為什么區塊鏈并不是天然Layer 1

從分層的角度來看，現有的區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，讓上層協議來適應自己。然而區塊鏈并不天然是 Layer 1，Layer 1 是需要設計的。在分層的大框架下，上層協議和分層網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濟網絡。這樣一個出發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展方向，我們應該從一開始就考慮到上層協議和分層網絡的需求，在分層的大框架下設計區塊鏈協議。

換句話說，從分層的角度來看，現有的區塊鏈設計方式都是過時的。現有的區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，讓上層協議來適應自己。然而如果我們閱讀互聯網的歷史就知道，今天互聯網的協議分層不是這樣打補丁打出來的，相反是在吸收過去經驗之后基于分層的思路重新設計出來的（是的，互聯網協議也是分層的，我們說的 TCP/IP 實際上是兩個協議的名字）。Nervos Approach 是向互聯網學習的產物。

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

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議的區別。Layer 2 起源于我們發現公有鏈（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塊鏈來保證安全的 Layer 2 協議，例如支付通道（Payment Channel），Plasma，etc.

這些協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移到共識范圍更小，但是性能更好的上層協議中，并且保證上層協議的參與者總是可以在不滿意的時候退回到區塊鏈上來解決問題，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 協議與 Layer 1 交互的模式，我們還會發現，Layer 1 負責的是狀態共識（存儲），Layer 2 負責的是狀態生成（計算）。

計算與狀態

程序員的世界中有一個流傳甚廣的公式：程序 = 算法 + 數據結構。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）與數據（計算的對象）。而數據又可以分為兩種，程序輸入（外部數據）和狀態（內部數據）。

計算機科學中的「狀態」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據。程序中有變量，變量通常代表著內存中的一個可以存放數據的位置，這個位置的內容就是程序的狀態。一段程序的輸出完全取決于它的輸入和其開始執行時的狀態。計算（CPU）、輸入/輸出（IO）與狀態（內存）構成了完整的馮諾依曼體系，今天最流行的計算架構。

為什么區塊鏈并不是天然Layer 1

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 發送交易建立通道，鎖定特定的狀態，鎖定的狀態只有用 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

2. 雙方通過鏈外的網絡連接（Layer 2），產生并交換新的狀態，各自簽名

a. Alice → Bob 0.5 BTC，Alice/Bob 在本地保存的新狀態為（0.5， 1.5）

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

c. …

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

3. 向 Layer 1 發送最終的狀態，Layer 1 驗證最終提交的狀態有 Alice/Bob 雙方的簽名，更新鎖定的狀態為（0.2， 1.8）并解鎖

為什么區塊鏈并不是天然Layer 1

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：新狀態的生成，新狀態的驗證。前者發生在 Layer 2，而后者發生在 Layer 1。如果我們觀察其他的 Layer 2 協議，例如 Plasma 或者是 TrueBit，很容易得到類似的結論。正因為 Layer 1 會驗證 Layer 2 產生的狀態，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」）。

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

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