区块链分层结构还需要怎样的技术来支持

以太坊联合创始人Vitalik Buterin在其最新发布的博文《基础层和功能逃逸速度》中提到，“保持 layer 1简单，使用layer 2来弥补不足” 并不是解决区块链可扩展性和功能性问题的普遍答案，因为这种思路没有考虑到layer 1区块链本身必须要具有足够的可扩展性和功能性，否则所谓的layer 2协议只是可信的中介。在这篇文章中，Vitalik提出了“功能逃逸速度”的概念，他还表示，短期内我们需要并行开发layer 1与 layer 2 ，而长期则要更关注layer 2的开发。

（图片来自：Flickr）

以下是译文：

区块链世界有这样一个常见的思路：区块链应该是最简单的，因为它们是很难改变的基础设施，如果发生了破坏，便会导致巨大的危害，并且应该以layer 2协议的形式在一层区块链顶部建立相对复杂的功能，例如：状态通道、Plasma、rollup等等。 Layer 2应该是持续的创新地点，而layer 1应该是稳定的，只有在紧急情况下才会有大的变化（例如为了防止基础协议的密码学被量子计算机破解，一次重大的突破性变化就是可以的）。

这种层分离的想法是非常好的，从长远来看，我强烈支持这一想法。然而，这种思维忽略了一个重要的点：虽然layer 1不能太强大，因为更大的功率就意味着更多的复杂性，因此会有更大的脆弱性，但layer 1也必须要足够强大，这样建立在其之上的layer 2协议才能是真正可行的。

一旦layer 1协议实现了某种程度的功能，我将称之为“功能逃逸速度”，然后，是的，你可以在不进一步改变基础的情况下，在上面做任何其它事情。

而如果layer 1不够强大，你可以谈论用layer 2系统来填补空白，但现实却是，如果不重新引入layer 1试图摆脱的一整套信任假设，你是没有办法去构建这些系统的。这篇文章将讨论构成“功能逃逸速度”的最小功能是什么。

一种编程语言

必须能够在链上执行自定义用户生成的脚本。这种编程语言可以很简单，实际上不需要高性能，但它至少需要具备所需的功能级别，才能验证可能需要验证的任意内容。

这一点很重要，因为要构建在上面的layer 2协议需要某种验证逻辑，而这种验证逻辑必须由区块链以某种方式执行。

你可能听说过图灵完备性，外行一般会认为，如果一门编程语言是图灵完备的，那么它可以做任何计算机理论上可做的事情。一种图灵完备语言编写的任何程序，都可以翻译成任何其它图灵完备语言的等效程序。然而，事实证明，我们只需要一些稍轻的东西：可以限制为不带循环的程序，或者保证在特定步骤中终止的程序。

富-有状态性（Rich Statefulness）

这不仅关乎一门编程语言，如何将编程语言准确地集成到区块链中也很重要。如果一种语言被用于纯粹的交易验证，那么它集成的方式就更为有限：当你将币发送到某些地址时，该地址表示一个计算机程序P，该程序将用于验证从该地址发送币的交易。也就是说，如果你发送一笔哈希为 h的交易，那么你将提供一个签名S，然后区块链将运行 P（h， S），而如果该输出为TRUE，那么该交易就是有效的。通常，P是密码签名方案的验证器，但它可以执行更复杂的操作。注意，在这个模型中，P无法访问交易的目的地。

然而，这种“纯函数”的方法是不够的。这是因为这种纯基于函数的方法，不足以实现人们真正想要实现的多种layer 2协议。它可以实现通道（以及基于通道的系统，如闪电网络），但它不能实现其它具有更强特性的扩容技术，也不能用于具有更复杂状态概念的附属系统，等等。

举个简单的例子来说明纯函数范式所无法实现的事情，考虑一个具有以下特征的储蓄账户：有一个密码密钥k可以发起提款，如果其进行了提款，则在接下来的24小时内，同一密钥k可以取消提款。如果提款在24小时内仍未取消，那么任何人都可以“闯入”这个账户，然后完成提款。其目的是，如果密钥被盗，账户持有人可以防止小偷提取资金。窃贼当然可以阻止合法所有者获得资金，但攻击对窃贼来说是无利可图的，因此他们可能不会为此而烦恼（有关这种技术的解释，请参阅原始论文）。

不幸的是，这种技术无法简单地通过纯函数来实现。问题是：需要有某种方法将币从“正常”状态转移到“等待取款”状态。但是程序P无法访问目的地！因此，任何可以授权将币转移到等待取款状态的交易，也可以授权立即偷取这些币，也就是说，P不能区分两者的区别。在不完全释放币的情况下，改变币状态的能力，对许多应用而言都是很重要的，包括 layer 2 协议。

Plasma本身符合这个“授权、终结、取消”的范式：从Plasma的退出操作首先必须要获得批准，然后会有7天的挑战期，并且在这个挑战期内，如果挑战者提供了正确的证据，则退出就可以被取消。

Rollup也需要这个属性：Rollup中的币必须由一个跟踪状态根R的程序控制，如果某个验证器P（R， R‘， data） 返回TRUE，则从R更改为R’，但它只将状态更改为R‘，在这种情况下，它不会释放币。

这种授权状态变化，而不需要完全将所有币设置在一个免费账户的能力，就是我所说的“富-有状态性”（rich statefulness）。

它可以有多种实现方式，有些是基于UTXO的，而没有它，且不包括信任假设的情况下（例如，一组被集体信任的工作人员来执行那些富状态程序），区块链就不足以实现大多数layer 2 协议。

注意：是的，我知道如果P可以访问h，那么你可以将目的地地址作为S的一部分，并将其与h进行比较，然后以这种方式限制状态变化。但也有可能会出现一种编程语言资源太有限（或受到其他限制），从而无法真正做到这一点。令人惊讶的是，在区块链脚本语言中，这种情况是经常发生的。

充分的数据可扩展性和低延迟

事实证明，plasma、通道以及其它完全链外的layer 2协议都有一些根本性的弱点，这些弱点阻碍了它们完全复制layer 1的功能。我在这里详细讨论过这个问题；总结是，这些协议需要有一种方式，来裁决某些缔约方恶意不提供其承诺提供数据的情况，而且，由于数据发布是不可全局验证的（除非你自己下载了数据，否则你不知道何时发布数据），这些裁决游戏在理论上并不稳定。

通道和Plasma通过增加额外的假设，巧妙地绕过了这种不稳定性，特别是假设对于每一个状态，都有一个对该状态感兴趣的参与者没有被错误地修改（通常是因为它代表了他们拥有的币），因此可信任他们。然而，这远远不是通用的，例如，Uniswap这样的系统就包含了一个大型的“中心”合约，它不由任何人拥有，因此它们不能有效地受到这种模式的保护。

有一种方法可以解决这个问题，那就是一种在链上发布少量数据，但在链外执行计算的layer 2协议。

如果数据被保证是可用的，那么在链外进行计算就是可以的，因为判断“谁正确计算，谁错误计算”的游戏，在理论上是稳定的（或者完全可以被SNARKs或STARKs代替），这就是ZK rollup和optimisTIc rollup背后的逻辑。如果一个区块链允许发布并保证相当大数据量的可用性，即使其计算能力仍然非常有限，则区块链可支持这些layer-2协议，并实现高水平的可扩展性和功能性。

区块链需要处理和保证多少数量的数据？好吧，这取决于你所要求TPS的程度。通过rollup方案，你可以将大多数活动压缩到每笔交易约10-20字节，因此每秒1 kb就可以为你提供50-100 TPS。每秒1 mb 就可以为你提供50，000-100，000 TPS，依此类推。幸运的是，互联网带宽继续在快速增长，而且其增长速度似乎并没有像摩尔计算定律那样在减慢，因此，在不增加计算负载的情况下增加数据的伸缩性，是区块链可采取的一条扩容路径！

还要注意的是，重要的不仅仅是数据容量，还要考虑数据延迟（即具有较低的区块时间）。像rollup这样的Layer 2协议（或者说Plasma）仅在数据实际发布到链上时提供任何安全保证，因此，数据可靠地包含在链上（理想情况下为“最终确定”）所需的时间，是指Alice向Bob发送付款和Bob确信将包含此付款之间所需的时间。基础层的区块时间，是为其包含的内容而设置的延迟时间。这可以通过链上安全存款（又称“bond”）来解决，但这种方法本身就不完美，因为恶意方可以通过牺牲一笔存款来欺骗无限数量的不同人群。

结论

“保持 layer 1简单，使用layer 2来弥补不足” 并不是解决区块链可扩展性和功能性问题的普遍答案，因为这种思路没有考虑到layer 1区块链本身必须要具有足够的可扩展性和功能性，否则所谓的layer 2协议只是可信的中介。然而，确实在某个阶段，任何layer 1功能都可以复制到layer 2，在许多情况下，这样做是一个改善可升级性的好主意。因此，短期内我们需要并行开发layer 1与 layer 2 ，而长期则要更关注layer 2的开发。