聲明：本文來自于微信公眾號藍狐筆記(ID：lanhubiji )，授權轉載發布。
在現實商業的應用場景，所涉及的計算是巨大，甚至有數萬億的邏輯步驟計算，要處理大量的數據，這在區塊鏈上幾乎是不可能完成的。
區塊鏈的擴展問題是行業關注的焦點之一。因為，只有解決了擴展性問題，才能為區塊鏈走向主流鋪平道路。只有解決了擴展性問題，才能讓dApp的用戶體驗達到App的用戶體驗水平，才能推動普通用戶進來使用。
區塊鏈是一個去中介化的無須許可網絡，任何人都可以參與，這意味著區塊鏈要達成共識，共識帶來安全，但同時也帶來了極高的成本：交易吞吐量小，交易處理時間長、費用高。
為了解決這些問題，目前有一層擴展和二層擴展的方案。一層(layer1)是橫向擴展，目前主要有分片、共識機制的優化(如DPoS)等。二層(layer2)是縱向擴展，包括Plasma、狀態通道、側鏈等方式。迄今為止，有一些進展，但還不足以讓擴展性發生根本性的改變。尤其是考慮到它們還無法滿足dApp的擴展性需求，如游戲、社交網絡等。這些dApp都無法真正一展拳腳，尤其是涉及到大規模計算時。
那么，有沒有方案能夠解決這些問題?能夠讓dApp達成App的體驗?能夠讓普通用戶真正使用上dApp，享受到dApp帶來的好處?
藍狐筆記最近關注到Cartesi項目的解決方案，讓人印象深刻。它在二層(layer 2)上的擴展方案有自己非常獨特的切入點，值得dApp開發者和整個區塊鏈行業的關注。
Cartesi試圖成為區塊鏈的計算層
區塊鏈主鏈上計算和存儲的成本非常高，像游戲、社交、視頻等領域的應用都無法在主鏈上直接運行。大規模的計算必須在鏈下進行。
那么，如果不是基于區塊鏈運行應用，跟傳統的App有什么區別?
這里的解決思路是，從實際場景的需求本質出發，而不是在技術上進行死磕，陷入死胡同。我們沒有辦法就所有事情都達成全局共識，而實際上，我們也沒有必要就所有事情達成全局共識。
大多數情況下，我們只需達成局部共識。只有極其重要的數據才需要達成全局共識。大多數事情，往往都是小部分參與者之間才真正感興趣的，只要這小部分參與者之間達成共識就可以了。比如，我們去超市買一瓶水，我們沒有必要跟律師打電話，也沒有必要讓地球上的所有人都知道你買了一瓶水。只有在發生糾紛時才需要進行仲裁。
基于這種思路，產生了layer2 的解決方案，而Cartesi就是其中的一種解決方案。Cartesi不是公鏈，它是去中心化的通用計算平臺，試圖成為區塊鏈的計算層，旨在為公鏈和dApp開發者提供通用計算服務。
Cartesi作為區塊鏈的計算層，它將底層鏈智能合約執行所需的大量計算接手過來，讓底層鏈發揮其安全特性，專注于價值存儲和轉移，專注于結算結果的存儲;與此同時，dApp開發者基于Cartesi，可以使用熟悉的編程語言、工具、庫、軟件以及服務來開發dApp。dApp的大多數復雜計算邏輯都通過鏈下來解決，開發者只須專注于業務邏輯的構建，但與此同時，能夠開發出類似于App體驗的dApp應用。
有了其他layer2，為什么還需要Cartesi
Layer2 分擔了layer1 的擴展性壓力。layer2 的存在不僅是為了解決layer1 中全局共識資源高昂成本的問題，更是為了順應這樣的一種事實：并非所有的事情都需要達成全局共識。
只有跟該共識相關的群體才需要達成一種共識。部分參與者的協作可以在鏈下進行，但為了防止出現糾紛，一般情況下，layer2 的參與者需要在鏈下交互時存入押金，如果是以太坊鏈，一般會存入ETH。
通過質押資產，所有參與者在鏈下進行互動，然后將其互動操作的重要結果提交到主鏈，主鏈完成全局狀態的更新。如果這個過程中，有任何參與者產生惡意行為，其他相關方可以向主鏈發起申訴以尋求解決。惡意行為一旦得到確認，惡意行為者的抵押資產可能會被扣除。
Layer2 的模式將layer1 不僅看作為價值存儲和轉移的地方，也視作為具有最高安全性的共識仲裁法院。而layer2 是各種局部參與者之間進行互動的地方，大家都受制于獎懲機制，受制于具有公信力的layer1 的制約。
Cartesi也有類似的思路，只須參與方才需要執行大量的鏈下計算，計算結果提交到鏈上合約進行驗證，確保執行結果的可信。
雖然基本上layer2 都是這種思路，但Cartesi也針對layer2 的一些不足進行了改進。
比如layer2 方案要求主鏈可以解決可能出現的糾紛。有時候會出現糟糕的情況，比如需要在通道開啟時，把大量計算傳到主鏈，這些交易的關閉機制會限制最大計算量。Cartesi則允許Plasma或狀態通道利用Cartesi的計算能力，也就是將計算通過Cartesi來解決，而不是轉移到主鏈。在這些layer2 的解決方案中，如雙方都需要密集計算才能完成爭議處理，而主鏈很難解決這樣的大量計算問題。
此外，Cartesi跟其他layer2 解決方案不同，它不一定要求dApp應用的各相關方同時在線。
這就是Cartesi相對于其他layer2 方案的不同之處，從本質上來說，它不僅是layer2 的解決方案，更是去中心化的通用計算平臺，連接了公鏈和dApp的開發者，為雙方提供計算服務。
Cartesi如何運作?
從整體的思路上，Cartesi跟多數layer2 方案有相似之處，不過在具體的解決方案上，Cartesi有它的獨特之處。
Linux的開發環境
Cartesi推動了一種dApp的開發模式，它將dApp的開發環境提到了新的高度：轉向了Linux開發環境。
Cartesi虛擬機旨在為dApp的大規模運行提供支持，所以，它要考慮解決當前智能合約虛擬機的問題?，F有的智能合約虛擬機運算相對簡單，比如執行賬戶余額的運算、計算哈希值或調用合約等。
而現實的商業應用需要能響應設備、分配內容、跟其他程序復雜交互、海量的計算執行等。有了操作系統的支持，這些應用可以有序運行。指令集體系結構和操作系統相互支持，硬件可以為操作系統提供硬件功能，操作系統通過這些功能來協同所有程序的運行。
當前的智能合約虛擬機還無法實現類似功能，它們并沒有操作系統的支持。
為了解決這個問題，Cartesi引入了開源的RISC-V指令集體系結構，Linux內核已經移植到RISC-V上，RISC-V有成熟的編譯器。
也就是說，Cartesi準備通過這種方式，將鏈外的計算能力引入鏈上。
同時，Cartesi節點還可以讓dApp開發者在本地運行代碼。在本地執行代碼和在Cartesi虛擬機系統內執行代碼，都會在Linux操作系統下運行。Linux可以提供復雜計算所需要的完整生態系統。
Cartesi虛擬機
基于Cartesi上開發的dApp包括鏈上和鏈下模塊。其中鏈下模塊在Cartesi節點內運行。當然，也可以在本地執行代碼，但本地計算不可重現。要實現重現，必須運行在Cartesi虛擬機中，在Cartesi節點中執行代碼。那么重點來了，這是Cartesi項目中需要關注的重點之一，它就是Cartesi虛擬機。
Cartesi虛擬機有兩點值得關注：一是完全獨立。二是計算可重現。它的獨立性意味著可以實現確定性，無須擔心外部輸入以非確定性方式來改變機器的狀態(鍵盤、時鐘中斷等)。它的計算可重現意味著其具有可信的特點。Cartesi虛擬機從相同的初始狀態開始運行經過相同的處理器周期，最終會達完全相同的狀態。
也就是說，Cartesi中的可重現計算運行在確定性的RISC-V虛擬機上。它受Cartesi節點控制，且自包含了Linux系統，節點通過一些確定的主機接口與Cartesi虛擬機進行交互。
對于Cartesi的dApp開發者來說，他們可以指定鏈下計算采用可重現的方式，Cartesi的節點會根據指定執行。dApp開發者可以請求節點提交計算結果，并在鏈上進行驗證。在這種情況下，主鏈處理爭議結果無須占用太多資源。
同時，Cartesi虛擬機需要考慮區塊鏈的驗證要求。為了實現可信，整體架構的實施必須容易審計和開放。這也是Cartesi采用RISC-V的重要原因。
RISC-V有很多社區開發者支持。他們搭建了軟件的基礎底層，如Linux操作系統的端口和GNU工具鏈。Cartesi虛擬機以確定性方式將其整個狀態映射到物理內存。
Cartesi虛擬機的鏈下執行除了完成計算執行之外，還支持解決有關計算結果的爭議。為了提供這些服務，Cartesi虛擬機的鏈下執行有可編程的接口。
Cartesi虛擬機也是透明的，任何人通過任一時刻的虛擬機狀態，都可以預測下一個處理器周期指令完成后的狀態。Cartesi的這種設計機制保證了可信計算。獲得Cartesi虛擬機初始狀態的不同各方在各自的Cartesi節點中運行Cartesi虛擬機都會獲得完全一致的結果。Cartesi虛擬機的狀態可以通過默克爾樹表達，也意味著可以通過鏈上實現仲裁。
Cartesi虛擬機的鏈上和鏈下
其中鏈下Cartesi虛擬機主要由內存和各種驅動器組成。其中，Linux內核被加載到內存中，其中有的驅動器會包含Linux文件系統。驅動器被看作為Cartesi節點中的普通文件，Cartesi虛擬機將普通文件當作設備給Linux內核掛載，這些設備被掛載后，對于Linux下運行的程序來說，就相當于能讀寫文件和目錄的文件系統。
通過默克爾樹的狀態哈希，Cartesi虛擬機將其狀態在鏈上呈現。狀態包括內存和驅動器、以及其他Cartesi虛擬機運行所需的內容。通過默克爾樹的根哈希，可以判定局部的子狀態是否正確。
爭議的解決機制
當dApp的參與方相互之間產生糾紛時，怎么辦?首先，挑戰方會存入抵押資產發起訴訟，如果被挑戰方想要進行自我辯護，也需要存入同樣價值的抵押資產。
然后雙方陳述過程，鏈上通過根哈希狀態的對比，進行判決。智能合約會查出雙方在運行Cartesi虛擬機第一次產生不一致結果的指令。之后，智能合約通過在鏈上執行此條RISC-V指令，從而獲得狀態的根哈希，智能合約將其與雙方的根哈希進行對比，這樣可以判定誰的結果是正確的。
為了懲罰作惡者，獲勝一方將獲得對方的抵押資產。這可以防止作惡的行為。此外，在鏈上運行單個RISC-V指令相對輕松，因為查出第一次不一致的指令相對容易。鏈上的工作主要是保持哈希的更新，不用關心dApp的邏輯，也用不存儲dApp的操作。同時，由于作惡存在成本，且也能被發現，這導致作惡行為會比較少見。
Cartesi與TrueBit
之前有個項目叫TrueBit，它也有類似的思考架構，將密集計算移至鏈下，并在鏈上進行驗證來解決爭議。雖然基本的思考架構類似，Cartesi跟TrueBit的具體解決方案存在不同。
TrueBit基于WebAssembly做的虛擬機，而Cartesi是基于RISC-V的指令集架構。前者是應用級別，后者是操作系統級別。WebAssembly會帶來外部性，也就是不確定性，因為它用于應用間的協同、應用和用戶或節點的操作系統的交互。而RISC-V更加底層，具有確定性。
此外，TrueBit更專注于智能合約計算能力的擴展，對運行環境更有約束，而真實場景的應用存在交互，Cartesi選擇支持Linux的運行環境，RISC-V能提供更好的服務。
此外，在鏈下計算的動力方面，TrubeBit跟Cartesi存在很大差異。Cartesi的鏈下計算是依賴于智能合約背書，所有參與者都有責任執行鏈下計算，一旦出現爭議，需要提交到鏈上解決。而TrueBit需要通過激勵層的設計來解決糾紛。在TrueBit上，智能合約將計算的需求提交到由不可信方構成的市場，由其中的參與者執行鏈下計算并返回結果。為了保持成員的參與度，帶有錯誤結果的計算誘餌會被投放到激勵市場，這是相對低效的激勵。
此外，Cartesi也考慮了應用中可能出現的大存儲問題，通過Cartesi虛擬機，將代碼和數據狀態的哈希值提交到鏈上，計算只需在相關參與者節點中執行即可，這也使得Cartesi能夠做到鏈下計算的跨鏈。這些是Truebit沒有設計的。
Cartesi對于dApp開發者意味著什么?
Cartesi將密集計算從底層區塊鏈中解放出來，將復雜的邏輯放到鏈下進行可重現計算。Cartesi虛擬機是確定性的計算模型，可以托管現代操作系統。Cartesi虛擬機上的標準工具鏈和操作系統是可用的。這為開發者提供了很多方便。
對于dApp 開發者來說，Cartesi意味著新的dApp開發范式。如果Cartesi能順利落地，dApp的開發者們可以專注于業務本身的構建，而不用擔心是否懂區塊鏈的底層，因為dApp的開發者可以使用熟悉的編程語言和工具來開發dApp，這大大減輕了dApp開發者的研發成本。
與此同時，Cartesi節點為dApp開發者提供了大規?？尚庞嬎?，開發者們可以使用可重現計算的Cartesi虛擬機?？尚庞嬎阃ㄟ^原語集成到公鏈智能合約，原語能夠提供靈活性和復雜邏輯的計算能力。在Cartesi虛擬機計算中如出現有爭議的結果，可以通過主鏈進行仲裁。
此外，由于大規模的鏈下計算，基于Cartesi構建的dApp可以實現在多個鏈上運行。
總言之，Cartesi對于dApp 開發者來說很友好，這將解鎖去中心化應用的潛力，開發者能在熟悉環境下利用dApp的優勢，構建出跟之前完全不同的應用。
結語
要想dApp達成App的用戶體驗，公鏈需要存儲層和計算層的幫忙。關于存儲層的項目，藍狐筆記之前也提到過，這里不做贅述。而計算層方面也是值得關注的部分。
Cartesi的目標旨在成為區塊鏈的計算層，為公鏈和dApp開發者提供去中心化的通用計算平臺。
對于公鏈來說，Cartesi可以幫助其專注于底層鏈的安全和價值存儲，幫助其構建更大的開發者生態;而對于dApp 開發者來說，基于Cartesi開發dApp，可以使用熟悉的編程語言和工具來進行開發，既能享受到dApp的優勢，同時還能有App級別的用戶體驗。
隨著區塊鏈行業的深入發展，整個行業的生態拼圖將會日趨完善，不僅有公鏈、dApp，也有為公鏈和dApp服務的存儲層、計算層等。這些拼圖相互補充和協作，最終推動區塊鏈行業發生質變，從而將區塊鏈的影響力提升到新的高度。
