區塊鏈:一文讀懂區塊鏈執行層、存儲層和共識層的擴容方案_HIBAYC

信任最小化是一種寶貴的安全屬性，而區塊鏈技術則擁有得天獨厚的優勢，可以實現這一屬性。區塊鏈基于計算機代碼、密碼學和去中心化共識來保障安全，并替代了握手、品牌聲譽以及紙面合約等傳統的協議機制。其安全保障也為加密事實奠定了基礎。

加密事實可以為應用和記錄的后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）。然而，區塊鏈一直以來都難以滿足許多應用場景對速度和成本的需求，在這兩個維度無法與傳統計算系統相媲美。區塊鏈在可擴展性方面的限制也使得用戶不得不支付高昂的交易費，這使得開發者不禁懷疑區塊鏈是否真的能支持高價值的應用場景，并實現實時數據處理。

區塊鏈的終極目標是覆蓋所有用戶和應用場景，因此可擴展性是其研發的重點，也是推動智能合約成為金融、供應鏈和游戲等傳統行業后端基礎架構的關鍵要素。下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，并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。

注：本文并沒有詳盡列舉所有區塊鏈擴容方案。由于區塊鏈的研發工作具有一定前沿性，因此目前各個解決方案仍在研發、測試、部署和更新階段。

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，并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。大多數區塊鏈網絡都由“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。?

區塊生產者會收集用戶提交的未經確認的交易，查看交易的有效性，并將交易放置在我們稱之為“區塊”的數據結構中。區塊生產者通常在工作量證明（PoW）區塊鏈中被叫作“礦工”，在權益證明（PoS）區塊鏈中被叫作“驗證節點”。PoW和PoS都是抗女巫攻擊的機制，可以一直維持區塊鏈賬本的穩健性并防止賬本被操控。

區塊生產者提交區塊后，區塊會被全節點接受或拒絕。全節點會獨立儲存區塊鏈賬本的完整副本，并不斷驗證新區塊，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，即使大部分區塊生產者都是惡意的，也可以保障網絡安全。在這個機制下，如果網絡中存在一定數量的誠實全節點，那么創建無效區塊就會變成一件吃力不討好的事情。?

以太坊自合并以來供應量減少超10萬枚:金色財經報道，Ultrasound.money數據顯示，以太坊自合并以來供應量減少超10萬枚，目前供應量減少為100134.11枚ETH。[2023/4/20 14:15:49]

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并獲得驗證

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。這是一種權力制衡機制，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，任何人都可以輕松加入全節點社區。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》。

降低硬件要求對于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于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“可擴展性難題”，即：傳統區塊鏈只能在可擴展性、去中心化和安全性這三個維度中的兩個維度上實現提升。

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舍

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并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，并且由盈利型企業運行。由于網絡由單一實體管理，并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。?

正因如此，傳統計算環境的信任模型基于的是品牌背書和法律合同。相比之下，區塊鏈的信任模式則基于的是密碼學和博弈論，參與者可以獨立驗證，并且可以直接參與網絡。由于傳統計算環境會受到外部影響，存在單點失效和單點控制風險，并且用戶無法對流程進行審核，因此它與區塊鏈網絡無法兼容。

這些問題對區塊鏈擴容都提出了根本挑戰：區塊鏈如何在速度和成本方面趕上傳統計算環境，又在信任最小化和去中心化方面保持原有的強大能力？?

區塊鏈擴容的三個關鍵特質

區塊鏈擴容可以大致分為三類，即：執行層、存儲層和共識層擴容。下文中為每個類別都做了詳細定義，并探討了其旨在解決的核心問題。實際上，在每一層實現擴容都同時會在另一層或另兩層實現擴容。

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：驗證簽名和通證余額），執行鏈上邏輯并計算狀態變更。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。?

前中國人民銀行副行長朱民：美聯儲本輪加息應該要結束了:金色財經報道，前中國人民銀行副行長、中國國際經濟交流中心副理事長、國際貨幣基金組織（IMF）前副總裁朱民在博鰲亞洲論壇2023年年會“通脹、滯脹與加息：鋼絲上的舞蹈”分論壇上表示，美聯儲在2022年太激進，到了2023年，美聯儲應該會停止加息。朱民表示，第一，金融穩定性是非常非常重要的，沒有空間再加息了，系統性非常的脆弱。第二，增長在放緩，通脹也看到了負面效應，所以美聯儲現在并沒有理由在近期再加息，美聯儲本輪加息應該要結束了。[2023/3/30 13:35:05]

區塊鏈執行層擴容通常指每秒處理的交易量（TPS），但是在更宏觀的層面，它指的是每秒處理的計算量，因為每筆交易的復雜性和成本都各不相同。網絡中處理的交易數量越多，任意時間點需要執行的計算量就更大。?

在擴容執行層的時候，主要問題是如何在每秒處理更多計算量，并同時無需大幅提高對全節點驗證區塊鏈交易的硬件要求。?

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余額以及變量。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），全節點可以輕松快速地訪問并更改。

全節點需要訪問歷史數據，以首次與區塊鏈同步，并且需要訪問全局狀態，以驗證新區塊并執行新的狀態變更。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并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。

隨著區塊鏈對存儲的要求越來越高，通常會導致狀態膨脹（state bloat）。如果出現狀態膨脹，全節點往往不得不升級硬件，否則就會很難與當前版本的賬本保持同步，而用戶也很難同步新的全節點。一些因素可能會導致區塊鏈出現狀態膨脹，比如賬本的歷史數據量、新區塊的添加頻率、每個區塊的最大空間以及為了驗證交易和執行狀態變更而必須儲存在鏈上的數據量。?

在擴容存儲層的時候，主要問題是如何讓區塊鏈既能處理并驗證更多數據，又不用提高對全節點的存儲要求。也就是說，在不顛覆區塊鏈信任假設的前提下可以將數據長期儲存在哪里呢？?

區塊鏈共識層

區塊鏈共識層指去中心化網絡中的節點對區塊鏈當前狀態達成一致協議的地方。共識的關鍵是保證多數節點是誠實的，并最終實現終局，即：準確地處理交易，并在最大程度上確保交易不會被撤回。區塊鏈共識層的設計原則通常是在最大程度上降低通信成本，以提升去中心化水平的上限，實現更強大的拜占庭容錯機制，并縮短終局時間。

在擴容共識層的時候，最主要的問題是如何提高終局速度，降低成本，并進一步實現信任最小化。而這一切的大前提是要保障可預測性、穩定性以及準確性。

Yuga Labs 在 Bored Ape NFT 商標訴訟中達成和解:2月7日消息，BAYC 母公司?Yuga Labs?與為 Ryder Ripps 的 BAYC 仿盤 RR/BAYC 系列建立網站和智能合約的 Thomas Lehman 達成訴訟和解，和解條款包括禁止 Thomas Lehman 以任何方式使用任何 BAYC 標志、銷毀他擁有或控制的任何公開顯示 BAYC 標志的材料以及銷毀他擁有的任何 RR/BAYC NFT。

金色財經此前報道， Yuga Labs 因 NFT 藝術家 Ryder Ripps 在“RR/BAYC”NFT 系列中使用“無聊猿”圖像對其發訴訟，但僅指控其涉嫌虛假廣告、商標侵權和域名搶注且并未涉及版權糾紛。（CoinDesk）[2023/2/7 11:51:22]

執行層擴容

以下是目前區塊鏈執行層的五種擴容方案，以及每種方案的優劣勢。在實際操作中，有些方案會合并在一起，以提升執行效果。

提升驗證節點的硬件要求，實現縱向擴容?

可以通過提高區塊生產者的硬件要求來擴容區塊鏈執行層。硬件要求更高，意味著每個驗證節點都可以在每秒執行更多計算。

優勢：建立一個去中心化的網絡，其中所有節點都擁有強大的計算能力。這樣一來，區塊鏈就可以擴大區塊空間，加速區塊生成，降低交易成本，并同時仍然保障區塊鏈和智能合約的核心優勢，即：信任最小化水平優于傳統的計算環境。此類區塊鏈尤其適用于高頻交易、游戲以及其他對延遲比較敏感的應用場景。

劣勢：對驗證節點進行縱向擴容會限制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于摩爾定律，即：芯片上的晶體管數量每兩年會翻一倍，而計算成本則會減半。全節點成本上升也會導致直接驗證鏈上活動的終端用戶成本上升，因此會削弱信任最小化。

打造多鏈生態，實現橫向擴容

除了縱向擴容之外，也可以利用多個獨立的區塊鏈或某一區塊鏈生態的側鏈來進行橫向擴容。橫向擴容可以將某一生態中的交易計算量分散到多個獨立的區塊鏈上，每條連都擁有自己的區塊生產者和執行能力。

優勢：多鏈生態可以充分定制化每條鏈的執行層，比如節點硬件要求、隱私功能、gas費用、虛擬機以及許可設置等。正因如此，多鏈生態有時候會產生dApp專屬的區塊鏈，某條區塊鏈會專門支持某個dApp或一小群dApp。擁有自我主權的區塊鏈還可以隔離安全風險，即：一條鏈的安全性不一定會蔓延到生態中的其他鏈。

劣勢：多鏈生態需要每條區塊鏈都通過不斷發行通脹性的原生通證來建立自己的安全機制。雖然這個模式對于早期區塊鏈來說是正常的，但也很難過渡到通過鏈上用戶費盈利的更可持續的經濟模式，因為用戶費往往會分散在各個不同的區塊鏈上，難以實現規模效應。而且由于交互的dApp和通證不一定在同一條鏈上，因此也存在兼容方面的問題。

將執行層分片，實現橫向擴容

另一個類似的擴容方案就是將一條區塊鏈分成很多片，并行執行。每個分片其實都是一個區塊鏈，也就是說許多區塊鏈可以并行執行。另外，還會有一條主鏈，其唯一的任務就是保持所有分片同步。?

在執行分片時，驗證者池也會分散到各個分片上去執行交易。節點會定期隨機輪轉，因此不會總是執行/驗證同一個分片上的交易。而且分片數量也會進行配置，確保任何一個分片發遭受攻擊的概率都接近零。

機構評美聯儲利率決議：這份有關就業市場的聲明表明，美聯儲現在只需要解決通脹問題:7月28日消息，機構評美聯儲利率決議：這份有關就業市場的聲明表明，美聯儲現在只需要解決通脹問題，而不需要平衡增長風險。一些人指出，最近初請失業金人數的上升表明勞動力市場正在惡化。但SGH宏觀顧問公司的首席美國經濟學家指出，這可能是由于季節性調整。當季節性因素消退時，未來幾周發生的數據將提供更多信息。在就業市場明顯放緩之前，美聯儲繼續收緊政策相對容易。(金十)[2022/7/28 2:42:07]

優勢：所有執行層的分片會從同一個節點池抽取節點，因此無需在新的分片上建立安全機制。如果節點池規模夠大，每個執行環境都可以達到同樣的安全水平。執行層分片也不需要提高節點的硬件要求，因為節點一次只需要執行一個分片上的計算任務。分片可以在同一個虛擬機上運行，也可以使用不同的配置參數，滿足特殊用例的需求。?

劣勢：由于所有節點都必須能支持每個分片上的計算，因此分片在靈活性上存在限制。另外，由于主鏈上的計算需求會越來越大，以及每個分片上分到的節點數量可能不夠，因此一條區塊鏈可以支持的分片數量也存在上限。除此之外，由于采用了共享安全模式，所有分片都可能會出現同樣的安全漏洞，因此在負載平衡和實現風險方面會存在一定問題。

在多鏈生態中，不同區塊鏈一般不會共享同一個安全機制，然而不同的分片之間會共享同一個節點池，因此也會共享同樣的安全機制

通過模塊化實現橫向擴容

另一種橫向擴容方案就是模塊化區塊鏈。這個方案將區塊鏈的基礎架構劃分成執行層、數據可用性層（DA）以及共識層。最主流的區塊鏈模塊化機制就是rollup。該機制將計算和狀態轉移到鏈下網絡，并在鏈上儲存交易數據。然后會使用零知識證明（zk-rollup）或欺詐證明（optimistic rollup），對在鏈下計算的狀態變更結果進行鏈上驗證。?

優勢：模塊化區塊鏈將交易執行和狀態轉移到成本更低、更精益化以及吞吐量更高的計算環境中，并同時得以保留底層區塊鏈的安全屬性。這是因為共識層在驗證執行層鏈下計算時仍然基于原有的去中心化底層區塊鏈（即L1）。也就是說，由于全節點無須再執行每一筆交易，因此可以更高效地利用底層區塊鏈的計算帶寬。全節點只需要驗證簡潔證明并儲存少部分交易數據即可。??

Rollup還可以設置熔斷機制，以實現信任最小化。如果一個rollup網絡無法正常運行，用戶可以提取自己的加密資產并提交至底層區塊鏈。許多模塊化網絡還可以分攤用戶成本。在底層區塊鏈上驗證zk-rollup的證明需要支出一筆固定成本。隨著使用量增加，這筆成本可以由更多用戶共同分攤，因此每個用戶的共識成本會相應減少。另外，rollup還具有1/n的信任模式，即：即使只有一個誠實節點也能保障計算的準確性和穩健性。

劣勢：大部分模塊化方案都會以底層區塊鏈作為安全保障，但底層區塊鏈的區塊空間通常比較有限而且成本也更高，因此這個方案可能相比側鏈或單獨的區塊鏈速度更慢或成本更高。目前的模塊化方案通常還存在升級風險，需要來自rollup以外的治理干預，因此無法保障不可篡改性。最后，運行rollup或其他模塊化區塊鏈比運行單獨的區塊鏈更具創新性也更復雜。

近24小時內有4,413.43枚BTC流出交易所錢包:金色財經消息，據coinglass數據顯示，近24小時內有4,413.43枚BTC流出交易所錢包，近7天有18,955.49枚BTC流出交易所錢包，近30天有103,699.77枚BTC流出交易所錢包。截至發稿時，交易所合計錢包余額為2,202,512.24枚BTC。[2022/7/4 1:48:31]

有人提出通過模塊化來擴容以太坊，將其劃分成執行、數據可用性和共識層（資料來源）

支付和狀態通道

支付和狀態通道可以實現區塊鏈擴容。用戶將cryptocurrency鎖定在一個多簽智能合約中，然后在鏈下交換簽過名的消息，消息代表了資產所有權轉讓或狀態變更信息。整個過程中無需發起任何鏈上交易。用戶只有在創建通道和關閉通道時才需要發起鏈上交易。

用戶可以通過多簽合約對每筆交易進行加密簽名，以此來保障通道中的結算正確無誤。每個簽名都會有一個nonce，智能合約可以通過nonce來驗證交易順序是否正確。

優勢：支付和狀態通道可以實現實時且零成本的cryptocurrency轉賬，而且幾乎不存在延遲。支付通道可以實現小額付款，而這個功能在底層區塊鏈通常是無法實現的。另外，支付通道還可以將cryptocurrency鎖定在通道中，如果雙方合作順利，就可以快速在鏈上結算。

劣勢：狀態/支付通道需要每個參與方都保持聯網狀態，以確保交易對手方不會使用舊消息在鏈上進行結算。也就是說，watchtower要持續對通道進行監控并保護用戶資金安全。支付通道還需要預先充值，因此大額支付就會很麻煩，而且資金效率會很低。?

另外，很難在各個通道之間高效地調度支付任務，因此可能導致轉賬失敗，或者為了確保用戶可以獲得充足的流動性或高效的路徑而創造出更中心化的模式。總而言之，狀態/支付通道在一組已知的靜態參與者中運行效果最佳，但在一組不受限的動態參與者中則無法發揮作用。還有一個問題就是所有權，通道往往很難或無法代表沒有明確所有者的物品（比如：DEX的流動性池）。

擴容數據存儲層

以下是目前擴容區塊鏈存儲層的六種方案。在實際操作中，有些方案會合并在一起，以更好地提升存儲能力。

縱向擴容區塊鏈節點

與縱向擴容區塊鏈執行層一樣，縱向擴容區塊鏈存儲層也需要升級全節點的硬件。?

優勢：區塊鏈提高全節點的存儲上限，可以大幅降低存儲成本。全節點可以儲存更多歷史數據和狀態。將數據直接儲存在全節點，無需依靠額外的存儲層或外部存儲系統，因此訪問鏈上數據會更方便。

劣勢：隨著時間推移，鏈上會儲存越來越多的數據。因此全節點的運行成本就不斷上升，而這將威脅到區塊鏈的去中心化水平。一旦去中心化水平降低，用戶就會獲得更低的信任最小化保障，無法充分保障數據的可用性和準確性。狀態膨脹還會導致區塊執行速度降低，這將為網絡造成更大的壓力。?

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數據分片。數據分片將賬本數據或重建賬本所使用的數據分成不同分片，降低對每個節點的存儲要求。

優勢：數據分片可以提升區塊鏈的存儲能力并降低存儲成本，而且無需提高對節點的硬件要求。這個方案可以降低用戶運行節點的門檻，因此可以維持去中心化水平。數據分片還可以提升rollup的存儲能力，rollup會將交易數據儲存在底層區塊鏈上，以重建rollup狀態。另外，Darksharding等方案還可以建立一個合并費用市場，以更好地平衡數據負載量并輸入數據。?

劣勢：由于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，還需要實現數據可用性采樣（DAS），驗證用于重構部分賬本的歷史數據在出塊時的可用性，同時節點無需親自下載所有數據。除此之外，數據分片還會產生通信成本，當節點輪轉到其他分片時互相需要交換存儲數據。另外，還需要靠大量節點來維持較高的安全性，也就是說每個分片都要維持一定的去中心化水平，因此整個節點池的規模要非常大。

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，然后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。

優勢：將壓縮過的數據儲存在鏈上對于模塊化區塊鏈來說是最安全的數據存儲方案，因為網絡中的所有節點都會儲存數據。另外，這樣做還能降低底層區塊鏈上的數據存儲成本。rollup實現了數據分片后，就可以更高效且更低成本地將交易數據儲存在鏈上，并隨著使用量增加而更好地實現擴容。?

劣勢：鏈上存儲的成本要遠高于鏈下存儲，這可能會使模塊化區塊鏈在可擴展性方面不如更加中心化的存儲方案。壓縮數據可能還會損失一些對驗證不是至關重要的數據，因此用戶可能無法基于剩余的數據對鏈上活動進行更加細致的分析。

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，并在鏈下儲存數據。目前，模塊化區塊鏈主要采用四種鏈下數據存儲方案：

中心化存儲——在鏈下中心化的平臺上儲存數據。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臺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，并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——在鏈下儲存數據，使用無需許可的DAC提供鏈上證明，采用加密經濟激勵機制來激勵誠實行為。無需許可的DAC的成本低于鏈上存儲方案，而且安全性高于其他鏈下存儲方案。它的缺點是，安全性仍然不如鏈上存儲方案，而且目前還未實現大規模應用以及可持續的經濟模式。

Volition——用戶可以自行選擇將交易數據儲存在鏈上或鏈下。Volition具有一定創新性，因為它在交易層面提供了數據可用性方案，并同時讓所有交易都共享同樣的狀態根并分攤共識成本。然而，這個方案比上述其他方案更復雜，而且目前還沒有落地。

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。由于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，那么就無需再儲存歷史數據。

劣勢：數據修剪需要依靠交易平臺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，由于這是一個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。由于PoS提供了檢查點和弱主觀性，因此這個假設的意義就不大了。然而，這些數據仍然對鏈上分析和區塊瀏覽器有一定價值。

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，并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。

狀態租金——用戶需要支付租金，以獲得有限的狀態存儲空間。沒有支付租金的狀態將被收回并租給新用戶。

優勢：這些方案對狀態存儲要求設置了限制，最終有助于限制節點的狀態存儲量。這可以緩解狀態腫脹，有效應對賬本不斷擴大或鏈上交易數量不斷增多的情況。限制狀態存儲可以很好地在長期實現終端用戶驗證并同時維持較低的硬件要求。?

劣勢：限制狀態存儲具有一定創新性，用戶無需單次付費，讓網絡中的每個節點都永久儲存自己的狀態信息，這與目前區塊鏈的運行模式差異非常大。另外，區塊鏈要從傳統的狀態存儲模式升級到限制性更高的狀態存儲模式并非易事。一些狀態可能無法隨時訪問，因此可能會影響某些應用在開發階段的具體假設。新的狀態存儲模式還可能會提高某些應用的成本。

擴容共識層

下面是擴容區塊鏈共識層的四個關鍵目標，這些目標涉及出塊速度、終局速度以及應對節點下線或惡意攻擊的穩健性。這里要注意的是，擴容共識層不僅是為了提高速度，還是為了提升準確性、穩定性以及安全性。

提升執行和存儲能力

升級區塊鏈共識機制的一個基本要素就是提升計算和存儲能力，并同時基本維持對全節點的硬件要求。這樣做可以在賬本不斷擴大的過程中讓更多節點能參與共識，或至少防止現有節點離開網絡，可以有效針對運行時間、抗操控能力、精準性和安全性更好地達成共識。如果執行和存儲能力可以得到大幅提升，同時不會對全節點產生太大影響，那么區塊鏈甚至可以穩定地實現更高的出塊速度和更大的區塊空間，并且無需犧牲核心的去中心化特質。

減少網絡帶寬使用

另一種擴容區塊鏈共識機制的方式是減少網絡帶寬使用，即：降低全節點達成共識所需的通信成本（也是收發消息的成本）。節點要達成共識，無需與所有其他節點通信（即：all-to-all投票），而是只需在任意時間與一小部分節點通信即可（即：重復抽樣投票）。有些共識機制不采用多輪投票或通信機制，而是只需要在區塊傳播時進行通信，但這往往會導致非確定性的終局。

降低網絡延遲?

有一些方案的重點是降低共識期間的網絡延遲，特別是加速終局。一些區塊鏈共識機制通過多輪重復抽樣或all-to-all投票來實現即時終局。其他區塊鏈則設置了檢查點，并由驗證者在一段時間后達成共識來保障安全。這意味著區塊在通過檢查點后即被認為終局，之后再也無法在協議內展開區塊重組。網絡延遲和網絡帶寬之間必須要做出一定權衡，不過也有一些混合型方案在兩者之間都實現了優化。

提高安全預算

還可以通過提升安全預算來擴容信任最小化的共識層，為參與共識的節點提供激勵。常見的方式是提供流動性、發放通證獎勵或由于區塊空間供不應求而提高交易費收入。提高安全預算會為參與者帶來更多潛在收入，這也會提升網絡的去中心化水平，因為會有更多節點受到經濟激勵而加入網絡。區塊鏈還可以要求節點質押更多通證或提供更多算力，以參與共識機制。不過如果門檻設得太高，可能會降低網絡的去中心化水平。

可擴展性和安全跨鏈的未來發展前景

區塊鏈擴容目前正處于關鍵發展階段，正在開發、測試并發布一系列豐富的解決方案。區塊鏈目前的發展重點是在保障信任最小化的前提下實現擴容，勢必將成為各個行業和應用場景首選的后端基礎架構。

為了對不斷發展的多鏈生態提供支持，Chainlink正在積極開發跨鏈互操作性協議（CCIP），幫助用戶以自定義的邏輯安全地跨各個區塊鏈傳輸數據和通證。CCIP的關注重點是安全性，并創建了一個反欺詐網絡，實現跨鏈智能合約和安全的通證橋，并同時維持區塊鏈原有的信任假設。更多關于CCIP的信息，請閱讀《CCIP解鎖跨鏈智能合約創新》。

CCIP的基礎架構

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