区块链分层架构 - 指南与拓扑分析

了解区块链架构的细微差别，如以太坊和比特币，并将其分解为易于理解的部分。从功能层到Layer1 和Layer2。

当讨论 区块链架构 时，我们指的是组成完整区块链系统的组件、层和整体技术。每一层都有其独特的角色，从存储数据到维护网络连接以及确保系统内部的一致性。

理解这些层如何协同工作构成一个系统对于区块链、智能合约开发者 和任何希望有效利用 区块链技术 的人来说都是至关重要的。

在本文中，我们将区块链架构的复杂性分解为易于理解的部分。我们将解释什么是可扩展性三难问题，什么是区块链功能层，以及它们如何协同作用，以形成我们所听说的Layer1、Layer2 和Layer3 链的架构。

在深入理解构成完整区块链架构的不同部分之前，了解所有这些组件试图解决的问题是很重要的：让区块链可扩展。

‍

什么是区块链可扩展性？

区块链技术中的“ 可扩展性”一词意味着提高系统（链）处理交易的能力，通常用 每秒交易数 (TPS) 来衡量，这是定义支付系统是否能够服务大量用户的关键指标。

这并不是一个新指标 - 例如，作为传统支付系统的 Visa，可以处理超过 65,000 TPS。另一方面，比特币 的 TPS（每秒交易数）处理能力仅为 4 到 7。这使得链需要扩展并提高其服务更多用户（每秒交易）的能力。

现实情况是，扩展链并不像听起来那样简单。事实上，有一个问题 - 被称为 区块链可扩展性三难问题。

区块链可扩展性三难问题

Vitalik Buterin 首次 创造了这个术语 来描述高性能区块链必须具备的三项属性：

• 去中心化

• 安全性

• 可扩展性

可扩展性三难问题描述了区块链架构的局限性

‍这个三难问题的论点是，一个区块链 只能同时实现这三目标中的两个。

三难问题表明，让区块链高度可扩展和安全可能需要某种程度的中心化。如果你希望它高度去中心化和安全，它可能会在可扩展性上遇到困难，因为网络中的每个节点可能，例如，需要验证每一笔交易，这可能会减慢处理时间并增加成本。

为了解决这个问题，聪明的开发者决定将像 以太坊 或 比特币 这样的区块链进行重新构建，而不是试图创建一个既可扩展又安全且去中心化的单一链，他们会创建两个链：

• Layer1（以太坊、比特币）：专注于区块链核心的基础性变化
• Layer2（zkSync、LightingNetwork）：在Layer1 上添加附加结构以增强性能，而不影响区块链的核心功能。例如，如果一个层一的区块链专注于安全性和去中心化，那么一个 L2 的任务可能就是专注于可扩展性。

在深入理解 Layer1 和Layer2 区块链是什么之前，让我们了解一下当我们在区块链架构的背景下提到术语“层”时的含义。

‍

什么是区块链层？

当我们谈论区块链层次时，在区块链架构的背景下，我们可以指代两种类型的层：

• 功能层：这些层是决定区块链基本操作、安全措施和应用支持的核心组件。
• 区块链层：这些层代表为解决可扩展性三难问题而开发的技术栈，并通常被称为Layer1、Layer2、Layer3 等等。

功能区块链层

可以把区块链想象成一块蛋糕。

从下到上的每一层都是必不可少的，形成整个结构和功能。功能层就像是混合材料的方法和烘焙过程，以创建一个功能齐全且美味的基础蛋糕（区块链）。

让我们看看这些层是什么：

‍

硬件/基础设施层

区块链架构 扩展到 硬件 和 基础设施。这形成了 区块链的物理基础，涵盖了执行计算工作、处理交易和进行加密计算所需的所有基础设施。这包括 服务器、计算机 和 挖掘设备。

基础设施层还包括虚拟机，它们作为操作系统运行智能合约。区块链通常具有它们的原生虚拟机，例如以太坊的以太坊虚拟机。

‍

数据层

该层以结构化且不可更改的方式存储 链的交易历史 和 账本数据。数据被组织成区块。每个 区块 都与前一个 区块 加密连接，形成链。此链提供了一个安全且不可更改的交易记录。

尽管交易添加和哈希的细节并不是主要焦点，但重要的是要强调数据层在维护完整性和隐私方面的角色。该层定义了协议中使用的大多数 加密原语 － 签名算法，例如 椭圆曲线数字签名算法、加密库和公私钥对。

‍

网络层

网络层实现了节点之间有效的发现和交互。

网络层管理连接链中节点的通信协议。该层对维持区块链的去中心化特性至关重要，允许点对点交易。

‍

共识层

该层在节点之间达成 交易有效性的一致性。它使用多种机制，如 PoW（工作量证明）、PoS（权益证明）或 DPos（委托权益证明），每个机制都有其方法以验证交易并确保网络的安全。

请注意，例如，ETH 的共识机制是 Gasper，而不是权益证明。权益证明只是其共识机制的一部分。

‍

应用层

应用层是整个系统的最终产品，为用户提供特定的产品，如钱包、借贷、质押等。

这是 智能合约和应用 构建的层，同时也是运行在链上的其他任何软件。该层是区块链与用户之间的接口，使技术在各种用途中变得可访问和可用。

功能层的结合导致了新的区块链（蛋糕）的创建，也被称为 Layer1 - 这也是一种层，但非常不同。

‍

区块链架构层次

正如我们所提到的，所有区块链功能层相互协作形成另一种类型的层，即架构层 - 当我们谈论Layer1、Layer2 和Layer3 区块链时所指的。

区块链层次有 4 种常见类型：

‍

层 0 区块链

层 0 区块链旨在促进不同链之间的互操作性，并确保基础设施的稳健性。这包括互操作性协议、网络共识机制以及支撑链的基础互联网和硬件。

‍

Layer1 区块链

Layer1 区块链相较于层 0 进行了改进，是维护区块链功能的层，通常被称为实现层，包括以太坊、比特币和Solana等链。

‍

Layer2 区块链

Layer2 区块链旨在扩展Layer1 的功能，通常在主链（L1）之外处理交易，然后将这些交易批量发送回 L1 进行“结算”。Layer2 解决方案具有许多优化和可扩展性解决方案，以提高性能、减少延迟并降低 gas 费用。然而，也有一些Layer2 方案并不处理交易，而是扩展其他区块链功能。例如，一个预言机解决方案（获取现实世界数据和计算）也被视为 L2。

Layer2 解决方案使用多种机制来实现可扩展性。一些流行的例子包括：

• 区块链汇总（zkSync、optimism）- 汇总将多个交易聚合到一个包中，并在主链之外处理它们。
• 嵌套区块链（OMG Foundation）- 这种结构允许父链将交易委托给子链，从而减少主链的工作负担。
• 状态通道（比特币闪电、以太坊 Raiden 网络）- 允许参与者在离链环境中进行多笔交易，使用多重签名钱包作为安全中介

‍

Layer3 区块链

Layer3 区块链 包括 跨链应用、用户界面设计和 API，允许与链进行轻松交互。L3 旨在抽象出链的大部分内部复杂性，为最终用户和开发者提供跨各种链的简化和集成体验。

在结束之前，重要的是要理解，除了功能层或实施的附加技术的差异外，区块链架构还可能根据区块链的类型、目标和目标用例而有所不同。

‍

区块链架构类型

当我们谈论 区块链架构 时，还重要指出区块链可以是 许可（限制访问）或 无许可（向所有人开放）的，这种区分创造了 4 种类型的区块链架构，每种架构解决 不同的问题，并侧重于可扩展性三难问题的不同组件：

‍

公共区块链

公共区块链 是 对每个人开放 的，没有权限限制。它们采用各种共识机制。然而，由于大型用户群体的增长需求，可扩展性可能会成为挑战。 比特币 和 以太坊 是公共区块链的典型例子。

‍

私有区块链

私有区块链满足企业需求。它们是 许可的区块链，仅可供特定个人访问，通常在商业组织内。Hyperledger Fabric 是知名的私有区块链。

‍

混合区块链

公共和私有区块链各有其优缺点。混合区块链旨在结合两者的最佳特性。

联合区块链

联盟区块链由 共同管理和拥有。当多个私人节点聚集在一起创建 联盟区块链 时，就形成了这一类区块链。

‍

区块链架构总结

总之，开发者和用户了解链的工作方式、区块链架构 及其基础技术，包括各种功能层和区块链层，至关重要。

正如我们所见，每个区块链层都履行着独特的职能，促进了区块链系统的整体功能和成功。

随着技术的发展和成熟，我们可能会看到新的层和架构出现，进一步增强其能力。我们鼓励你在这个激动人心的领域不断探索、学习和创新。

如果你想了解有关智能合约开发、安全性以及区块链如何工作的更多信息，请在 Cyfrin Updraft 上注册并获取 70 小时以上的 web3 开发课程，完全免费。

祝编码愉快！

• 原文链接： cyfrin.io/blog/blockchai...
• 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～