「万字研报」 链上链下协同计算：Layer 2 扩容技术与计算范式的演进 （上）lg...

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定义与基本概念

区块链技术不仅是金融交易的革新者，也是数据和网络结构管理的颠覆者。理解区块链如何处理和存储信息，需要从其两个基本组成部分说起：数据链和节点链。

数据链与节点链的定义

数据链是通过链式数据结构组织的区块数据，构成了数据校验和追溯的基础。每一个区块不仅存储有交易数据，还包括前一个区块的哈希值，这种结构确保了整个链的不可篡改性和数据的一致性。

节点链则描述的是区块链网络中多个节点的连接方式。这些节点通过网络相连，共享信息，并协同完成数据的验证和区块的产生。这种分布式的节点结构允许区块链无需中心化的管理即可运作，增强了整个系统的透明度和安全性。

交易上链的过程

交易上链是区块链网络运作的核心活动，包括以下几个关键步骤：

1. 交易记录：记账者（通常是矿工或验证者）收录交易，并按照链式数据结构将其打包成区块。

2. 共识验证：通过共识算法（如工作证明PoW或权益证明PoS），网络中的节点验证新区块中的交易，确保所有节点计算出一致的结果。

3. 广播与存储：一旦区块被验证，它将被广播到所有节点，并稳妥地存储下来。每个节点都会保存整个区块链的副本，确保数据的持久性和可访问性。

“上链”的意义

“上链”表示一个交易或数据片段已经被区块链网络完全接受，包括通过共识验证和被加入到区块链的永久记录中。这一过程意味着数据得到了全网的认证和备份，确保了其不可篡改和难以丢失的特性。

交易如果没有经历这一过程，则不能保证其一致性和正确性，因而不会被网络接受。此外，即使是不涉及共识过程的数据查询或API调用，也不被视为“上链”。

链上链下协同的必要性

尽管区块链的链上操作保障了数据的安全和一致性，但并非所有业务需求都适合直接在链上处理。例如，对处理速度要求很高或涉及大量私密数据的应用，直接在链上操作可能既低效又风险。因此，现代区块链系统通常采用链上链下协同的“混合架构”。

这种架构允许某些数据或计算在链下进行，而只将关键或需要共识验证的信息上链。链下服务可以提高处理效率，减少成本，同时通过链上机制确保关键操作的安全性和可信度。

通过这种混合方法，区块链技术能够更灵活地适应各种应用场景，从金融交易到供应链管理，再到复杂的企业应用，都能找到合适的实施方式。

链下信息可信上链的过程：预言机的实现与应用

在区块链技术中，智能合约的运行通常需要依赖链外数据，例如体育比赛的结果、天气状况、或法定货币的汇率等。这些数据显然不是区块链原生支持的，因此必须通过某种机制将其可信地引入到链上环境中。预言机（Oracle）是实现这一功能的核心技术，它能够将链外数据以可信的方式传递给链上的智能合约。

应用实例

预言机的应用范围广泛，例如，在区块链上执行的世界杯竞猜游戏可能需要实时的比赛结果数据；跨境金融服务可能需要实时的汇率信息。预言机通过提供这些关键数据，使得智能合约能够在缺乏原生支持的情况下执行复杂的决策和交易。

预言机的作用

预言机充当了区块链与外部世界之间的桥梁。在区块链的智能合约中，如果需要使用到非区块链原生的数据（如世界杯比分、天气信息等），预言机会负责从外部数据源采集数据，经过一系列的验证过程确保数据的真实性和安全性后，再将这些数据传输到区块链上供智能合约使用。

预言机的工作流程

预言机的工作流程通常包括以下几个步骤：

1. 数据采集：预言机从外部数据源，如API、数据库、其他网络等获取所需的数据。

2. 数据验证：预言机对采集到的数据进行校验，确保其未被篡改且来源可靠。这一过程可能涉及多个预言机节点，以增强数据的可信度。

3. 数据传输：一旦数据被验证，它将被发送到区块链上，并作为交易数据被记录，智能合约根据这些数据执行相应的逻辑。

4. 智能合约执行：链上智能合约根据接收到的数据执行预定的操作，如自动支付、合约状态更新等。

预言机的分类

• 中心化预言机：由单一实体控制，尽管实现简单，但容易受到中心化风险和操纵的影响。

• 去中心化预言机：如Chainlink，利用多个独立节点验证数据，减少了单点故障的风险，提高了数据的安全性和可信度。

  实现和挑战

  预言机的实现涉及多个技术和安全挑战：

• 数据源的可信度：选择可靠的数据源和验证机制是确保数据准确性的关键。

• 安全性和隐私：数据在传输过程中需要充分加密，防止数据在传输途中被截取或篡改。

• 成本和效率：数据采集和验证过程可能涉及高成本，特别是在使用去中心化预言机时，每次数据请求都可能涉及多次节点验证，增加了交易成本。

• 设计和运维：预言机需要精心设计，以应对各种潜在的技术故障和攻击场景。

  

 总结来说，预言机是连接区块链与外部世界的重要工具，对区块链应用的广泛应用和实用性起着关键作用。它不仅解决了数据从链外到链上的传递问题，也为区块链技术的进一步集成与扩展打开了新的可能性。

预言机是连接区块链技术与外部世界的关键组件，它极大地扩展了区块链的应用场景和功能。通过不断优化预言机技术，可以提高区块链项目的实用性和安全性，同时为未来的区块链发展开辟新的路径。

链上与链下协同的关键技术

链上链下协同技术包括了广泛的技术范围，目前市场上的应用主要集中于部分功能的实现。这些功能涉及从链上获取链外数据的预言机技术，链下的可信文件存储，以及链下计算技术等。国际上对这些技术有广泛的研究，尤其是在数字货币领域。链上链下数据协同技术的研究和应用正在起步阶段，涵盖了侧链和状态通道等多种技术，旨在提升性能和计算能力。这些技术有点类似于云计算和边缘计算，其核心是在保留链上数据通道的同时，优化数据处理的性能和效率。此外，跨链技术增加了不同链之间的互操作性和可扩展性，而链下计算则增强了数据的隐私保护能力。

链上链下协同治理介绍

链上链下协同治理是指区块链技术与传统信息系统的有机结合，利用区块链的节点链和数据链与传统信息系统协同工作。节点链是指通过区块链网络层相连的节点，共享信息并共同执行交易共识和区块链任务。数据链则是以链式结构存储交易数据的系统。交易通过记账节点进行打包和共识，然后广播到所有节点完成上链过程。这一过程虽然保证了交易的安全性和可追溯性，但也带来了巨大的共识开销、存储开销和计算开销。

由于这些开销，传统区块链技术在处理大规模交易时可能会面临性能瓶颈。因此，链下技术（Layer 2）被提出用于解决这一问题。链下扩容方案允许在有限的节点间直接处理交易，无需全网广播，从而显著提高交易处理效率。

链上链下协同治理在区块链技术中提供了一个架构，使得区块链与传统的信息处理系统可以互补，提高整体性能与可用性，同时维护了区块链的核心优势，如安全性、不可篡改性和分布式共识。这种协同治理的具体应用主要表现在以下几个方面：

链上链下协同的文件系统

这一系统解决了区块链在处理大规模数据时的限制，特别是文件存储方面。由于区块链的每个节点都需要存储全部数据，因此当数据量大时，这种模型变得不切实际。链上链下协同的文件系统通过将文件的实际内容存储在链下的可信存储系统中，而将文件的元数据（如哈希值、文件所有者的签名、文件的访问地址等）存储在链上来解决这个问题。这样做的优点包括：

• 效率提高：由于不需要在所有节点上存储文件的实际内容，网络负担大大减轻。

• 成本降低：存储需求减少，相应的存储成本也大幅下降。

• 安全性和隐私：文件内容不在链上公开，增加了数据的安全性和隐私性。

链上链下协同的数据处理系统

链上链下协同的数据处理系统致力于优化数据的增删改查操作。区块链的不可变性使得其在数据处理上存在局限，尤其是在处理复杂的数据结构或需要高频更新的场景中。链上链下协同通过以下方式解决这些问题：

• 增操作（上链操作）：在区块链上进行的操作涉及到多方协作和复杂的密码学验证，常常导致处理缓慢和成本高昂。通过实施Layer 1和Layer 2的扩容方案，将大数据量的处理和存储移至链下，只将必要的数据同步至链上，减轻了区块链的负担。

• 查操作（查询操作）：数据一旦上链，便是不变的。链上链下协同模型提出将复杂的数据查询操作转移到链下进行，利用传统数据库的强大处理能力进行数据分析和查询，只将必要的验证操作保留在链上。

  

模块化安全密码学协议

在链上链下协同模型中，安全密码学协议起到核心作用，确保数据在链上和链下传输和处理过程中的安全性。这些协议包括但不限于：

• 加密技术：数据在链下处理过程中全程加密，保证数据的机密性和完整性。

• 零知识证明：允许一方向另一方证明某个陈述的正确性，而无需透露除了这个陈述的真实性以外的任何信息，增强了数据处理的隐私性。

大规模高性能点对点网络

这种网络架构用于支持在链上链下模型中的数据传输，提高了数据处理的速度和效率，同时减少了对区块链主网的依赖，提高了系统的可扩展性和灵活性。

分布式身份标识（DID）

布式身份标识（DID）是一个全面的分布式身份管理和可信数据交换规范，旨在优化身份验证流程并加强用户隐私保护。在这一系统中，权威机构对用户进行了KYC（了解你的客户）认证并颁发了数字凭据。关键的是，DID允许用户将自己的身份标识的摘要公布到区块链上，而将更敏感的个人数据保留在链下，这一策略对于保护用户隐私至关重要。

DID的运作机制

1. 明确授权与选择性披露：用户在使用身份凭证时，不需展示全部信息，仅需通过少量的信息或加密证明，即可与链上的数据进行对照校验。这种方法不仅确保了用户凭证和数据的可信性，还极大地简化了用户操作，实现了“数据多跑路，用户少跑腿”的理念。

2. 隐私与安全的双重保障：将数据存储在链下并不削弱链上数据的功效，反而增强了区块链授信模型的重要性。通过这种设计，DID完美地结合了链上的透明度和链下的隐私保护，确保了逻辑闭环的自洽性和高安全性。

3. 标准化的数据结构与交互协议：DID规范提供了清晰且层次分明的数据结构和一套通用的交互协议，这有助于不同系统和平台之间的无缝集成和互操作性。

4. 开源实现与生态支持：开源项目如WeIdentity已完整实现了DID协议，为开发者和企业提供了丰富的支撑工具和服务，进一步促进了DID技术的普及和应用。

实际应用展望

在实际应用中，DID的设计原则和技术实现为解决现代数字身份管理中的多项挑战提供了有效工具。从保护个人隐私到简化用户体验，再到提高系统的整体安全性和可靠性，DID已显示出其广泛的潜力和多方面的优势。随着技术的进一步成熟和更多实际部署案例的出现，预期DID将在全球范围内被广泛接受和应用，尤其是在那些对安全性和隐私保护要求极高的行业如金融、医疗和政府服务等领域。

来源：金色财经