如何优化Layer 1区块链以实现模块化？

区块链的模块化问题已经讨论了很长时间。在分层架构中，Layer 1 区块链的理想品质是什么？

近期在加密货币领域流行的一种观点认为，要解决区块链 “不可能三角”，即同时实现高安全性、去中心化和可扩展性，最有效的方法是采用分层架构或者说模块化架构。

这种设计将交易执行、共识和数据可用性分离到不同的层中，从而在不牺牲去中心化和安全性的前提下实现更高的吞吐量。这种分层架构不仅很有发展前景，而且从目前的情况来看，它似乎是解决区块链 “不可能三角” 的唯一可行方法。

许多智能合约平台最初是单片区块链，不支持分层架构。然而，最近这些平台开始转向了模块化扩展之路。那么，问题来了：在日益模块化的行业中，Layer 1 区块链应该扮演什么样的角色？要解决区块链 “不可能三角”，在模块化区块链中，理想的 Layer 1 应该专注于什么？

分层架构要求根据功能和责任的不同，将区块链分解成专门的组件。如果说单片区块链试图成为各行各业的 "万金油"，但最终却一无所长，那么在分层网络中，每一层都应该具备独特的专长。对于 Layer 1 来说，这个专长应该是什么呢？

区块链是用来验证的，不是用来计算的

首先，我们需要搞清楚区块链有什么用。

以太坊的成功推广了智能合约的概念，即 "在区块链上进行的通用计算"。然而，这个概念并非一直流行，要了解它是如何产生的，我们必须从比特币说起。

比特币区块链最初的设计目标很简单：将比特币从一个持有者转移给另一个持有者。然而，随着网络的运行，人们开始在其基础上构建其他应用，包括在交易中添加元数据以创造新的资产和协议。很快，瑞波（Ripple）和恒星（Stellar）等其他项目开始涌现，它们试图解决比特币可编程性差和可扩展性受限的问题，从而使比特币能够支持更多的操作，例如创建用户自定义的资产、搭建去中心化交易所以及在银行之间进行转账等。

然而，这些区块链项目只针对特定应用而设计，功能相当有限。在比特币基础上开发 Mastercoin 协议失去耐心之后，以太坊的创始人 Vitalik Buterin 开始着手创建一个单一的、公共的、“图灵完备” 的区块链，让它可以执行通用的可编程计算。2015 年底，以太坊应运而生，它允许任何人在以太坊区块链上创建智能合约。智能合约是一种与小型数据库相关联的通用程序，只能由拥有该数据库的程序进行修改。

在以太坊（或其他基于账户模型的智能合约平台）上创建智能合约时，需要设置数据库的初始状态，然后通过向合约发送交易来调用合约。根据合约的内部代码，它可以执行各种操作，包括触发其他合约、修改数据库或向调用者发送响应。这里需要注意的是，所有这些步骤都在网络中的每个节点上独立执行或计算，并且结果完全相同。

从表面上看，在区块链上通过智能合约进行各种计算似乎是一个非常好的主意。然而，当人们开始思考区块链究竟是什么以及要做什时，这个看法很快就变味了。

事实证明，计算本质上是不可预测的，这意味着不可能通过简单地查看程序来预知程序的执行结果，也无法确保程序部署后就能够完成执行。这种不确定性在区块链环境中是无法容忍的，因为每个节点都需要就每个区块达成一致。

为了解决这个问题，智能合约平台引入了交易费用或者说 “gas” 的概念。每笔区块链交易在执行之前都会事先说明发送者的 "gas"（通常以区块链的原生货币支付）有多少可以用于处理这笔交易。随着合约逐步在智能合约平台的虚拟机中执行，这些费用会逐渐耗尽。如果在执行完成之前就耗尽了 gas，数据库中的任何更改都会被撤销，这意味着区块链的状态不会发生永久性改变，而 gas 却被消耗掉了。通过这种机制，用户只能在愿意付费的范围内给网络带来负担。

以太坊等智能合约平台还面临另一个基本问题：并发性。并发性指的是系统在不影响结果的情况下，不按顺序或部分顺序处理不同任务的能力。就区块链而言，具有良好并发性的网络可以并行处理多笔交易，从而在可扩展性方面带来巨大优势。

然而，智能合约在并发性方面面临挑战，因为它们需要访问全局状态（存储在区块链上的其他合约信息）才能正常运行。这意味着，如果两个智能合约同时执行，并且它们都试图修改同一段数据，就会发生冲突。为了解决这个问题，智能合约平台必须按照特定的顺序逐个执行交易。这种串行执行（与并发执行相反）可确保所有节点以相同的方式和顺序正确处理所有交易，但同时也会大幅降低区块链的运行速度，因为网络无法同时处理多个交易（这也会延长新用户同步节点所需的时间）。