币圈入门必读:什么是Layer 0、Layer 1和Layer 2

在币圈新闻中,可拓展性、Layer 0/1/2无疑是一系列经常被提及的术语。尤其是在现在,以太坊积极寻求扩容的情况下,Layer 2可说是最热的主题之一了。那么什么是区块链的Layer 0、Layer 1、Layer 2,这三层架构各自又有什么不同的特点、用途呢?

从区块链的六层架构说起

2009年1月,神秘极客中本聪在一台位于赫尔辛基的服务器上生成了比特币区块,目前,比特币已经发展成为一个在全球拥有数万节点,总市值超过1万亿美元的庞大系统。比特币完美解决了数字世界中的价值表示问题,也给人类来带了区块链技术。如果我们仔细分析比特币系统的结构,可以根据功能将之分为5层,分别是数据层、网络层、共识层、激励层和应用层。随后,凭借智能合约迅速崛起的以太坊又给区块链系统设立了新的范式,在系统的激励层和应用层之间加上了一个合约层。让我们从下到上仔细说明。

其中数据层和网络层是区块链的基本架构,也是整个区块链系统的最底层。

数据层(Data Layer)既包括每个区块的数据结构,如Merkle树,也包括各个不同区块是如何首尾相接、连接成链的。此外,数据层还包括为保证区块链不可篡改特性所采用的的哈希加密算法、非对称加密算法。区块链数据层可以视作一个具有分布式特征、不可篡改特性的数据库。这个分布式的数据库需要由系统的所有节点共同维护,这也就引出了区块链的网络层。

网络层(Netwrok Layer)则描述区块链所有节点构成的一个巨大的P2P网络。在这一分布式、点对点的网络中,一旦某一节点创造出了新的区块,就会通过广播机制将信息传输给附近的数个节点(传播机制,Transmission Mechanism)。其他节点在完成对区块的验证之后(Authentication Mechanism),又会再一次将数据传输给其他节点。最终,整个系统的大多数节点都完成对区块的验证之后,区块也就正式连接到了区块链上。

在基本架构之上,共识层、激励层、合约层和应用层共同构成了区块链的协议部分(Protocol Layer)。

共识层(Consensus Layer)主要包括区块链的共识机制算法。在区块链网络上,原本毫无关系的诸多节点正是通过共识算法达成彼此间的统一,维护数据层数据的一致性的。目前,较为常见的共识机制有比特币所采用的的工作量证明(Proof of Work, PoW),以太坊2.0所采用的权益证明(Proof of Stake, PoS),EOS所采用的委托权益证明(Delegated Proof of Stake, DPoS)等。共识机制是区块链技术的核心创新之一,显著影响了系统的安全性和运行效率。此外,共识算法还是区块链进行社区治理的主要手段。

激励层(Actuator Layer)主要包括区块链的发行机制(Issuing Mechanism)和分配机制(Distribution Mechanism)。通过激励机制的设计,系统中的节点将会自发地维护整个区块链网络的安全性。比如在比特币PoW机制中,新发行的比特币将会分配给打包节点的矿工。达成共识的方式接近“多劳多得”,算力越大的节点越有可能成功打包区块,也就能获取记账权。而在某些激励机制中,利用权力作恶的节点还会被系统惩罚。

比特币创造性的将经济激励机制融入到算法之中,形成了矿工通过算力竞争获取记账权,在维护了交易系统的同时发行了新的代币,新发代币又成为了分配给矿工的激励,由此形成了一个稳定、安全的闭环。在这一过程中,比特币作为电子现金的功能也得以实现。让我们继续向顶层前进。

合约层(Contract Layer)主要包括各种脚本代码、算法和只能合约,也是区块链实现诸多高级功能的基础。在区块链中,真正实现了所谓的”code is law“(代码即法则),合约算法一旦激活,就会不可避免地按照原有设置运行下去,而无需任何第三方的干预或推动。此外,由于智能合约具有图灵完备性,合约层还具有可编程性,这使得整个区块链网络具有了类似虚拟机的性质。

应用层(Application Layer)则是整个区块链系统的最上层,包含了该区块链的各种应用场景。对于比特币区块链来说,比特币这一具有完整发行、转账、记账功能电子现金系统便构成其“应用层”;而对于以太坊这样可编程的区块链来说,诸多高级功能、诸多DApp共同构成其应用层。

Layer 0, Layer 1和Layer 2

区块链系统的六个层次,在结构上都密不可分,共同实现了区块链的功能。再回到本文一开始所说的扩容问题,业界一般会参考通信界的开放式系统互联通信参考模型(Open System Interconnection Reference Model,OSI),将区块链系统的六个层次重新划入三个Layer,有底到顶分别为Layer 0、Layer 1和Layer 2

其中,Layer 0又称数据传输层,对应OSI模型的底层,主要涉及区块链和传统网络之间的结合问题。而对应的Layer 0扩容方案,则是指那些不改变区块链构造,并保留其原有生态规则的性能提升方案。由于不会对区块链本身造成影响,Layer 0扩容方案具有较强的通用性,同时,Layer 0扩容方案也与Layer 1/2扩容方案相兼容,能够共同发挥作用,乘数倍的提高区块链网络的性能。在网络底层协议中,尚有很多影响性能的问题值得进行优化,目前已有的Layer 0扩容技术方向有BDN(分发网络)、QUIC UDP协议等。

除此之外,波卡也常被称为Layer 0级别的区块链。这是因为波卡主网作为中继链,只起到为各大平行链提供安全性和彼此间的互操作性的作用。而在波卡的基础上,可以通过插槽链接类似于以太坊这样的Layer 1区块链,比如同样支持Solidity语言的Moonbeam链。

Layer 1对应六层模型中的数据层、网络层、共识层、激励层。对于大多数加密货币而言,Layer 1都是其有且仅有一条的公链,所有交易结算都发生于其上。Layer 1扩容方案又称链上扩容,指在区块链基层协议上实现的扩容解决方案。一般需要修改区块链的区块容量、区块生成时间、共识机制等固有属性以提高交易能力。具体来说,比特币的扩块升级是增大了每一个比特币区块的容量,从而可以容纳更多数目的交易;比特币SegWit则减少了平均单笔交易所占用的空间,使得每一区块可以容纳更多数目交易;升级到DPoS也可以在牺牲一定程度去中心化和安全性的条件下获得更好的性能。但受到物理、经济等因素限制,Layer 1扩容的效率是有极限的。

Layer 2则对应区块链的合约层和应用层,Layer 2扩容方案又称链下扩容,指不改变区块链底层协议和基础规则,通过状态通道、侧链等方案提高交易处理速度。Layer 2在主链外部进行扩容,与Layer 1是一个承接互补的关系,即Layer 2是构建在底层区块链之上的基础架构,为区块链提供更好的可扩展性、可用性以及隐私性。比起Layer 1追求安全性和去中心化,Layer 2追求的是极致的效率和性能。目前,常见的Layer 2解决方案有Side Chain,Plasma,状态通道,Rollup等。

结语

自比特币、以太坊迅速发展以来,性能不足的问题就一直是萦绕在老牌公链头上的一朵乌云。而如何破解“不可能三角”,在扩展性(Scalability)、去中心化(Decentralization)、安全(Security)三者间达成最优解也被视为区块链领域的“圣杯”。

在后续的文章中,我们将为您具体介绍各大区块链扩展方案,同时追踪行业前沿,报道最新的扩容技术进展,敬请期待。

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