区块链共识机制与分片

区块链共识机制与分片 丹尼尔·艾丹，乔恩·弗罗斯特，鲁德拉克什·坎萨尔，乌尔夫·莱维里克，桑赫·利姆和托马什·瑞巴茨基 2026年7月6日 国际清算银行（BIS）公告由国际清算银行工作人员撰写，有时也由其他经济学家撰写，并由该行出版。这些公告涉及当前感兴趣的主题，具有技术性。本出版物中表达的观点是作者的观点，不一定反映国际清算银行或其成员中央银行的看法。作者感谢Matteo Aquilina、Sebastian Doerr、Pablo Hernández de Cos、Hyun Song Shin和Leanne Zhang提出的有益评论和建议，以及感谢Nicola Faessler提供的行政支持。 本出版物可在国际清算银行网站（www.bis.org）上获取。 © 国际清算银行 2026 年。版权所有。经注明出处后，可复制或翻译部分摘录。 ISSN: 2708-0420 (online)ISBN: 978-92-9259-964-5 (online) daniel.eidan@bis.orgjon.frost@bis.orgrudraksh.kansal@bis.orgulf.lewrick@bis.orgsanghyuk.lim@bis.orgtomasz.rybarczyk@bis.org丹尼尔·伊迪安乔恩·弗罗斯特·坎萨尔乌尔夫·莱维里克 桑·李姆 托马什·里巴茨基 区块链共识机制与分片 关键要点 • 尽管所有无许可区块链都使用基于代币的激励措施来维持诚实的验证，但验证者奖励、协调和参与方式的差异，导致了在去中心化、安全性和可扩展性之间不同的均衡状态和权衡。 • 这些权衡支撑了多层1级网络的涌现和多层2级解决方案的扩展，导致基础设施、流动性和资产在链间及链内出现碎片化。 • 用于缓解碎片化的工具——例如桥梁和原生多链发行——可以减少摩擦，但它们也重新引入了对信任、治理和运营弹性的新依赖。 公共许可链通过使用去中心化、开放的基础设施，减少了对中心化中介的依赖。自比特币和以太坊出现以来，基于分布式账本技术（DLT）的活动迅速扩展，涵盖支付、去中心化金融以及更广泛的数字资产市场。然而，并非所有网络都趋同于单一的可扩展基础设施，而是出现了众多网络，导致流动性分散，网络效应减弱。本公告描述了共识机制，探讨了碎片化产生的原因，并分析了其对市场结构和弹性的影响。 我们考察了许可链上共识机制如何平衡去中心化、安全性和可扩展性。¹ 这些选择塑造了验证者的参与度、成本和协调方式，并在不同的一层（L1）区块链上产生了不同的均衡状态。它们也推动了执行链下操作的二层（L2）解决方案的增长。L1 是直接在共享账本（链上）中验证、处理和最终确定交易的基础网络。L2 则在 L1 之上运行，以提高效率和可扩展性。我们评估了这种架构如何在链间和链内分散活动，以及缓解工具如何在减少摩擦的同时引入新的信任、治理和运营依赖。最后，我们总结了关于许可链作为金融市场基础设施的潜在作用以及政策的启示。网络附录提供了更多细节和术语表。 共识机制：均衡与权衡 区块链是仅支持追加操作的共享数据库（账本），由可能彼此不认识或不信任的验证者维护。在无需许可的设置中，任何人都可以尝试验证或提议区块；因此，必须使验证者的私人收益与连贯账本（例如 Budish (2025)；Saleh (2021)）的公共利益相一致。参与取决于特定的链要求，例如能源。 1.无需许可的区块链依赖于所谓的共识机制，并以代币形式提供激励，以协调那些身份隐藏在地址（化名）之后参与者。任何拥有所需软件的人都可以参与，无需事先批准。需要许可的区块链使用经过批准（已知）的验证者并建立了治理机制。因此，后者类似于传统金融体系中的治理结构，优先考虑可扩展性和安全性而非去中心化（Bains(2025)）。 工作支出、最低“锁定”资源（权益）、硬件容量以及投票或参与成本（例如鉴证或投票费用）。 为维持一个诚实的均衡状态，验证者不仅需要因运营成本获得补偿，还需要因依赖其他验证者参与而产生的协调风险获得补偿。例如，比特币矿工需要承担能源和硬件成本来赚取区块奖励（工作量证明）。以太坊验证者必须锁定其原生代币（以太币），并因偏离预定规则而面临“削减”处罚（质押代币的损失）（权益证明）。这些以及其他激励措施塑造了验证者的行为，并决定了是否维持共识。验证者集合规模过大会提高协调成本，而过度集中则会增加中断或被控制的风险（Auer等人，2025年）。从经济学的角度来看，区块链共识机制最好被理解为一系列代币激励的均衡状态（由“代币经济学”支持），其中验证者的行为取决于奖励、处罚和参与成本如何构建。 图1 1 三角形位置代表了共识机制的一般趋势。三角形的精确形状和位置可能因区块链的实现和配置而异。2 工作量证明（PoW）和权益证明（PoS）支持广泛的验证者参与，从而实现去中心化，但在第一层网络中可能引入可扩展性限制。 来源：BIS（2022），Buterin（2021）；作者阐述。 “区块链三难”凸显了去中心化、安全性与可扩展性之间的权衡（Buterin (2021)）。共识机制在这些维度上各有侧重（图1）。允许众多验证者独立验证和确认区块，有助于支持去中心化与安全性，但也增加了通信与验证成本。这限制了吞吐量并提高了延迟（即确认交易所需的时间），正如工作量证明与权益证明区块链（红色三角形）所示。相比之下，优先考虑可扩展性的设计通过减少验证者数量或提高硬件要求，实现了更高的吞吐量和更低的延迟确认，但这缩小了参与范围并削弱了去中心化，例如委托权益证明（如Tron）或权益证明权威（如BNB智能链）（蓝色三角形）。这些设计选择反映的是不同的经济均衡，而非纯粹的技术限制。 安全考量强化了这些权衡。当区块链所保障的价值增加时，为攻破网络所需资源——即攻击成本——也必须随之提高，以遏制恶意行为。在许可链上，这些成本由用户通过费用、拥堵租金或代币稀释来承担，这意味着更高的安全标准伴随着更严格的容量限制。 L1网络具有独特的共识机制，塑造了成本、延迟和弹性（即从干扰中恢复的能力）。它们的共存反映了平台之间为吸引用户而进行的竞争。 多样化的需求和偏好。早期的区块链，如比特币和以太坊，通过广泛的验证者参与来优先考虑去中心化和安全性。这种方法限制了可扩展性：当对稀缺区块空间的需求数量上升时，拥堵加剧，交易费用增加，从而将更多价格敏感的用户挤出市场（Boissay等人，2022年；Shin，2026年）。当安全性依赖于大型验证者集合和频繁的协调时，权益证明系统也可能面临可扩展性限制。为此，更新的L1通过采用更小的验证者集合或更高的硬件要求等更大程度的中心化措施，来提高吞吐量，同时降低延迟和费用（表1；网络附录中的表A.1）。 作者阐述。 网络的多样性将用户和流动性分隔在不同的、各自为政的网络之间。虽然以太坊在去中心化金融（DeFi）领域仍然占据主导地位，但新的L1层（L1s）已经“横向”扩展（图2.A）。其中一些已经消失，例如Terra——它在2022年以前发展迅速，但随后以惊人的速度失败——或者使用率下降，例如Fantom。与此同时，一些网络正转向模块化架构，将功能“纵向”分割到不同层级，在专业层级之间提供执行、结算、数据可用性和排序的分离（图2.B）。虽然具体的设计特点各不相同（参见在线附录中的表A.2），但所有L2解决方案都是通过链下处理交易来运作的。 将结果写回其基础L1以进行结算和数据可用性。2 模块化在系统稳健且治理清晰时提高了效率。但它也创建了不同的执行环境，每个环境都有其自身的交易排序、定价和故障点。L2s发展自己的流动性池和治理机制，给网络拼凑图增加了垂直碎片化。因此，模块化重新分配了各层之间的权衡，而不是消除它们，并引入了新的治理和互操作性挑战。 缓解机制：益处与权衡 L1和L2网络间日益增长的碎片化增加了跨区块链连接资产、流动性和应用的需求。这些缓解机制旨在在保持基本安全和无许可参与的同时减少摩擦。但它们都无法完全消除碎片化。相反，它们通过引入新的信任假设、治理安排和运营依赖关系来转移风险。 • 桥接协议。桥接协议通过在一个网络上锁定资产并在另一个网络上发行（铸造）相应的代表物来转移价值跨链。桥接协议可以通过托管组、保护者集合、中继器/预言机或链上轻客户端验证来实现。桥接协议对用户很方便，但它们集中了风险：密钥被攻破、消息被伪造以及智能合约中的漏洞导致了重大损失（例如 2022 年 3 月 Ronin 网络黑客攻击造成的 6.25 亿美元损失）。 • 本地多链发行。大型发行方（例如稳定币发行方）在多条链上铸造其代币的原生版本。虽然这些代币名称相同，但它们不能跨链转移。 2种Rollup：L2扩展的一个例子是Optimistic Rollup，它将批量交易和压缩后的数据上传至基础链，从而降低费用，同时继承了L1的安全性。其 假设在挑战窗口期内提交欺诈证明即可确认有效性，而Zero-Knowledge Rollup则使用有效性证明来实现更快的最终确定性，但实现复杂度更高。其他模型还包括Validium侧链（大部分数据存储在链下，改变了数据可用性假设，例如Polygon PoS，它是独立于状态通道且已桥接的，但并未继承L1的安全性）以及（例如闪电网络，它将重复交互移至链下处理，并定期通过L1进行结算）。在线附录中的表A.2提供了更详细的信息。 链上，同一用户在每个链上拥有不同的钱包地址（图3.A）。每个版本通常在其自己的流动性池中进行交易，加剧了碎片化，并增加了对跨链套利者的依赖，以弥补价格差异。这种形式的发行将运营负担从桥梁转移到了发行方协调、国库管理和跨链一致治理上。 • 用于安全、数据和排序的共享层。一些生态系统试图通过向多个Rollup提供共享服务来减少其环境中的碎片化。这包括共享安全，即一个共同的质押池支持多个L2；共享数据可用性层，用于存储和发布交易数据，以便任何人都可以验证执行；以及共享排序器，用于确定跨Rollup的交易顺序。通过协调执行和减少延迟，这些共享层可以提高效率并限制租金的范围。同时，它们将治理和运营风险集中在少数几个组件中，这些组件可能在生态系统中具有系统性相关性。 互操作性协议（消息传递/状态协调）。与跨区块链转移资产不同，互操作性协议允许通过验证的消息或证明进行链间通信，从而使用户能够远程执行操作（例如铸造、赎回、结算）。一些系统依赖加密验证，其中一个区块链在链上验证另一个区块链的状态。另一些系统则依赖外部参与者（例如中继器或预言机）来传递消息。通过将资产保留在其原始区块链上，这些设计减少了重复和碎片化，但也引入了新的信任假设，即应通过链上验证而非外部中介来最小化信任。 日益加剧的碎片化促使互操作性协议的使用快速增长（图表3.B）。缓解机制可以减少一些摩擦，但会引入新的依赖。随着私营部门实验的持续，结合可验证安全性、透明治理和明确定义的失效模式的设计更有可能出现，并且更加健壮。与此同时，市场参与者可能会围绕有限数量的共享层趋同，这要求人们更加关注其运营弹性和治理安排。 无许可区块链作为金融市场基础设施的前景 无许可区块链，包括其上构建的应用，旨在提供通用目的的金融基础设施。然而在实践中，具有约束力的经济因素驱使它们走向专业化和碎片化。共识权衡会产生多个均衡状态，而非趋同于单一、统一的设施。旨在重新连接碎片化系统的缓解机制往往会重新引入中介和新的依赖关系。这些动态限制了无许可链在不进行额外治理和监督的情况下，自然演变为金融市场基础设施（FMIs）的程度。如果无许可区块链要支持类似于FMIs的功能，就需要考虑以下几个政策维度： • 运营与网络弹性。多样的共识机制、验证者激励措施和治理模式增加了风险评估、事件响应和恢复规划的复杂性。虽然围绕通用中间件进行整合可以减少碎片化，但如果少数共享服务对系统运行变得至关重要，则可能产生关键故障点。 • 监管范围与监管。共享排序器、数据可用性层和跨链消息服务越来越多地承担与传统市场基