以太坊的分层架构,构建可扩展/安全与去中心化的未来

以太坊,作为全球第二大加密货币平台和最具智能合约功能的区块链之一，其成功不仅在于开创了去中心化应用（DApps）的先河，更在于其前瞻性的分层架构设计，这种分层架构旨在解决早期区块链普遍面临的“不可能三角”难题——即在去中心化、安全性和可扩展性三者之间取得平衡，理解以太坊的分层架构，是把握其未来发展蓝图，尤其是“以太坊2.0”（现已成为以太坊主网的一部分）核心思想的关键。

单层架构的局限与以太坊的早期探索

在以太坊之前,比特币等区块链主要采用单层架构，交易、共识、智能合约执行、数据存储等所有功能都在同一层（主链）上完成，这种架构简单直接，但随着用户数量和应用场景的增加，其弊端日益凸显：

1. 可扩展性瓶颈：主链每秒能处理的交易数量（TPS）有限，导致网络拥堵、交易费用高昂。
2. 资源浪费：所有数据（包括大量频繁交易的细节和复杂的智能合约代码）都存储在主链上，造成存储压力和成本上升。
3. 性能受限：复杂的智能合约计算会消耗大量网络资源，进一步拖慢交易确认速度。

以太坊虽然引入了智能合约,大大扩展了区块链的应用范围，但其最初的单层架构同样面临这些挑战，为了突破这些限制，以太坊社区开始探索并逐步实施分层架构。

以太坊分层架构的核心：执行层与共识层

以太坊的分层架构主要围绕两大核心层构建：执行层（Execution Layer） 和 共识层（Consensus Layer），这一分离是以太坊2.0“信标链”（The Beacon Chain）升级的核心成果。

1. 共识层（Consensus Layer）

   • 角色：负责网络的安全、共识机制和区块的最终确定性，它确保所有参与者对区块链的状态达成一致，并防止双重支付等恶意行为。
   • 核心组件：在以太坊2.0中，共识层由信标链（Beacon Chain）主导，采用了权益证明（Proof of Stake, PoS）共识机制，PoS取代了工作量证明（Proof of Work, PoW），通过验证者质押ETH来获得出块权利和奖励，从而大幅降低了能源消耗，并提高了安全性。
   • 功能：管理验证者注册、随机数生成（分配出块权）、跨分片通信（在未来的分片实现中）以及协调各个分片（如果启用），共识层不关心交易的具体内容或智能合约的执行细节，只负责确保区块被正确生产和链接。

2. 执行层（Execution Layer）

   • 角色：负责处理交易、执行智能合约、维护账户状态以及管理以太坊虚拟机（EVM），这是用户直接交互的层，也是DApps运行的环境。
   • 核心组件：执行层包含了我们熟知的以太坊虚拟机（EVM）、账户模型（外部账户和合约账户）、交易处理逻辑以及各种智能合约。
   • 功能：接收来自用户的交易和指令，通过EVM执行这些指令，更新世界状态，并将打包好的区块提交给共识层进行最终确认和验证，在以太坊2.0中，执行层最初通过“合并”（The Merge）与信标链（共识层）整合，未来可能会扩展到多个分片上。

扩展层：进一步提升可扩展性

除了执行层和共识层这两大核心基础层,以太坊生态中还发展出了多种扩展层（Scaling Solutions），它们构建在核心层之上，旨在解决不同维度的可扩展性问题，这些扩展层通常被称为“Layer 2”。

1. Layer 2 扩展方案

   • 目标：将大部分计算和交易处理从
     
     主链（Layer 1）转移到链下或链上更高效的结构中，从而降低交易费用、提高交易速度，同时将安全性锚定在Layer 1。
   • 主要类型：
     • 状态通道（State Channels）：如Raiden Network，允许参与者在链下进行多次交易，仅在开启和关闭通道时与主链交互，适用于高频小额支付。
     • 侧链（Sidechains）：如Polygon PoS（虽然Polygon也发展出更复杂的ZK-Rollup），是与主链并行运行的独立区块链，拥有自己的共识机制，可以通过双向锚定与主链资产互通，但安全性相对独立。
     • Rollups（汇总）：这是目前最受关注的Layer 2技术，Rollups在链下执行交易和计算，但将交易数据（calldata）和交易结果的状态根（state root）提交到主链上进行验证和结算。
       • Optimistic Rollups（乐观汇总）：假设所有交易都是有效的，除非有人提出欺诈证明，如Arbitrum、Optimism。
       • ZK-Rollups（零知识汇总）：使用零知识证明（ZK-SNARKs/ZK-STARKs）来一次性证明一批交易的有效性，无需欺诈证明，如zkSync、StarkNet、Polygon zkEVM，ZK-Rollups通常在数据压缩和安全性方面更具优势。

2. Layer 1 内部扩展（分片 - Sharding）

   • 目标：以太坊2.0的远期规划之一是通过分片技术直接扩展主链本身，分片是将区块链网络分割成多个并行的“分片链”，每个分片链可以独立处理交易和智能合约，从而显著提高整个网络的TPS和数据处理能力。
   • 预期影响：分片将使得以太坊的底层基础设施（共识层和执行层）能够并行处理更多数据，为Layer 2提供更强大的基础支持，并可能直接支持一些对延迟要求不高的DApps。

数据可用性层：Layer 2 的基石

数据可用性（Data Availability）是Layer 2 Rollups正常工作的关键前提，如果Rollup提交到主链的交易数据不可用，那么任何人就无法重新执行这些交易来验证状态根的正确性，从而破坏安全性。

• 角色：确保Rollup或其他扩容方案提交到主链的数据是完整且可访问的。
• 解决方案：
  • 主链本身：目前Rollup将数据直接发布到以太坊主链的交易数据字段中，主链提供了高数据可用性。
  • 数据可用性采样（DAS）：未来分片链可能会采用DAS，允许轻量级节点通过采样一小部分数据来推断整个数据块是否可用，而不需要下载全部数据。
  • 数据可用性委员会（DAC）：由一组可信实体暂时存储数据，作为过渡方案。
  • 独立的Layer 2 数据可用性层：如Celestia，专注于提供数据可用性服务，成为其他区块链和Layer 2的基础设施。

以太坊分层架构的协同与未来

以太坊的分层架构是一个精巧而复杂的设计,各层各司其职，又协同工作：

• 共识层提供安全基石和最终确定性。
• 执行层（Layer 1）处理核心交易和智能合约，并作为Layer 2的最终仲裁者。
• Layer 2扩展方案通过在链下或更高效的结构上处理交易，大幅提升可扩展性，同时继承Layer 1的安全性。
• 数据可用性层确保了Layer 2等扩展方案的数据完整性。

这种分层设计使得以太坊能够在保持去中心化和安全性的前提下,逐步提升可扩展性，以应对日益增长的全球用户和DApps需求，从PoW到PoS的共识机制升级，再到Rollups和未来可能的分片，以太坊的演进之路清晰可见：通过不断优化和完善其分层架构，致力于构建一个更高效、更普惠、更强大的去中心化互联网基础设施，理解这一架构，不仅有助于我们更好地使用以太坊，也能让我们洞察区块链技术未来的发展方向。

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