Layer Zero 发布 Zero 链：去中心化的多核世界计算机

Zero 引入了首个多核世界计算机，这是对限制当前区块链的单线程、同构架构的根本性背离。通过利用零知识（ZK）证明来将执行与验证分离，Zero 将网络从冗余复制转变为异构架构。这种结构性转变允许两种不同的验证器类别：能够在低端消费级硬件上运行的轻量级区块验证器，以及可选的更高性能的区块生产者。

该系统通过解决四个主要的瓶颈，实现了每个 Zone 实用性扩展路线图，达到每秒 200 万笔交易（TPS）。这些解决方案包括用于状态存储的 QMDB，用于并行计算调度的 FAFO，用于实时 ZK 证明的 Jolt Pro，以及用于高吞吐量网络的 SVID。Zero 提供了一个统一的、水平可扩展的环境，其中多个原子性 Zone 的功能类似于现代 CPU 上的并发进程。最终结果是一个去中心化的基础设施，可以为中心化的云服务提供商提供可信的替代方案。

什么是区块链

要了解 Zero 的工作原理，你必须首先了解区块链的基础知识。

区块链是分组到区块中的有序交易列表。每个区块都链接到前一个区块，历史记录保持安全和永久。为了找到网络的当前状态，系统针对一组特定的规则运行这些交易。每个新区块都会更新状态。

状态以加密方式概括为可验证状态根（S），并存储在区块链中。状态根允许你验证信息，例如你的帐户余额，而无需重新运行交易。

是什么让区块链如此特别？

与数据库相比，这些本质上并没有什么特别之处。区块链的独特之处在于去中心化。不是由中央机构，而是由各种各样的无需许可的参与者（也称为验证者）对状态达成一致。群体越大，分布在不同的司法管辖区和客户端，网络就越强大。

他们遵循共识协议，以对每个区块达成绝大多数协议。这确保了即使某些验证者试图攻击网络，网络也能保持安全。区块链之所以有效，是因为足够大的群体总是可以就真相达成一致，即使某些成员损坏或试图作弊。

区块链的原则

中本聪创建比特币是为了直接应对 2008 年的金融危机。那次崩溃证明，不能信任中心化银行和政府来保障我们的集体安全。

目标是用建立在经济激励基础上的去中心化系统取代建立在信任基础上的系统。在这个模型中，我们不需要验证者是“好”的。我们只需要他们是理性的。通过假设每个参与者都将追求自己的经济利益，系统会将个人寻求利润转化为保护网络的力量。

这些系统的定义由三个核心原则组成：

• 去中心化：不存在单点故障。

• 无需许可：没有人可以阻止你参与协议。

• 抗审查：没有任何单一机构可以阻止或撤销你的交易。

这种转变通过自我托管将权力还给个人。当你持有自己的私钥时，你的财富就属于你。中心化参与者失去了扣押、冻结或赌博你的资产的能力。这是与过时系统的最终决裂，在过时的系统中，你的钱只是银行资产负债表上的一项负债。

以太坊的崛起

这些核心原则导致了其他区块链的出现，它们希望提供不仅仅是价值存储的东西。这引发了以太坊的崛起。它的目标是构建一个可信的中立和可编程的世界计算机。这是一个新的、去中心化的、无需许可的互联网的出现。

从验证者的角度来看，以太坊仅运行一个应用程序：以太坊虚拟机（EVM）。

你可以将 EVM 比作像 MacOS 这样的操作系统。当计算机运行 MacOS 时，硬件无法识别你使用的特定应用程序。它只运行操作系统并按照操作系统提供的指令进行操作。EVM 的工作方式相同。它允许开发人员通过使用智能合约来启动应用程序。

第一个真正的成功是金融。开发人员构建了无需银行即可运行的金融应用程序。当然，人们也尝试构建其他一切，包括社交媒体和游戏。

但他们遇到了一堵墙。在区块链上运行这些应用程序比使用传统的“Web2”服务要昂贵得多。随着越来越多的人加入，世界计算机无法跟上。最终，即使是金融应用程序也难以增长，因为系统太慢而且费用太高。

去中心化互联网的梦想是真实的，但基础设施尚未准备好应对这种规模。为什么它无法扩展？

在以太坊中，验证者轮流提议新的区块。当选择一个验证者时，他们将交易捆绑在一起以创建一个区块。然后，其余验证者必须同意它。

以太坊的问题在于它不是很有效。为了保持同步并验证状态，网络中的每个验证者都必须下载并重新运行每个交易。

如果你发送一个交易，世界各地成千上万台计算机都会进行完全相同的数学运算来确认你的帐户余额。这种不断重复的工作会造成巨大的瓶颈。由于网络的速度仅与最薄弱的环节一样快，因此它无法扩展。

原则不是免费的

为了保持去中心化，以太坊必须保持其硬件要求适中。这确保了几乎任何人都可以从家中运行节点。然而，这造成了一个主要的瓶颈：世界计算机只能像一台低功耗计算机一样快速移动。

当太多人同时使用网络时，他们必须竞争每个区块内有限的空间。这引发了一场竞价战。用户必须支付更高的费用才能使用区块链。

这使得该网络对于除高价值交易之外的任何事物来说都过于昂贵。随着系统变得越来越流行，它实际上对游戏或社交媒体等日常应用程序变得越来越无用，因为其用户无法负担这些费用。

由于以太坊选择优先考虑适度的硬件要求，因此新的竞争对手涌现出来，以提供更高性能的“世界计算机”。进入：Solana。

Solana 的崛起

与以太坊一样，Solana 运行自己的应用程序，称为 Solana 虚拟机（SVM）。Solana 大大提高了验证者的硬件要求以提高性能。这使得网络可以每秒处理数千个交易，但这是以核心原则为代价的。

通过提高硬件门槛，Solana 使参与成本大大增加。Solana 的要求非常高，以至于只有那些拥有专门的专业设置的人才能负担得起运行验证者。这使得系统从广泛的去中心化转向一个规模较小、集中度更高的资金雄厚的运营商群体。

同质性

架构缺陷在所有区块链中都是相同的。它们是同质的。普遍的信念是，要成为一台世界计算机，网络中的每个节点都必须下载、处理并对每个交易达成共识。为此，每个节点必须相同。随着你调整网络以获得更高的性能，这会大大增加成本。从本质上讲，如果不在损害核心原则的情况下，这种架构将无法扩展。

高贵的谎言

2020 年，以太坊面临着生存威胁。新的区块链正在选择性能而不是核心原则。以太坊自己通过分片来扩展其 Layer 1 (L1) 的计划进展太慢，并且该网络正在失去其领先地位。

由于无法快速扩展 L1，以太坊将其战略转移到以 Layer 2 为中心的路线图。这些 Layer 2 (L2) 或 rollups 是将数据发布到 L1 的中心化区块链。以太坊承诺这些系统最终将继承 L1 的去中心化和安全性。

但存在一个根本性的缺陷。L2 永远无法放弃对区块排序、智能合约逻辑和功能路线图的控制权。

所有区块链都通过验证者达成共识来升级其应用程序而发展。但是，如果不失去此能力，L2 无法继承 L1 的安全性。为了真正受到 L1 的保护，L2 需要放弃其升级权限，使其逻辑被锁定且不可变。

这产生了一个悖论，证明 Layer 2 的承诺一直是一个谎言：

• 如果 L2 被锁定且去中心化：它会变成一个死胡同。与其他所有不断发展的网络相比，它无法创新或适应，这使其变得无关紧要。

• 如果 L2 可以升级：它是中心化的，并且由一小群有权更改规则的人员控制。

以太坊告诉我们这个谎言是为了应对一个残酷的真相：他们放弃了自己的原则以保持竞争力。他们停止构建世界计算机。相反，他们将用户从去中心化、无需许可和抗审查的区块链推向中心化、可审查的区块链，并称之为扩展。

正是这个谎言驱使我们制造了 Zero。

计算、存储和网络

它从最基本的开始。像任何计算机一样，区块链受到三件事的限制：

• 计算：运行代码以将输入转换为输出。

• 存储：保存和检索输出。

• 网络：与其他计算机和互联网通信。

要提高任何系统的性能，你必须在这三个领域之间进行权衡。

计算和网络的压缩

在标准区块链中，每个验证者都必须下载并运行每个交易，以确保数据的正确性。这就是复制问题。它不仅会造成瓶颈，还会增加成本，并给验证者带来下载和处理所有内容的巨大负担。

零知识（ZK）证明解决了这个问题。它们允许你以数学方式验证输出的正确性，而无需自己运行代码。代替每个验证者重新运行每个交易，他们只需验证一个小的证明并跳过该工作。

这意味着验证者不再需要重播历史记录。事实上，他们甚至不需要下载每个区块的原始数据，只需要证明交易存在即可。我们意识到可以免除计算和网络的复制，这导致了 Zero 不可避免的设计。

从同构到异构架构的转变

每个去中心化的区块链都从同一件事开始：一组验证者对交易区块达成共识。Zero 没什么不同。

在现有的区块链中，每个验证者都通过单个应用程序运行这些交易，例如 EVM。Zero 在概念上执行相同的操作。我们将 Zero 的应用程序称为原子性 Zone。

Zero 的不同之处在于，验证者下载数据和计算证明，而不是下载和重新运行每个交易。这大大降低了每个验证者的带宽和计算要求。

这是历史上第一次，单个区块链的验证者不必重复相同的工作。这是解锁定异构架构的结构性突破。

其他每个区块链都采用同构设计运行。在这些系统中，节点是下载相同数据并重播每个交易的相同克隆。虽然这可以使链保持同步，但它会将网络困在冗余体力劳动的循环中。

如果 Zero 在同一同构框架内利用 ZK 证明，那将是设计的失败。ZK 证明在几毫秒内即可验证，因此每个验证者都会立即完成其任务，然后闲置，从而浪费了他们被迫提供的资源。

为了利用 ZK 解锁，Zero 将网络分为两个不同的功能类：区块生产者和区块验证者。

• 区块生产者轮流构建区块、执行状态转换和生成加密证明。

• 区块验证者只是摄取区块头并验证证明。

这种转变从根本上改变了网络的经济要求。在以太坊中，每个验证者都必须拥有运行完整 VM 的计算能力。这种大规模的冗余迫使维护该规模的网络的总成本每年约为 5000 万美元。

Zero 消除了克隆每个节点的要求。通过将执行与验证分离，吞吐量和去中心化程度与以太坊相同的网络可以以不到 100 万美元的价格运行。全球范围内的去中心化并非来自使验证者更强大，而是来自使验证者做更少的事情。

去中心化

区块生产者将交易捆绑到区块中并生成证明以提高性能。但是，验证者对接受哪些区块具有最终决定权。这可以防止任何单个区块生产者充当看门人，并确保原子性 Zone 具有抗审查能力。

Zero 由委托权益证明保护。ZRO 质押者将其代币委托给运行网络的验证者。为确保每个人都可以参与，我们取消了高最低质押要求并取消了自动共识层削减。这创造了一个公平的竞争环境，消除了通常将家庭验证者推向巨型质押池边缘的系统性经济障碍。

相同的逻辑适用于网络的管理方式。任何重大变更，例如协议升级或添加新的 Zone，都需要质押者进行链上投票。这就是为什么 Zero 是一个单一的安全区块链：没有外部委员会可以升级 Zone，它完全归去中心化治理层所有。但我们知道，大多数人没有时间审计复杂的代码或经济白皮书。为了解决这个问题，Zero 使用参议员模型。

• 专家指导：参议员是密码学和经济学等领域的公认专家，他们与 Zero 的使命保持一致。

• 智能委托：作为质押者，你可以将你的投票权委托给你信任的参议员，确保网络由知情决策指导。

• 非托管：你永远不会失去发言权。你可以随时覆盖委托并直接对任何提案进行投票。

此设置允许网络从精英专业知识中受益，同时将最终权力保留在应有的位置：利益相关者手中。

从单核到多核

如果 Zero 的架构可以在仅使用以太坊一小部分资源的同时与以太坊的去中心化相匹配，那么它将开启一个重大的新机会。从本质上讲，Zero 在桌面上留下了大量的网络功率和计算能力。

大多数区块链都是单线程的。它们的行为类似于只有单核处理器的旧计算机，一次只能运行一个应用程序。由于网络中的每个节点都必须重复每个指令，因此整个世界计算机都受到该核心速度的限制。

Zero 打破了这种限制。由于我们不再浪费资源进行重复工作，因此网络可以自由地并行运行许多应用程序。这使得系统可以一次处理大量的交易，而不会减慢速度。

可以将其视为从单核处理器到多核处理器的飞跃。在旧模型中，如果你想运行一个新应用程序，你必须与其他人争夺相同的有限周期。Zero 有能力在不同的原子性 Zone 中同时运行数百个应用程序。

通过转向多核架构，我们不仅仅是扩展单个应用程序，而是扩展整个生态系统。Zero 可以在一个 Zone 中运行高频交易所，在另一个 Zone 中运行社交媒体协议，在第三个 Zone 中运行私人支付系统，而无需它们争夺相同的资源。

区块链中的四个性能瓶颈

两年半前，这就是我们着手使用 Zero 构建的架构。我们最初的目标是创建一个与以太坊一样去中心化、无需许可且具有抗审查能力的区块链，但具有 Solana 的性能。为了实现这一目标，我们必须从第一性原理上解决困扰该行业的扩展瓶颈。

我们的旅程始于同时攻击存储和 ZK。

存储突破：QMDB

除了计算和网络之外，状态存储是扩展的最大瓶颈之一。多年来，该行业一直认为区块链必须使用基于 trie 的数据结构。这些结构非常低效，因为它们将 trie 结构写入磁盘，从而浪费了现代 SSD 的高速潜力。

我们意识到解决方案是数据架构的根本性转变。我们没有遵循传统的 trie 模型，而是转向了基于日志的、仅附加的结构，该结构专门为现代 SSD 的高速 IO 而设计。然后，我们将可验证性直接分层在此优化的基础上。

结果是 QMDB，世界上最快的可验证数据库。它的设计在理论上是最优的 92%，允许它每秒处理 300 万次更新。

这种性能不仅仅是边际改进。它比现有的区块链状态数据库快 100 倍，比 Facebook 的 RocksDB 快 6 倍。我们之前认为 Solana 的吞吐量是可能实现的上限，但 QMDB 证明存储不是瓶颈，并且上限足够高，可以支持像纽约证券交易所这样每秒超过 200 万笔交易的应用程序。这个数字成为我们系统中每个剩余瓶颈的目标。通过解决存储问题，Zero 消除了实现真正全球规模的第一个物理障碍。

计算：使用 FAFO 提高上限

一旦 QMDB 达到每秒 300 万次更新，很明显，吞吐量的理论上限远高于行业标准所建议的水平。通过优化存储，主要瓶颈转移到计算。具体来说，网络需要一种处理交易的方法，而不会出现传统区块链工作负载中固有的调度冲突。

大多数区块链按顺序处理交易。即使任务不相关，它们也会被迫进入单行文件以防止错误。无论提供多少硬件，这种顺序要求都会阻止系统扩展。

我们发明了 FAFO（Formation Optimization 之前的快速前进）来解决这个问题。FAFO 实现了并行执行，类似于 Solana，但在我们复杂的调度算法和卓越的开发人员体验方面存在关键差异。虽然 Solana 要求用户或开发人员手动指定交易将触及哪些存储槽，但 FAFO 会自动执行此分析。它识别非冲突交易并对它们进行重新排序以进行并行执行，而不会将负担转移给用户。

虽然 FAFO 不会消除对存储热点的争用，但它会隔离其性能影响。这可确保对一个特定应用程序的需求激增不会增加其他应用程序的成本。无论其他地方的拥塞情况如何，非竞争应用程序都可以继续访问廉价的区块空间。

架构的转变意义重大。FAFO 实现了比 BNB 链快 2,500 倍的性能，单个节点超过每秒 120 万个 EVM 交易。通过消除串行执行，EVM 终于可以扩展了。

ZK：使用 Jolt 进行扩展

在构建 QMDB 的同时，我们还评估了零知识（ZK）领域。我们发现，大多数现有的 zkVM 都已接近其生命周期结束；它们构建在老化的架构之上，无法满足我们对全球规模的要求。在这些选项中，我们确定 Jolt 是一种新兴且有前景的框架，我们相信它能够为世界计算机提供动力。Jolt 的架构从根本上比其他证明系统更简单、更高效。我们组建了一支世界一流的密码学家团队，在此基础上创建了 Jolt Pro，它以每个单元超过 1.61GHz 的速度证明 RISC-V，并制定了到 2027 年达到 4GHz 的明确路线图。

从这个角度来看，4GHz 相当于现代高端 CPU 上的单核。我们可以无限扩展这些单元，并且仅受数据中心中 GPU 数量的限制。

Jolt Pro 证明 RISC-V 的速度比现有的 zkVM 快约 100 倍。这种飞跃最终使实时可验证计算成为可能。

网络：最后的瓶颈

解决了存储、计算和 ZK 后，我们只剩下最后一个障碍：容错的区块存储。标准区块链受到瓶颈的限制，因为每个验证者都必须下载每个交易。在我们的架构中，验证者只需要一个交易承诺和一小部分交易数据。这是一个微小的加密指纹，证明数据是可检索的，这是一个大大减少的信息量——对于 128 MiB 的区块来说，小于原始区块数据的 0.5%。

为了扩展这些承诺，我们创建了 SVID（可扩展的可验证信息分散）。从理论上讲，它可以提供巨大的 10 GiB/s 吞吐量，比 PeerDAS 快 1000 多倍。通过确保验证者仅下载绝对最小值，我们清除了实现每个 Zone 200 万 TPS 的最后障碍。

第一个多核世界计算机

网络技术的飞跃完成了架构的循环。通过将数据可用性与验证分离，SVID 允许网络处理大量负载，而不会使单个节点不堪重负。结合用于存储的 QMDB、用于调度的 FAFO 和用于 ZK 证明的 Jolt Pro，网络不再是瓶颈。

每秒 200 万笔交易成为我们系统中每个组件的明确目标。通过达到此目标，Zero 可以支持性能最高的现代应用程序。

这种架构允许 Zero 充当去中心化的多核世界计算机。至关重要的是，Zone 不是主权链、Layer 2 或 rollups。每个 Zone 归 Zero 所有，并由相同的统一协议管理。包括以太坊在内的大多数区块链都是单线程的；它们在单核上运行。Zero 在多个核上运行。每个 Zone 在功能上等同于以太坊运行的单个 EVM，但我们在多个核上同时执行它们。

结果是一个可以水平扩展的单个区块链。开发人员不需要创建自己的 Zone；他们在 Zero 提供的 Zone 之上构建应用程序。我们已经用统一的高性能系统取代了碎片化的、一刀切的模型，该系统将多个应用程序视为单个现代多核 CPU 上的并发进程。

由于这种大规模的成本降低，Zero 不仅是现有区块链的替代方案，而且还为 AWS 等中心化云服务提供商提供了可信的替代方案。通过消除冗余复制的开销，我们最终使去中心化在全球范围内可行。Zero 是第一个真正可扩展的多核世界计算机。

• 原文链接： x.com/layerzero_core/sta...
• 登链社区 AI 助手，为大家转译优秀英文文章，如有翻译不通的地方，还请包涵～