区块链的层级结构(什么是区块链的Layer0/1/2)

分层结构是区块链处理数据和运行的基础。

科研学术领域的区块链分层

为了寻找到区块链的可扩展性方案,学术研究领域(通常论文中)所指的区块链被分为三层:Layer0、Layer1和Layer2。


于区块链可扩展方案

Layer 2:Off-Chain 应用扩展
Layer 1: On-Chain 底层账本
Layer 0: 数据传输

工程应用领域的区块链分层

通常,区块链系统主要分为:应用层、激励层、共识层、网络层和数据层,共六层,主要体现在初期的比特币系统上。随着智能合约的产生,在应用层和激励层之间加入了合约层,主要体现在以太坊系统中。


区块链自身分层

对于每一层的内容如上图所示,但在具体的不同系统中所使用的技术可能并不相同,比如共识层主要完成节点之间的共识,除了工作量证明机制(Proof of Work)还有权益证明机制(Proof of Stake)和拜占庭容错机制( Byzantine Fault Tolerance(BFT)等方式。


区块链共识机制对比分析

六层分层的各层简介

数据层、网络层、共识层三者构成了区块链层级的底层基础,也是区块链必不可少的三个元素,缺少任何一个都无法称之为真正的区块链技术。

数据层、网络层、共识层

激励层、合约层、 应用层
  • 数据层/ Data Layer:数据层上,存放着区块链上所有的数据信息,是整个区块链技术中最底层的数据结构。从没有记录交易的创世区块起,到不断新增区块,构成的链式结构,里面封装了哈希值、认证交易的时间戳、交易信息、公私钥等,确保了数据在全网公开时的情况下所有数据的安全性。在区块链网络上,节点间采用共识算法维护数据层数据的一致性,通过密码学中非对称加密和哈希算法,保证了这个分布式数据库中数据信息的不可篡改和可追溯。区块链的数据采相当于一个不可篡改、具有分布式等特性的数据库。

  • 网络层/ Network Layer:区块链的分布式网络系统,主要是点对点机制、数据传输和验证机制。本质上是一个P2P网络,点对点意味着不需要中心化服务器来操控这个系统,网络中所有资源和服务都是分配在各个节点手中。在区块链网络上,需要节点间共同维护这个系统,当某一节点创造出新的区块后,就会通过广播形式告知其它节点,收到信息的节点会对该区块进行验证,然后再去创造新的区块。这样就能够使每个节点既能够产生信息,又能够接收信息。分布式算法以及加密签名等都在网络层中实现,区块链上的各个节点通过这种方式来保持联系,共同维护整个区块链账本,比较熟知的有闪电网络、雷电网络等第二层支付协议。

  • 共识层/ Consensus Layer:共识层主要包括共识算法机制。也就是在全网形成一个统一的、所有节点一致认可的规则,以此来维护和更新区块链系统这个总账本。让高度分散的节点在去中心化的区块链网络中达成高效的共识,是区块链的核心技术之一,也是区块链社区的治理机制。目前为止有比特币的工作量证明(PoW)、以太坊的权益证明(PoS)、EOS的委托权益证明(DPoS)、PoW 和 PoS 结合、燃烧证明、重要性证明等十几种共识机制。

  • 激励层/ Actuator Layer:在区块链中,激励层主要包括激励机制和分配机制。一般来讲,激励层是指在区块链中挖矿的奖励,通过奖励部分数字资产来激励矿工去验证交易信息,从而维护挖矿活动以及账本更新持续进行。另外,还会制定一些相关制度,奖惩分明,激励记账节点,惩罚恶意节点。在比特币的共识机制中,规定多劳多得,谁能够第一个找到正确的哈希值谁就可以得到一定数量的比特币奖励;而以太坊的工作量证明机制则是规定持币年龄越久,获得奖励的概率越大。但是,激励层一般只有公链才具备,因为公有链必须依赖全网节点共同维护数据,所以有这样一套激励机制,才能够使全网节点参与区块链系统的建设维护,进而保证区块链系统的安全性和可靠性。

  • 合约层/ Contract Layer:合约层主要包括各种脚本、代码、智能合约和算法,是区块链可编程的基础。平时我们说的“智能合约”就属于这一层级。智能合约原理是通过将代码嵌入系统中,设置约束条件,而不要第三方做背书,即可实现实时可操作。把代码写到合约里,就可以自定义约束条件,不需要第三方信任背书,到时间立即实时操作。当然除了智能合约,是区块链作为信任机器的重要层级,还有一些别的脚本代码、侧链应用等等。

  • 应用层/ Application Layer:顾名思义,应用层实际就是我们通常说的区块链各种应用场景和案例,类似于电脑操作系统上的应用程序、互联网浏览器上的门户网站、电子商城或手机移动端的APP等,现在的“区块链+”就是所谓的应用层。目前市面上已落地的区块链应用基本都是搭建在以太坊和EOS等公链上的各类应用,以博彩和游戏类应用为主。这个层面包括未来区块链应用落地的各个方面。

区块链中各层级之间相互独立而又密不可分,一般把数据层和网络层归类为区块链中的协议层,合约层和激励层归为扩展层,即共识层。了解了区块链六大结构层及相应的层级功能,可以帮我们加深对区块链技术的重新认识。

与OSI、TCP/IP的比较

区块链分层结构对应到OSI体系7层模型和TCP/IP 4层模型下的对比如下图所示。


与OSI、TCP/IP的比较

如果我们再聚焦TCP/IP的四层,特别是上面的「应用层」的话,我们会看到,有可能区块链是把原来只专注于信息传递的应用层,分出来一个专门用于价值转移的新层。因此,我们可以认为TCP/IP四层拆分成了五层,将区块链视为TCP/IP的一层:价值层。


区块链=价值层

对比比特币、以太坊、EOS的分层

一般认为比特币、以太坊、EOS是区块链1.0、2.0、3.0的代表,如果去看它们的分层也很有意思:


比特币、以太坊、EOS的分层对比

从比特币到以太坊,增加了合约层。从以太坊到EOS,因为采用DPOS,激励层实际上合并到了共识层。而EOS增加出来两层:①工具层,以让在其上更容易开发应用;②生态层,它自身的定位是一个开源软件,那么其他人可以用它的开源软件建立行业链、领域链。

区块链内部分层

徐忠、邹传伟写了一篇央行工作论文,从经济学的角度探讨区块链,试图给出一种Token范式。其中,实际上他们给出了一个分层模型,这回是内外分层:里层是共识,又分:Token、智能合约、共识算法;处在共识边界与区块链边界,是区块链内的其他信息;处在区块链边界之外,是互联网和实体世界。


区块链内部分层

EOS网络分层

一些系统为了提升性能,其实对它的分布式网络也进行了分层。也就是,不是所有的节点都是平等的。
比如,以下是EOS的分层。


EOS的分层1

EOS的分层2

EOS的分层3

自商业七层模型

为了让区块链变得有用,又有人从其他视角进行讨论。ENChain.Asia的朱峰在BAO白皮书中提出了「自组织商业体7层模型」,这个模型又被在《通证经济的模型与实践》(0.2)报告中引述,称之为「自商业七层模型」。


自商业七层模型

不过,要注意的是,这里的「激励层」,和我们通常说区块链的激励层,有相似之处,又不一样。之前我们讨论激励层,往往是在公链原生代币的角度讨论的,而这里的激励层,则是通证层面讨论的。

区块链应用四层

火币研究院在2018年12月的一份报告《区块链四层应用模型的构建与解析》中,给出了一个四层的应用模型,很有意思:

  • 第四层:资产数字化

  • 第三层:通证激励体系

  • 第二层:价值传输网络

  • 第一层:分布式账本


    区块链应用四层

APP的模型

现在APP的模型

未来APP的模型

参考文献:
1.区块链十年:各种各样的层
http://www.360doc.com/content/18/1211/10/53358875_800866301.shtml
2.区块链六大层级结构你知道多少? - 知乎
https://zhuanlan.zhihu.com/p/98126049
3.区块链的六个分层级结构介绍 - 区块链 - 电子发烧友网
http://www.elecfans.com/blockchain/1138839.html

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