零知识证明带来高效计算

我们如何在不牺牲网络的信任度的情况下，提升区块链网络处理能力呢？这要从区块链的几个层次说起。可以简单这么理解：Layer 0 是通信层，Layer 1 的是多层结构，其核心是共识层，而链下扩容（搭建在 Layer 1 上的链层）方案可以称为 Layer 2。

相对于Layer1，Layer2而言，Layer 0 的改进与链本身的技术关联度较低，技术上比较容易实现，但因为涉及到基础设施建设，改变起来却也不容易。

首先，我们知道，区块链的底层是一个点对点网络，其每一个节点会链接多个节点，通过Gossip协议，广播区块和消息（交易）。因为一个节点不可能链接所有的节点，因此，一个区块或者消息的同步往往需要多次传递才能实现。但是，因为每一个阶段都在互联网的终端上，那么由于所有的中继都要到端进行，效率非常低。注意，这与现在的互联网是完全不同的，目前的互联网，信息的路由和交换是在网络中进行的，而不是在端，而且互联网从网络层次的角度而言，它不是一个对等网络，而是一个层次化的网络。其中心网络的交换能力远远强于汇聚和边缘的。除此以外，CDN（内容分发网络）在互联网的加速中起到了非常巨大的作用。

自然而然地，我们可以想到，是否区块链也可以像互联网一样地加速呢？答案当然是可以的。已经有一些解决方案出台。比较著名的是 BloXroute的BDN（区块链分发网络），和Marlin Protocol。

共识机制是区块链的基础。在一个无需信任的网络交换信息，获取真相，形成共识是区块链解决的最大问题之一，也是最大的困难之一。但作为一个无需许可、随意进出的分布式系统，区块链不可避免地要面对和克服这个困难。

比特币的解决方案是每10分钟组织一次比赛来解决一个计算难题，获胜者来解决上一个区块以来交易的发生顺序并忠实记录，然后其他节点进行验证从而达成共识。但是，这种成功的“中本聪式工作证明”耗费大量的资源，这些资源的消耗仅仅为争夺出块权，而无任何其他用处，同时速度很慢。这是比特币广受诟病的原因。

勿容置疑，我们需要更好的共识机制。它将允许区块链网络的参与者更有效地达成协议，从而使整个系统每秒可以处理更多事件。对此，以太坊以及Filecoin进行了众多创新以解决这一问题。简单来说，这就是权益证明（POS）。

以太坊的思路是Casper协议，此协议使用经济激励措施和抑制措施来使节点保护网络安全，并使作弊（非常）昂贵。

而Filecoin则采用存储证明和预期共识来实现这一目标。通过这一目标的实现，大量的计算可以被真正地利用来为应用服务。在Filecoin网络中，由于采用了IPFS的内容寻址的方式，其交易信息本身并不需要全部包含在区块内部，因此，理论上，较小的区块头就可以包含大量的交易，也就是说可以承担更高的TPS。Filecoin还解决了数据的存储问题，它并不需要所有的全节点都存储所有的数据，这对区块链应用带来了突破。

零知识证明带来高效计算

共识要解决的一个基本问题就是确保所有交易的正确执行，这在比特币的网络中所有节点都需要对所有交易进行验证，这种验证包括出块权、区块和交易的验证等。借助非对称密码系统，这些验证速度非常快。

但是，如果把区块链用于计算，就如以太坊这样把整个网络作为一台世界计算机，其每一个智能合约的执行和验证过程是一样的。也就是说，应用的执行过程需要在每一个节点上执行。这就带来了计算的瓶颈。无法通过扩展网络来扩大其网络计算能力。

缓解此问题的一种方法是分片，这是一种解决方案，其中只有部分网络执行代码并返回结果，其余部分网络可以验证。这是以太坊 2.0 正在着手实施的方案。如果以太坊2.0支持64个分片，理论上最大可以提升处理能力64倍。然而，这仍然不能解决计算的可扩展性的问题，应用的执行仍然在做大量的重复工作。

零知识证明技术的突破为计算的可扩展性带来了曙光。Zcach背后的团队在2019年推进了一个ZEXE的项目，它可以通过提交代码执行结果以及该结果正确的证明来简化计算。这类似于公私钥体系。这样应用的计算可以由少数节点进行，或者仅仅由拥有出块权的节点进行，而结果的正确性证明由其他节点验证即可，无需重复计算。如此一来，网络就可以采用不同节点为不同的应用服务的方式来大大地提高计算效率。

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编译者/作者：币须内容矿池

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