DApp的可预测性能：从应用链到弹性区块空间

Artela 白皮书

6 月 20 日，新锐并行 EVM Layer1 项目 Artela 发布了《全栈并行化》 的白皮书，旨在全面释放区块链可扩展性，使 DApps 具备「可预测的性能」。

可预测性能是指为 DApp 提供可预测的 TPS，这对于某些业务场景的 DApps 至关重要。部署在公链上的 DApp，在一般情况下，必须与其他 DApps 竞争区块链的计算能力与储存空间，因此在网络拥堵的情况下，会对业务运行上带来比较高的交易执行成本和交易时延，极大地制约了 DApp 的快速发展。可以想象，如果用户在使用一个去中心化的即时通信软件时，由于底层的区块链网络的区块空间被其他 DApps 抢占，用户的消息几乎无法发送和接收，这对于用户体验来说是灭顶之灾。

为了解决「可预测性能」的问题，最常见的做法是使用专用于特定应用的区块链（Application-specific blockchain），也称为应用链（Appchain），是一种将区块空间专门用于特定应用的区块链。

Artela 则创新性地提出弹性区块空间（Elastic Block Space, EBS）的解决方案，基于弹性计算概念，从协议级别根据 DApp 的具体需求来动态调整区块资源，为需求高的 DApp 提供独立的扩容区块空间。

本文将会分别介绍应用链和弹性区块空间，并比较两者的优劣。

应用链发展之路

应用链是为运行单个 DApp 而创建的区块链。应用开发者不是在现有的区块链上构建，而是用一个定制的虚拟机从头开始构建一个新的区块链，执行来自用户与应用程序交互的交易。开发人员还可以定制区块链网络堆栈的不同元素——共识、网络和执行，以满足特定的设计要求，从而解决共享网络上的高拥堵、高成本、特性固定等问题。

应用链并不是一个新概念：比特币可以看作是“数字黄金”的应用链，Arweave 可以看作是用作永久储存的应用链，Celestia 可以看作是提供数据可用性的应用链。

从 2016 年开始，应用链不仅包含单片区块链，还包含多链形态，即由多个互联的区块链构建的生态系统，主要代表是 Cosmos 和 Palkadot 等。Cosmos 是第一个设想多个互联区块链世界，致力于解决区块链的跨链交互问题，可以通过 Cosmos SDK 快速开发并启动一条链，设计了 IBC 协议，可以无障碍地进行区块链交互等；Palkadot 目标是成为一个完美的区块链扩容方案，其生态中的链被称为平行链，Palkadot 一开始就推崇共享安全，不同的平行链可以通过交叉共识信息进行通信。

而 2020 年底，随着以太坊扩容研究聚焦在侧链、子网和 Layer2 Rollups 等几种方案当中，应用链也孵化出相应的形态。侧链比如 Polygon，子网比如 Avalanche，都是通过提升侧链或子网的体验和性能，实现整体服务能力的提升；Layer2 Rollups 则以模块化堆栈的形式支持应用链，其中 OP Stack 和 Polygon CDK 受到了众多项目的欢迎，Layer2 Rollups 解决方案的目标是提高以太坊网络的吞吐量和可扩展性，以满足不断增长的交易需求，并提供更加广泛的互通性和互操作性。

目前，已经有大量的应用构建在跨各种平台的应用链当中。例如 Axie 在 2021 年初推出了其以太坊侧链 Ronin；DeFi Kingdoms 在 2021 年底宣布从 Harmony 迁移至 Avalanche 子网；Injective 于 2021 年 11 月推出其使用 Cosmos SDK 构建的 DeFi 应用链；dYdX 在 2022 年中旬宣布产品的 V4 版本将使用 Cosmos SDK 技术构建独立的应用链；Uptick Network 于 2023 年上线服务 Web3 生态应用发展的基础设施的生态应用链 Uptick Chain，基础设施里还有丰富的商业化协议层。

应用链的优劣势

应用链获得运行其主权区块链的全部权力，而不是依赖底层的 Layer1，这是一把双刃剑。

优势上主要有三点：

主权：应用链能够通过自己的治理方案解决问题，保持单独应用项目个体的独立性和自主性，防止各类干扰阻碍；

性能：可以满足应用需要的低延迟和高吞吐量，为用户提供良好的体验，极大提高了 DApp 的实际运作效率；

可定制性：DApp 开发者可以根据他们的需求定制链，甚至可以打造一个生态系统，提供了足够灵活的演进方式。

劣势上同样也有三点：

安全问题：应用链需要为自身的安全负责，包括权衡节点数量、维护共识机制，规避质押风险等，网络相对并不安全；

跨链问题：应用链作为独立的链缺少和其他链（应用）的互操作性，面临跨链问题。集成跨链协议又会增加跨链风险；

成本问题：应用链需要额外搭建的基础设施很多，需要大量成本和工程时间。此外，还包含运行和维护节点的成本。

对于初创公司而言，应用链的劣势对其进入市场运作的 DApp 的影响是非常大的，多数初创公司的开发团队不仅不能很好地解决安全问题和跨链问题，还会被高昂的人力、时间、金钱成本劝退。但是可预测性能又是特定 DApp 的刚需，因此，市场急需一个 Layer1 的可预测性能的解决方案。

弹性区块空间

在 Web2 中，弹性计算是一种常见的云计算模型，它允许系统根据需要动态地扩展或缩减计算机处理、内存和存储资源以满足不断变化的需求，而无需担忧用量高峰的容量计划和工程设计。

弹性区块空间就是根据网络拥堵程度自动调整区块容纳的交易数量，如果对于特定应用的交易，区块链网络通过弹性计算提供稳定的区块空间和 TPS 保障，这就实现了「可预测性能」。

MegaETH 也曾经提出过类似的「弹性动态扩展」的概念，并认为是 DApp 支持大规模采用的必然发展路径。预测了未来 1-3 年将出现以下技术发展：

第一阶段：在验证节点级别进行水平扩展；

第二阶段：链级别的静态扩展；

第三阶段：链级别的动态水平扩展。

而 Artela 真正落地了这个概念，解决了第一阶段“如何协调验证节点水平扩展去支持弹性计算”的核心问题。当 Artela 网络中的协议增长时，它可以订阅弹性区块空间以处理协议用户和吞吐量的增长。弹性区块空间为具有高交易吞吐量需求的 DApps 提供独立的区块空间，允许它们随着增长而扩展。本质上，区块空间决定了区块链每个区块可以存储的数据量，直接影响交易吞吐量。当 DApps 经历交易需求激增时，订阅弹性区块空间变得有用，以高效处理增加的负载，而不影响底层区块链。

弹性计算的实现又分为「实时弹性」和「非实时弹性」，「实时弹性」一般指分钟级别响应扩容，而「非实时弹性」则只需要在一个限定时间内去响应扩容。Artela 采用了「非实时弹性」的方法，即当网络检测到需要扩容时，会发起一个扩容提议，并在一个或多个 epoch 后（而非实时），整个网络的验证节点才会完成扩容，并提交扩容的证明供其他验证者挑战。

Artela 的弹性区块空间方案其实借鉴了很多分布式数据库的理念，也是区块链分片技术的延续。站在“计算分片”的角度，针对有需求的应用流量去扩容，规避了“跨片事务”的问题，使开发者和用户体验与以前无较大差别。同时，采用落地难度相对较小的「非实时弹性」，在满足很多 DApp 实际的需求的情况下，加强了应用性。

值得一提的是，弹性区块空间作为一种横向扩展区块链性能的解决方案，其前提是「交易可并行化」，只有交易并行度做上去后，才需要横向去扩展节点的机器资源，以提升交易吞吐量。

因此对于像以太坊这样的 Layer1，交易串行问题是最直接的性能瓶颈，区块大小也被可变大小的区块 Gas limit 所限制（上限 30,000,000 gas），因此只能寻求 Layer2 扩容方案。

而对于像 Solana 这样的高性能 Layer1，虽然支持交易并行执行，性能也可以横向扩展，但并不能应对需求高峰期间 DApp 的「可预测性能」的问题。Solana 通过实施「本地费用市场」的解决方案，目的是防止任何单一需求的交易垄断稀缺的区块空间，限制了时间性费用上涨，并减轻了突发需求高峰的负面影响。例如，在 NFT 发行期间，NFT 发行者将迅速消耗每个账户的计算单元（CU）限制，之后的交易必须提高优先费用，才能在该账户的有限空间内得到处理。

可以说，Artela 通过弹性区块空间方案以应对交易需求的激增，也是进一步延伸了 Solana 中的「本地费用市场」的概念，不仅确保了 DApp 的「可预测性能」，还防止了全网范围内的费用激增和拥堵，一举两得。

总结

无论是应用链还是弹性区块空间，本质上都是为了解决不同 DApp 对区块链性能有不同需求的问题，或者说「可预测性能」的问题，两种方案没有好与不好，只有合适与不合适。这两种方案让笔者想起了 「胖协议理论」—— 由 Joel Monegro 于 2016 年提出的理论，围绕「加密协议应该如何捕获（比构建在其之上的应用所捕获的集体价值）更多的价值」展开。

应用链实际上是个瘦协议，特别是当 Layer1 采用模块化架构时，协议层完全由应用层定制，虽然给应用带来了更好的价值累积机制，但同时带来了高昂的成本和有限的安全性。

弹性区块空间实际上是个胖协议，是底层 Layer1 协议层的扩展功能，有效地降低了有「可预测性能」需求的参与者的进入门槛，同时协议也可以捕获应用价值，产生正反馈循环。