低，但也可能導致數據缺乏透明性或安全性，比如中心化的存儲平台有可能會修改數據或直接下線。
獲得許可的DAC——在鏈下儲存數據，在鏈上證明數據的準確性，並且由一小群可信節點組成的委員會簽名通過，這個委員會叫作“數據可用性委員會”（DAC）。這個方案的優劣勢與中心化的存儲方案相似，但在數據可用性方面的信任假設要更勝一籌。
無需許可的DAC——二級標題
Volition——二級標題

數據修剪

數據修剪技術可以允許區塊鏈全節點刪除某個區塊高度之前的歷史數據。數據修剪通常與PoS檢查點（checkpoint）同時使用，超過某個檢查點的區塊中的交易會被認定終局。這意味著這些交易無法被撤回，除非達成重大社會共識或出現硬分叉。

優勢：數據修剪會減少節點參與共識時需要儲存或參考的數據量。由於歷史數據已經得到了驗證，因此可以被修剪，以縮小賬本規模。如果運行全節點只是為了驗證未來區塊而不是追溯歷史區塊，那麼就無需再儲存歷史數據。

劣勢：數據修剪需要依靠交易平台或區塊瀏覽器等第三方來永久儲存歷史數據，以一直追溯到創世區塊。然而，由於這是一個1/n的信任模式，因此只需要一個第三方誠實地儲存數據，幫助全節點重建所有的歷史狀態。由於PoS提供了檢查點和二級標題二級標題

無狀態、狀態過期以及狀態租金

另外還有一些方案的側重點是限制全節點儲存的狀態數量，尤其是通過設置狀態過期、無狀態或狀態租金來實現。

狀態過期——節點可以對超過一段時間沒有被訪問的狀態進行修剪，並可以使用某種默爾克證明（也稱為“witness”）在需要時恢復已經過期的狀態。
無狀態——全節點不需要儲存狀態。全節點只需通過witness驗證新區塊即可。弱無狀態性指只有出塊節點需要儲存全局狀態，而其他所有節點都無需儲存狀態就可以驗證區塊。
一級標題優勢：

優勢：劣勢：

劣勢：一級標題