為什么區(qū)塊鏈并不是天然Layer 1

從分層的角度來看，現(xiàn)有的區(qū)塊鏈在設計時考慮的是特定的功能（例如支付，或者是運行 DApp），并希望在運行一段時間后，讓上層協(xié)議來適應自己。然而區(qū)塊鏈并不天然是 Layer 1，Layer 1 是需要設計的。在分層的大框架下，上層協(xié)議和分層網(wǎng)絡分別有著怎樣的需求？Layer 1 和 Layer 2 應該分別對應著怎樣的角色，承擔怎樣的職能？Layer 1 應該做什么？Nervos 架構(gòu)師 Jan 給出了他的答案。

Nervos Approach

Nervos Network 的技術目標是設計一個分層的加密經(jīng)濟網(wǎng)絡。這樣一個出發(fā)點帶來的是一個與眾不同的設計思路，我們自己把它稱為「Nervos Approach」：

如果我們認為分層是未來的發(fā)展方向，我們應該從一開始就考慮到上層協(xié)議和分層網(wǎng)絡的需求，在分層的大框架下設計區(qū)塊鏈協(xié)議。

換句話說，從分層的角度來看，現(xiàn)有的區(qū)塊鏈設計方式都是過時的。現(xiàn)有的區(qū)塊鏈在設計時考慮的是特定的功能（例如支付，或者是運行 DApp），并希望在運行一段時間后，讓上層協(xié)議來適應自己。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丁打出來的，相反是在吸收過去經(jīng)驗之后基于分層的思路重新設計出來的（是的，互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議也是分層的，我們說的 TCP/IP 實際上是兩個協(xié)議的名字）。Nervos Approach 是向互聯(lián)網(wǎng)學習的產(chǎn)物。

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

Layer 1 vs. Layer 2

要弄清 Layer 1 應該做什么，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，很難擴容到滿足整個加密經(jīng)濟體需求的水平，同時我們又非常迷戀公有鏈提供的可用性和極大的服務范圍，因此慢慢演化出了一系列可以由區(qū)塊鏈來保證安全的 Layer 2 協(xié)議，例如支付通道（Payment Channel），Plasma，etc.

這些協(xié)議的共同特點是犧牲共識范圍來換取性能。公有鏈最讓人驚艷的地方是通過開放網(wǎng)絡，提供不間斷的覆蓋全球的服務，這意味著全球共識，也意味著性能低下。解決這個問題的最好方式是將大部分交易轉(zhuǎn)移到共識范圍更小，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候退回到區(qū)塊鏈上來解決問題，代價僅僅是一些時間成本。

因此作為 Layer 1 的區(qū)塊鏈，關注點顯然不應該是性能，因為 Layer 2 會承擔這個職責。Layer 1 是保障上層協(xié)議參與者的最后防線，它的關注點應該是安全和去中心化（安全和去中心化是兩個東西，有時間再展開）。如果我們觀察 Layer 2 協(xié)議與 Layer 1 交互的模式，我們還會發(fā)現(xiàn)，Layer 1 負責的是狀態(tài)共識（存儲），Layer 2 負責的是狀態(tài)生成（計算）。

計算與狀態(tài)

程序員的世界中有一個流傳甚廣的公式：程序 = 算法 + 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這個等式指出了程序設計的兩個核心關注點，計算（算法，即計算的步驟）與數(shù)據(jù)（計算的對象）。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)）。

計算機科學中的「狀態(tài)」一詞可以理解為程序在運行時，某個特定時刻可訪問的一切數(shù)據(jù)。程序中有變量，變量通常代表著內(nèi)存中的一個可以存放數(shù)據(jù)的位置，這個位置的內(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始執(zhí)行時的狀態(tài)。計算（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，今天最流行的計算架構(gòu)。

以支付通道為例

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

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. 雙方通過鏈外的網(wǎng)絡連接（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 在本地保存的新狀態(tài)為（0.5， 1.5）

b. Bob → Alice 0.1 BTC， Alice/Bob在本地保存的新狀態(tài)為（0.6， 1.4）

c. …

d. 最后一次交換后，Alice/Bob 在本地保存的新狀態(tài)為（0.2， 1.8），而且雙方都對該狀態(tài)進行了簽名

3. 向 Layer 1 發(fā)送最終的狀態(tài)，Layer 1 驗證最終提交的狀態(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

從這個例子我們很容易看到，在整個過程中，我們通常討論的計算分成了兩個部分進行：新狀態(tài)的生成，新狀態(tài)的驗證。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。正因為 Layer 1 會驗證 Layer 2 產(chǎn)生的狀態(tài)，我們才能夠做到通過 Layer 1 保證 Layer 2 的安全，因為 Layer 2 的用戶在遇到問題時，總是可以請求 Layer 1 來做某種形式的驗證（這是為什么 Layer 1 可以看作是「Crypto Court」，因為它是一個能識別密碼學證明的「法院」）。

因此在分層架構(gòu)下，Layer 1 的關注點應該是狀態(tài)的驗證（和存儲），Layer 2 的關注點應該是狀態(tài)的生成。通過將狀態(tài)的生成轉(zhuǎn)移到 Layer 2，將生成和驗證分離，我們的分層網(wǎng)絡兼顧了性能（Layer 2）、安全和去中心化（Layer 1）。

任何程序都有計算和狀態(tài)，區(qū)塊鏈上運行的程序（DApp）自然也不例外，在分層架構(gòu)上構(gòu)建應用時，需要考慮在哪里產(chǎn)生狀態(tài)，在哪里驗證狀態(tài)，在哪里保存狀態(tài)。由于狀態(tài)的生成和驗證分離，狀態(tài)生成的方法可以和驗證解耦，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 Layer 1 驗證，狀態(tài)的生成甚至可以是中心化的（事實上大部分 Plasma 協(xié)議中只有一個 Operator?。?。

Layer 1 應該做什么

我們在說「計算」的時候，實際上說的是「狀態(tài)生成」。在一般的計算模型里面，不存在信任和安全問題（我的 CPU 不會用假的結(jié)果騙我），所以生成就好，不考慮驗證；但是在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡里面，我們不僅需要生成，還需要驗證。Layer 1 的關注點應該是狀態(tài)的驗證和存儲，而不是狀態(tài)生成（希望你沒有被繞暈……）。

由此我們終于可以推出 Layer 1 應該做什么：

1. 需要一個安全的共識協(xié)議，范圍越大越好?；?PoW 的 Nakamoto Consensus 正是這樣一個協(xié)議，這是唯一一個在現(xiàn)實環(huán)境中經(jīng)過驗證的全球共識。

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

3. 需要能夠理解各種密碼學證明，因為區(qū)塊鏈協(xié)議是基于密碼學構(gòu)建的，Layer 1 與 Layer 2 之間傳遞的證明是密碼學證明。

4. 需要管理好狀態(tài)，因為經(jīng)過驗證的狀態(tài)會留在 Layer 1 上。這意味著我們需要一個關注狀態(tài)的經(jīng)濟模型。