「萬字研報」 鏈上鏈下協同計算：Layer 2 擴容技術與計算範式的演進 （上）

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定義與基本概念

區塊鏈技術不僅是金融交易的革新者，也是數據和網絡結構管理的顛覆者。理解區塊鏈如何處理和存儲信息，需要從其兩個基本組成部分說起：數據鏈和節點鏈。

數據鏈與節點鏈的定義

數據鏈是通過鏈式數據結構組織的區塊數據，構成了數據校驗和追溯的基礎。每一個區塊不僅存儲有交易數據，還包括前一個區塊的哈希值，這種結構確保了整個鏈的不可篡改性和數據的一致性。

節點鏈則描述的是區塊鏈網絡中多個節點的連接方式。這些節點通過網絡相連，共享信息，並協同完成數據的驗證和區塊的產生。這種分布式的節點結構允許區塊鏈無需中心化的管理即可運作，增強了整個系統的透明度和安全性。

交易上鏈的過程

交易上鏈是區塊鏈網絡運作的核心活動，包括以下幾個關鍵步驟：

1. 交易記錄：記账者（通常是礦工或驗證者）收錄交易，並按照鏈式數據結構將其打包成區塊。

2. 共識驗證：通過共識算法（如工作證明PoW或權益證明PoS），網絡中的節點驗證新區塊中的交易，確保所有節點計算出一致的結果。

3. 廣播與存儲：一旦區塊被驗證，它將被廣播到所有節點，並穩妥地存儲下來。每個節點都會保存整個區塊鏈的副本，確保數據的持久性和可訪問性。

“上鏈”的意義

“上鏈”表示一個交易或數據片段已經被區塊鏈網絡完全接受，包括通過共識驗證和被加入到區塊鏈的永久記錄中。這一過程意味着數據得到了全網的認證和備份，確保了其不可篡改和難以丟失的特性。

交易如果沒有經歷這一過程，則不能保證其一致性和正確性，因而不會被網絡接受。此外，即使是不涉及共識過程的數據查詢或API調用，也不被視為“上鏈”。

鏈上鏈下協同的必要性

盡管區塊鏈的鏈上操作保障了數據的安全和一致性，但並非所有業務需求都適合直接在鏈上處理。例如，對處理速度要求很高或涉及大量私密數據的應用，直接在鏈上操作可能既低效又風險。因此，現代區塊鏈系統通常採用鏈上鏈下協同的“混合架構”。

這種架構允許某些數據或計算在鏈下進行，而只將關鍵或需要共識驗證的信息上鏈。鏈下服務可以提高處理效率，減少成本，同時通過鏈上機制確保關鍵操作的安全性和可信度。

通過這種混合方法，區塊鏈技術能夠更靈活地適應各種應用場景，從金融交易到供應鏈管理，再到復雜的企業應用，都能找到合適的實施方式。

鏈下信息可信上鏈的過程：預言機的實現與應用

在區塊鏈技術中，智能合約的運行通常需要依賴鏈外數據，例如體育比賽的結果、天氣狀況、或法定貨幣的匯率等。這些數據顯然不是區塊鏈原生支持的，因此必須通過某種機制將其可信地引入到鏈上環境中。預言機（Oracle）是實現這一功能的核心技術，它能夠將鏈外數據以可信的方式傳遞給鏈上的智能合約。

應用實例

預言機的應用範圍廣泛，例如，在區塊鏈上執行的世界杯競猜遊戲可能需要實時的比賽結果數據；跨境金融服務可能需要實時的匯率信息。預言機通過提供這些關鍵數據，使得智能合約能夠在缺乏原生支持的情況下執行復雜的決策和交易。

預言機的作用

預言機充當了區塊鏈與外部世界之間的橋梁。在區塊鏈的智能合約中，如果需要使用到非區塊鏈原生的數據（如世界杯比分、天氣信息等），預言機會負責從外部數據源採集數據，經過一系列的驗證過程確保數據的真實性和安全性後，再將這些數據傳輸到區塊鏈上供智能合約使用。

預言機的工作流程

預言機的工作流程通常包括以下幾個步驟：

1. 數據採集：預言機從外部數據源，如API、數據庫、其他網絡等獲取所需的數據。

2. 數據驗證：預言機對採集到的數據進行校驗，確保其未被篡改且來源可靠。這一過程可能涉及多個預言機節點，以增強數據的可信度。

3. 數據傳輸：一旦數據被驗證，它將被發送到區塊鏈上，並作為交易數據被記錄，智能合約根據這些數據執行相應的邏輯。

4. 智能合約執行：鏈上智能合約根據接收到的數據執行預定的操作，如自動支付、合約狀態更新等。

預言機的分類

• 中心化預言機：由單一實體控制，盡管實現簡單，但容易受到中心化風險和操縱的影響。

• 去中心化預言機：如Chainlink，利用多個獨立節點驗證數據，減少了單點故障的風險，提高了數據的安全性和可信度。

  實現和挑战

  預言機的實現涉及多個技術和安全挑战：

• 數據源的可信度：選擇可靠的數據源和驗證機制是確保數據准確性的關鍵。

• 安全性和隱私：數據在傳輸過程中需要充分加密，防止數據在傳輸途中被截取或篡改。

• 成本和效率：數據採集和驗證過程可能涉及高成本，特別是在使用去中心化預言機時，每次數據請求都可能涉及多次節點驗證，增加了交易成本。

• 設計和運維：預言機需要精心設計，以應對各種潛在的技術故障和攻擊場景。

 總結來說，預言機是連接區塊鏈與外部世界的重要工具，對區塊鏈應用的廣泛應用和實用性起着關鍵作用。它不僅解決了數據從鏈外到鏈上的傳遞問題，也為區塊鏈技術的進一步集成與擴展打开了新的可能性。

預言機是連接區塊鏈技術與外部世界的關鍵組件，它極大地擴展了區塊鏈的應用場景和功能。通過不斷優化預言機技術，可以提高區塊鏈項目的實用性和安全性，同時為未來的區塊鏈發展开闢新的路徑。

鏈上與鏈下協同的關鍵技術

鏈上鏈下協同技術包括了廣泛的技術範圍，目前市場上的應用主要集中於部分功能的實現。這些功能涉及從鏈上獲取鏈外數據的預言機技術，鏈下的可信文件存儲，以及鏈下計算技術等。國際上對這些技術有廣泛的研究，尤其是在數字貨幣領域。鏈上鏈下數據協同技術的研究和應用正在起步階段，涵蓋了側鏈和狀態通道等多種技術，旨在提升性能和計算能力。這些技術有點類似於雲計算和邊緣計算，其核心是在保留鏈上數據通道的同時，優化數據處理的性能和效率。此外，跨鏈技術增加了不同鏈之間的互操作性和可擴展性，而鏈下計算則增強了數據的隱私保護能力。

鏈上鏈下協同治理介紹

鏈上鏈下協同治理是指區塊鏈技術與傳統信息系統的有機結合，利用區塊鏈的節點鏈和數據鏈與傳統信息系統協同工作。節點鏈是指通過區塊鏈網絡層相連的節點，共享信息並共同執行交易共識和區塊鏈任務。數據鏈則是以鏈式結構存儲交易數據的系統。交易通過記账節點進行打包和共識，然後廣播到所有節點完成上鏈過程。這一過程雖然保證了交易的安全性和可追溯性，但也帶來了巨大的共識开銷、存儲开銷和計算开銷。

由於這些开銷，傳統區塊鏈技術在處理大規模交易時可能會面臨性能瓶頸。因此，鏈下技術（Layer 2）被提出用於解決這一問題。鏈下擴容方案允許在有限的節點間直接處理交易，無需全網廣播，從而顯著提高交易處理效率。

鏈上鏈下協同治理在區塊鏈技術中提供了一個架構，使得區塊鏈與傳統的信息處理系統可以互補，提高整體性能與可用性，同時維護了區塊鏈的核心優勢，如安全性、不可篡改性和分布式共識。這種協同治理的具體應用主要表現在以下幾個方面：

鏈上鏈下協同的文件系統

這一系統解決了區塊鏈在處理大規模數據時的限制，特別是文件存儲方面。由於區塊鏈的每個節點都需要存儲全部數據，因此當數據量大時，這種模型變得不切實際。鏈上鏈下協同的文件系統通過將文件的實際內容存儲在鏈下的可信存儲系統中，而將文件的元數據（如哈希值、文件所有者的籤名、文件的訪問地址等）存儲在鏈上來解決這個問題。這樣做的優點包括：

• 效率提高：由於不需要在所有節點上存儲文件的實際內容，網絡負擔大大減輕。

• 成本降低：存儲需求減少，相應的存儲成本也大幅下降。

• 安全性和隱私：文件內容不在鏈上公开，增加了數據的安全性和隱私性。

鏈上鏈下協同的數據處理系統

鏈上鏈下協同的數據處理系統致力於優化數據的增刪改查操作。區塊鏈的不可變性使得其在數據處理上存在局限，尤其是在處理復雜的數據結構或需要高頻更新的場景中。鏈上鏈下協同通過以下方式解決這些問題：

• 增操作（上鏈操作）：在區塊鏈上進行的操作涉及到多方協作和復雜的密碼學驗證，常常導致處理緩慢和成本高昂。通過實施Layer 1和Layer 2的擴容方案，將大數據量的處理和存儲移至鏈下，只將必要的數據同步至鏈上，減輕了區塊鏈的負擔。

• 查操作（查詢操作）：數據一旦上鏈，便是不變的。鏈上鏈下協同模型提出將復雜的數據查詢操作轉移到鏈下進行，利用傳統數據庫的強大處理能力進行數據分析和查詢，只將必要的驗證操作保留在鏈上。

模塊化安全密碼學協議

在鏈上鏈下協同模型中，安全密碼學協議起到核心作用，確保數據在鏈上和鏈下傳輸和處理過程中的安全性。這些協議包括但不限於：

• 加密技術：數據在鏈下處理過程中全程加密，保證數據的機密性和完整性。

• 零知識證明：允許一方向另一方證明某個陳述的正確性，而無需透露除了這個陳述的真實性以外的任何信息，增強了數據處理的隱私性。

大規模高性能點對點網絡

這種網絡架構用於支持在鏈上鏈下模型中的數據傳輸，提高了數據處理的速度和效率，同時減少了對區塊鏈主網的依賴，提高了系統的可擴展性和靈活性。

分布式身份標識（DID）

布式身份標識（DID）是一個全面的分布式身份管理和可信數據交換規範，旨在優化身份驗證流程並加強用戶隱私保護。在這一系統中，權威機構對用戶進行了KYC（了解你的客戶）認證並頒發了數字憑據。關鍵的是，DID允許用戶將自己的身份標識的摘要公布到區塊鏈上，而將更敏感的個人數據保留在鏈下，這一策略對於保護用戶隱私至關重要。

DID的運作機制

1. 明確授權與選擇性披露：用戶在使用身份憑證時，不需展示全部信息，僅需通過少量的信息或加密證明，即可與鏈上的數據進行對照校驗。這種方法不僅確保了用戶憑證和數據的可信性，還極大地簡化了用戶操作，實現了“數據多跑路，用戶少跑腿”的理念。

2. 隱私與安全的雙重保障：將數據存儲在鏈下並不削弱鏈上數據的功效，反而增強了區塊鏈授信模型的重要性。通過這種設計，DID完美地結合了鏈上的透明度和鏈下的隱私保護，確保了邏輯閉環的自洽性和高安全性。

3. 標准化的數據結構與交互協議：DID規範提供了清晰且層次分明的數據結構和一套通用的交互協議，這有助於不同系統和平臺之間的無縫集成和互操作性。

4. 开源實現與生態支持：开源項目如WeIdentity已完整實現了DID協議，為开發者和企業提供了豐富的支撐工具和服務，進一步促進了DID技術的普及和應用。

實際應用展望

在實際應用中，DID的設計原則和技術實現為解決現代數字身份管理中的多項挑战提供了有效工具。從保護個人隱私到簡化用戶體驗，再到提高系統的整體安全性和可靠性，DID已顯示出其廣泛的潛力和多方面的優勢。隨着技術的進一步成熟和更多實際部署案例的出現，預期DID將在全球範圍內被廣泛接受和應用，尤其是在那些對安全性和隱私保護要求極高的行業如金融、醫療和政府服務等領域。

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