比特币随想 21 - 分层架构

之前的一篇文章讲述了我对分层信任模型的理解。很自然地我们会思考：分层信任模型会产生怎么样的软件架构？

分层架构

分层信任自然会导致分层架构。我们之前提到越是民主信任，其去中心化程度越高、抗审查能力越高；但是，相应的其效率也会随着共识程度需要而降低。这是一个不能两全的问题，必然是会获得一个，而牺牲另一个。

分层设计是软件工程，乃至整个工程学中重要的设计方法。分成设计的核心是：每一层专注一个功能，为上一层提供一些接口；越接近底层，功能应该越稳定；越接近上层，功能应该越丰富。

这种设计有如下优势：

• 在确保接口稳定的基础上，每一层可以相对独立的优化，不需要意识到它的上层；
• 底层如果获得性能提升，其优势会被所有他以上的层享受；
• 底层如果开发新的功能，其上层就会多一个组合因素，新功能会产生更加多的新功能；
• 越往上的层，越可以快速迭代，而不用担心影响其下层；
• 分层后，每一层的开发和设计得到了简化，因为开发人员只需要关注本层实现，学习、开发成本都会降低；
• 分层后，每一层的出现问题的几率都会降低；
• 分层后，每一层可以由不同的开发人员进行开发。

分层设计的弊端在于：

• 接口设计比较困难，因为如果出现接口变化，特别是底层变化，所有上层都会受到影响；
• 如果相对底层的实现出现问题，会影响它的所有上层（依赖层）。

在计算机领域，分层设计无处不在。我举几个例子：

计算机网络

学过计算机的同学肯定知道，目前我们的互联网运行在分层的网络协议之上，其中一个常见的模型如下：

• 物理层，这一层只负责比特的传输，这一层对于比特承载的信息一无所知；
• 链路层，利用物理层，并增加 MAC 地址的概念，并可以进行纠错、限流等操作；
• 网络层，增加了 IP 地址的概念，可以进行路径、服务选择等高级操作，著名的 IP 协议就是这一层的协议；
• 传输层，则利用网络层提供的功能，进行一些端对端的通讯，并且可以确保连接的稳定和数据的完整，TCP 协议就是这一层的代表协议之一；
• 在网上的三层统称为高层，这里就是我们平时经常会看的应用程序协议啦，比如邮件收发协议、FTP协议、HTTP 等等。

这里我们看到了明显的分层结构，以及分层机构的特征：

• 上层协议功能非常丰富，且变化多端，比如 HTTP、FTP 等等，我们还可以构建聊天程序、网购网站等等；而底层对这些应用程序一无所知，比如网络层的设计者完全不需要思考 HTTP 的设计，他们只需要设计好网络层的协议即可；
• 如果在网络层使用了光纤代替电缆，网速会大大提升，那么所有高层应用都会因此受益。

试想，如果计算机网络协议的设计不是分层的，而是一锅烩：比特流和聊天软件放在一起设计？会怎么样？

• 软件 Bug 会成倍增加
• 软件无法和其他软件组合，形成新的软件
• 软件更新困难
• 。。。

总之，软件工程的噩梦无外汇：一锅烩。

计算机软件和操作系统

我们每天使用的操作系统和应用程序也是典型的分层设计。

• 最底层，是我们的硬件，CPU和内存。硬件工程师会开发一种叫做指令集的接口给操作系统调用；
• 操作系统，就是调度计算机资源的层，这一层开放若干成为系统调用的接口；
• 应用层，就是我们平时用的软件，比如 word、魔兽世界等等，这些软件几乎意识不到运行在英特尔或者 AMD 的CPU上，他们看到的只是操作系统提供的系统调用。

同样，试想如果没有分层设计，如果我们想要开发一款游戏，但是需要考虑不同个的 CPU 型号、重新实现系统调用等等，这将是一场软件开发的噩梦。

Layer 1

区块链生态的构建显然应该跟从软件开发的分层设计原则：

• 一层做一件事情，并做好；
• 越往底层越稳定，变化越慢；越往上层越活跃，变化越快；
• 底层的特性增加会让上层组合出现无限可能性

其实这与我们之前讨论的信任分层契合，比特币主网络就是区块链生态的 1 层。

比特币层有哪些特征呢？比特币层无疑是最民主的信任网络。比特币协议构成的网络是目前最稳定（非图灵完备智能合约）、最安全（最高哈希率）、去中心化程度最高（超过 15000 个全节点）的网络层。这些特征刚好符合分层模型中的底层模型特征：

• 做好一件事：去中心化、安全
  • 更慢的出块速度，减少临时分叉
  • 更小的区块链大小，确保可以以最低的成本运行全节点
  • 工作量证明，确保共识难以被修改
• 特性稳定，变化谨慎
  • 提供了上层接口：Script 语言和智能合约
  • Script 的关键字选择非常谨慎，去除了循环、乘法等容易产生危险的指令
  • 比特币社区几乎不会提出需要硬分叉的特性
• 比特币层虽然稳定，但是每个几年会释放新的特性：
  • 2017 年，隔离见证通过软分叉部署，使得闪电网络成为可能
  • 2021 年，Taproot 升级通过软分叉部署，打开了更加丰富智能合约的大门，同时也让闪电网络的吞吐大大提高

我们已经看到，比特币协议的更新周期很长，但是每一次更新都是通过软分叉完成的，而且经过长时间的测试确保不会出现问题。同时，每一次升级要么打开新的二级网络的大门，要么让已有的二级网络受益。

Layer 2

比特币网络的二级、三级网络，以及侧链非常丰富。比如闪电网络（二级）、Liquid 网络（侧链）等实现，RGB 网络协议等等。

其实，比特币社区的发展是互联网发展的一个分支，互联网用了 30 年实现了加密、隐私通讯，但是价值传输仍然不存在加密和隐私，直到 2009 年比特币网络的出现，一个互联网原生的价值传输网络才真正的出现，而后面几年的发展仍然遵循了互联网发展的模式：分层。闪电网络发展了小额支付，而其他应用则实现了互联网原生的金融。

由于分层设计，比特币社区的二级网络可以快速的迭代和实验，每一层的更新升级都会为上一层服务；如果上层应用程序出现致命的问题，并不会影响比特币网络，也不会影响其他同级别的应用。

而且，每一个应用程序可以关注自己的小领域，而不需要担心基础出现问题。这样，很多不同的团体可以加入社区进行试验开发。

结束

作为一个软件工程师，我认为比特币社区的开发模式走在正确的道路。我不知道未来比特币社区会构建出什么样的应用？DeFi 是真实存在的吗？会成功吗？答案并不重要，重要的是，比特币网络会为未来的无限可能提供可靠的基础。