ROLL:如何解决区块链架构当前困境？

什么是区块链？

让我们简要回顾一下区块链的基础知识。区块链中的区块由两部分组成：区块头和与其关联的交易数据。区块通过「完整节点」进行验证，这些节点解析和计算整个区块数据，以确保交易有效，并且用户发送的ETH不会超过他们的账户余额。

让我们还简要概述组成区块链的功能「层」。

执行

交易和状态更改最初在此处处理。用户通常还通过该层通过签署交易、部署智能合约和转移资产与区块链进行交互。

结算

结算层是验证Rollup执行和解决争议的地方。该层不存在于单体区块链中，是模块化堆栈的可选部分。与美国系统类比，将结算层视为美国最高，为争议提供最终仲裁。

共识

区块链的共识层通过全节点网络提供排序和最终确定性，下载和执行区块的内容，并就状态转换的有效性达成共识。?

?数据可用性

验证状态转换是否有效所需的数据应发布并存储在该层上。如果发生恶意区块生产者扣留交易数据的攻击，这应该很容易验证。数据可用性层是区块链可扩展性三难困境的主要瓶颈，我们稍后会探讨原因。

例如，以太坊是单体的，这意味着基础层处理上述所有组件。?

区块链目前面临一个称为「区块链可扩展性三难困境」的问题。与分布式系统的Brewer定理类似，区块链架构通常会在去中心化、安全性或可扩展性中的一个方面做出妥协，以便为其他两者提供强有力的保证。

?安全性是指网络在受到攻击时保持运行的能力。这个原则是区块链的核心原则，永远不应该妥协，所以真正的权衡通常是在可扩展性和去中心化之间。

FIBA提问：15个比特币你如何选球员？郭艾伦周琦上榜:金色财经报道，国际篮球联合会（FIBA）亚洲杯官方更新社媒，抛出了“用15个比特币组建阵容”的话题。“你会用哪些亚洲球星来组建你的最佳阵容？”FIBA亚洲杯官方社媒写道。其中，郭艾伦出现在了得分后卫的位置上，需要用最多的5个比特币来选择。出现在中锋位置上的周琦，需要用2个比特币选择，而在中锋位置上，比特币最高的是哈达迪。[2022/6/28 1:35:49]

让我们在区块链系统的背景下定义去中心化：为了让区块链去中心化，硬件要求不能成为参与的限制，验证网络的资源要求应该很低。

可扩展性是指区块链的吞吐量除以其验证成本：区块链处理越来越多的交易同时保持较低的验证资源需求的能力。增加吞吐量的主要方法有两种。首先，您可以增加区块大小，从而增加可以包含在区块中的交易容量。不幸的是，更大的区块大小会导致网络中心化，因为运行完整节点的硬件要求会随着对更高计算输出的需求而增加。特别是单体区块链遇到了这个问题，因为吞吐量的增加与验证链的成本增加相关，从而导致去中心化程度降低。其次，您可以将执行转移到链下，将计算负担从主网络上的节点转移，同时利用允许验证链上计算的证明。

?借助模块化架构，区块链可以通过关注点分离的原则开始解决区块链可扩展性的三难困境。通过模块化执行和数据可用性层，区块链能够扩展吞吐量，同时通过打破计算和验证成本之间的相关性来保持使网络去信任和去中心化的特性。让我们通过引入故障证明、Rollup以及它们与数据可用性问题的关系来探索这是如何实现的。

?故障证明和OptimisticRollup

直播｜条子哥 > Chainlink如何在一年内将生态扩大了400%？:金色财经 · 直播主办的《 Focus 价值50》深度解析 6 大TOP50 项目，白话分享，刷新共识！6月16日16:30准时开播，本期Chainlink中国区负责人 条子哥将在直播间聊聊“Chainlink如何在一年内将生态扩大了400%？”，该项目刚刚被当选世界经济论坛技术先锋，感兴趣的朋友扫码移步收听！[2020/6/16]

Vitalik在《终局游戏》一文中指出，中心化和去中心化之间可能的妥协是，出于可扩展性目的，区块生产的未来中心化于矿池和专业生产者，而区块验证应该重要地保持去中心化。这可以通过将区块链节点拆分为完整节点和轻客户端来实现。该模型存在两个相关问题：区块验证和区块可用性。让我们首先探索它在区块验证中的应用。

?全节点下载、计算和验证区块中的每笔交易，而轻客户端仅下载区块头并假设交易有效。然后，轻客户端依赖全节点生成的故障证明来进行交易验证。这反过来又允许轻客户端自主识别无效交易，使它们能够在与全节点几乎相同的安全保证下运行。默认情况下，轻客户端假定状态转换是有效的，并且可以通过接收故障证明来质疑状态的有效性。当一个节点的状态受到故障证明的挑战时，通过一个全节点重新执行相关交易来达成共识，导致不诚实节点的权益被削减。

轻客户端和故障证明模型在诚实少数假设下是安全的，其中至少存在一个诚实的全节点，具有提交故障证明的链的完整状态。该模型与分片区块链特别相关，因为验证者可以选择在一个分片上运行完整节点，在其余分片上运行轻客户端，同时在所有分片上保持N中的1个安全保证。?OptimisticRollups利用此模型将区块链执行层安全地抽象为排序器，即捆绑和执行多个事务并定期将压缩数据发布回父链的强大计算机。将此计算转移到链外可以使交易吞吐量增加10-100倍。我们如何才能相信这些链下测序仪保持良性？我们引入了债券，运营商必须质押以运行测序仪的代币。由于定序器将交易数据发布回父链，因此我们可以使用验证器来发布故障证明并随后削减恶意定序器的注。由于乐观汇总使用故障证明，因此假设网络中存在一个诚实的验证者，它们是安全的。故障证明的这种使用是乐观汇总的名称来源-假设状态转换是有效的，直到在争议期间证明其他情况，在结算层处理。

英格兰银行正在探讨如何将CBDC引入现有市场:英格兰银行（BoE）正在权衡发行以英镑为单位的央行数字货币（CBDC）的利弊。他们刚发布了一份长达57页的报告，探讨了如何将CBDC引入现有市场，既充当价值存储又用于日常交易。据悉，英国中央银行逐渐意识到，数字英镑可能会破坏当前的银行体系。但是，数字货币可以利用最新的金融科技，使消费者更轻松快捷地进行交易。（Cointelegraph）[2020/3/13]

?这就是我们如何在最小化信任的同时扩展吞吐量：允许计算变得中心化，同时保持对计算的验证去中心化。

??数据可用性问题

虽然故障证明是解决去中心化区块验证的有用工具，但全节点依赖于区块可用性来生成故障证明。恶意出块者可以选择只发布区块头，并保留部分或全部相应数据，阻止全节点验证和识别无效交易，从而产生故障证明。这种类型的攻击对于全节点来说是微不足道的，因为它们可以简单地下载整个区块，并在发现不一致或隐瞒数据时从无效链中分叉。但是，轻客户端将继续跟踪可能无效链的区块头，从完整节点分叉。

?这是数据可用性问题的本质，因为它与故障证明有关：轻客户端必须确保所有交易数据在验证之前都在一个区块中发布，这样全节点和轻客户端必须自动就规范链的相同区块头达成一致。

?解决方案

看起来我们又回到了原点。轻客户端如何确保发布一个区块中的所有交易数据，而无需下载整个区块——中心化硬件需求，从而违背轻客户端的目的？

?实现这一点的一种方法是通过一种称为擦除编码的数学原语。通过复制区块中的字节，即使有一定百分比的数据丢失，纠删码也可以重建整个块。该技术用于执行数据可用性采样，允许轻客户端通过随机采样区块的一小部分来概率确定整个区块已发布。这允许轻客户端确保所有交易数据都包含在特定区块中，然后再接受它为有效并遵循相应的块头。但是，这种技术有一些注意事项：数据可用性采样具有很高的延迟，并且类似于诚实的少数假设，安全保证依赖于假设有足够的轻客户端执行采样以能够概率地确定可用性一个区块。

金色财经现场报道 海纳云CTO邹均：区块链技术难点在于如何让所有节点统一步调:金色财经现场报道，在2018区块链技术及应用峰会上，海纳云CTO邹均认为，区块链技术当前的限制难点在分布式系统中让所有节点统一步调，区块链目前存在性能限制、扩展性限制、易用性限制、兼容性跨链互联限制、存储限制、治理限制、软件升级限制等问题。[2018/3/31]

?有效性证明和零知识Rollup

去中心化区块验证的另一个解决方案是取消状态转换所需的交易数据。相比之下，有效性证明与故障证明相比采取了更为悲观的观点。通过消除争议过程，有效性证明可以保证所有状态转换的原子性，同时需要为每个状态转换提供证明。这是通过利用新颖的零知识技术SNARK和STARK来实现的。与故障证明相比，有效性证明需要更多的计算强度来换取更强的状态保证，从而影响可扩展性。

?零知识Rollup是利用有效性证明而不是故障证明进行状态验证的Rollup。它们通过排序器/证明者模型遵循与OptimisticRollup类似的计算和验证模型，其中排序器处理计算并证明者生成相应的证明。例如，Starknet推出了用于引导目的的中心化排序器，并逐步实现开放式排序器和证明者去中心化。由于排序器上的链下执行，计算本身在ZKRollup上是无限的。然而，由于这些计算的证明必须在链上进行验证，最终性仍然是证明生成的瓶颈。

?需要注意的是，利用轻客户端进行状态验证的技术仅适用于故障证明架构。由于通过有效性证明可以保证状态转换是有效的，因此节点不再需要交易数据来验证区块。然而，有效性证明的数据可用性问题仍然存在，并且稍微微妙：尽管有保证的状态，但有效性证明的交易数据仍然是必要的，这样节点才能更新状态转换并将其提供给最终用户。因此，使用有效性证明的Rollup仍然受到数据可用性问题的约束。

阿拉斯加女学生如何依靠2014年的比特币课题支付大学学费:2014年，阿拉斯加的一位女学生以比特币作为竞赛项目课题，而在当时这一课题毫无疑问获得了评委的青睐。到现在，这一课题不仅为她带来了荣誉，还给她积累了一定的财富。而当时因为这一课题而了解到比特币的孩子们大多数仍旧保留着这些比特币，同时还保持着对加密货币的兴趣。正如这故事所表明的，向孩子传授有关金钱的知识并赋予他们一定的财务自由越早越好。[2017/12/29]

我们现在在哪里

回顾Vitalik的论文：条条大路通向中心化区块生产和去中心化区块验证。虽然我们可以通过区块生产者硬件的进步以指数方式增加Rollup吞吐量，但真正的可扩展性瓶颈是区块可用性而不是区块验证。这导致了一个重要的见解：无论我们使执行层多么强大或我们使用什么证明实现，我们的吞吐量最终都会受到数据可用性的限制。

?我们目前确保数据可用性的一种方法是在链上发布区块链数据。Rollup实施利用以太坊主网作为数据可用性层，定期在以太坊上发布所有Rollup区块。这种权宜之计解决方案面临的主要问题是以太坊当前的架构依赖于通过下载整个区块来保证数据可用性的全节点，而不是执行数据可用性采样的轻客户端。当我们增加区块大小以增加吞吐量时，这不可避免地会导致对验证数据可用性、中心化网络的全节点的硬件要求增加。

?未来，以太坊计划利用数据可用性采样向分片架构发展，该架构由完整节点和保护网络的轻客户端组成。然而，这只能解决部分问题：Rollup架构面临的另一个基本问题是Rollup区块被转储到以太坊主网作为calldata。这会带来一些问题，因为calldata在规模上是昂贵的，无论Rollup交易批量大小如何，都会以每字节16个gas的成本成为L2用户的瓶颈。

?「这意味着即使在最终用户利用Rollup的情况下，将calldata发布到以太坊也会让他们因这个固定比率而面临他们今天面临的惊人的gas成本.

「随着使用量的增长，发布到以太坊的calldata也会增加。这让我们回到了原点——以太坊真的很贵，即使最终用户使用Rollup，他们也会感受到这种成本。」

?Validium是提高可扩展性和吞吐量同时保持数据可用性保证的另一种方式：细粒度的交易数据可以在链下发送到数据可用性委员会、PoS监护人或数据可用性层。通过将数据可用性从以太坊calldata转移到链下解决方案，validiums绕过了与增加rollup使用相关的固定字节gas成本。

Rollup架构也带来了独特的见解，即区块链本身不需要提供执行或计算，而只是简单地对区块进行排序并保证这些区块的数据可用性的功能。这就是第一个模块化区块链网络Celestia背后的主要设计理念。Celestia以前称为LazyLedger，最初是一个「惰性区块链」，将执行和验证留给其他模块化层，并专注于通过数据可用性采样为交易排序和数据可用性保证提供数据可用性层。中心化区块生产和去中心化区块验证者是Celestia设计背后的核心前提：即使是也能够作为轻客户端参与并保护网络。由于数据可用性采样的特性，作为数据可用性层插入Celestia的Rollup能够随着Celestia轻节点数量的增长支持更高的区块大小，同时保持相同的概率保证。

?今天的其他解决方案包括StarkEx、zkPorter和PolygonAvail，其中StarkEx是目前生产中使用的唯一验证。无论如何，大多数验证都包含对数据可用性源的信任的隐含假设，无论是通过受信任的委员会、监护人还是通用数据可用性层进行管理。这种信任还表明，恶意运营商可以阻止用户提取资金。

工作正在进行中

模块化区块链架构是当前加密领域中一个备受争议的话题。由于与去中心化的结算和数据可用性层相关的安全问题和额外的信任假设，Celestium对模块化区块链架构的愿景受到了重大阻碍。

?与此同时，区块链堆栈的各个方面都取得了重大进展：FuelLabs正在开发执行层的并行虚拟机，Optimism团队正在研究分片、激励验证和去中心化排序器。混合Optimistic和零知识解决方案也在开发中。

?以太坊合并后的发展图包括统一结算和数据可用性层的计划。具体来说，Danksharding是以太坊图中一个很有前景的发展，旨在将以太坊L1数据分片和区块空间转换和优化为「数据可用性引擎」，从而允许L2Rollup实现低成本、高吞吐量的交易。

?Celestia的架构还允许广泛的执行层实现将其用作数据可用性层，为WASM、Starknet和FuelVM等替代非EVM虚拟机奠定基础。这种用于各种执行解决方案的共享数据可用性允许开发人员在Celestia集群之间创建信任最小化的桥梁，解锁跨链和跨生态系统的可组合性和互操作性，类似于以太坊及其Rollup之间的可能性。

?由Starkware首创的Volitions为链上与链下数据可用性的困境引入了一种创新的解决方案：用户和开发人员可以选择使用验证将交易数据发送到链下，或者将交易数据保持在链上，每个人都有自己的独特的优点和缺点。

此外，第2层解决方案的使用和普及率的增加解锁了第3层：分形扩展。分形扩展允许将特定于应用程序的Rollup部署在第2层-开发人员现在可以部署他们的应用程序，完全控制他们的基础设施，从数据可用性到隐私。在第3层上部署还解锁了第2层上所有第3层应用程序之间的互操作性，而不是像特定于应用程序的链那样昂贵的基础链。Rollup之上的Rollup。

?与网络基础设施如何从本地服务器演变为云服务器类似，去中心化网络正在从单体区块链和孤立的共识层演变为具有共享共识层的模块化、特定于应用程序的链。无论哪种解决方案和实施最终流行起来，有一点很清楚：在模块化的未来，用户是最终的赢家。所有平台均为六六财说，欢迎留言讨论。

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