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在现实商业的应用场景，所涉及的计算是巨大，甚至有数万亿的逻辑步骤计算，要处理大量的数据，这在区块链上几乎是不可能完成的。
区块链的扩展问题是行业关注的焦点之一。因为，只有解决了扩展性问题，才能为区块链走向主流铺平道路。只有解决了扩展性问题，才能让dApp的用户体验达到App的用户体验水平，才能推动普通用户进来使用。
区块链是一个去中介化的无须许可网络，任何人都可以参与，这意味着区块链要达成共识，共识带来安全，但同时也带来了极高的成本：交易吞吐量小，交易处理时间长、费用高。
为了解决这些问题，目前有一层扩展和二层扩展的方案。一层(layer1)是横向扩展，目前主要有分片、共识机制的优化(如DPoS)等。二层(layer2)是纵向扩展，包括Plasma、状态通道、侧链等方式。迄今为止，有一些进展，但还不足以让扩展性发生根本性的改变。尤其是考虑到它们还无法满足dApp的扩展性需求，如游戏、社交网络等。这些dApp都无法真正一展拳脚，尤其是涉及到大规模计算时。
那么，有没有方案能够解决这些问题?能够让dApp达成App的体验?能够让普通用户真正使用上dApp，享受到dApp带来的好处?
蓝狐笔记最近关注到Cartesi项目的解决方案，让人印象深刻。它在二层(layer 2)上的扩展方案有自己非常独特的切入点，值得dApp开发者和整个区块链行业的关注。
Cartesi试图成为区块链的计算层
区块链主链上计算和存储的成本非常高，像游戏、社交、视频等领域的应用都无法在主链上直接运行。大规模的计算必须在链下进行。
那么，如果不是基于区块链运行应用，跟传统的App有什么区别?
这里的解决思路是，从实际场景的需求本质出发，而不是在技术上进行死磕，陷入死胡同。我们没有办法就所有事情都达成全局共识，而实际上，我们也没有必要就所有事情达成全局共识。
大多数情况下，我们只需达成局部共识。只有极其重要的数据才需要达成全局共识。大多数事情，往往都是小部分参与者之间才真正感兴趣的，只要这小部分参与者之间达成共识就可以了。比如，我们去超市买一瓶水，我们没有必要跟律师打电话，也没有必要让地球上的所有人都知道你买了一瓶水。只有在发生纠纷时才需要进行仲裁。
基于这种思路，产生了layer2 的解决方案，而Cartesi就是其中的一种解决方案。Cartesi不是公链，它是去中心化的通用计算平台，试图成为区块链的计算层，旨在为公链和dApp开发者提供通用计算服务。
Cartesi作为区块链的计算层，它将底层链智能合约执行所需的大量计算接手过来，让底层链发挥其安全特性，专注于价值存储和转移，专注于结算结果的存储;与此同时，dApp开发者基于Cartesi，可以使用熟悉的编程语言、工具、库、软件以及服务来开发dApp。dApp的大多数复杂计算逻辑都通过链下来解决，开发者只须专注于业务逻辑的构建，但与此同时，能够开发出类似于App体验的dApp应用。
有了其他layer2，为什么还需要Cartesi
Layer2 分担了layer1 的扩展性压力。layer2 的存在不仅是为了解决layer1 中全局共识资源高昂成本的问题，更是为了顺应这样的一种事实：并非所有的事情都需要达成全局共识。
只有跟该共识相关的群体才需要达成一种共识。部分参与者的协作可以在链下进行，但为了防止出现纠纷，一般情况下，layer2 的参与者需要在链下交互时存入押金，如果是以太坊链，一般会存入ETh。
通过质押资产，所有参与者在链下进行互动，然后将其互动操作的重要结果提交到主链，主链完成全局状态的更新。如果这个过程中，有任何参与者产生恶意行为，其他相关方可以向主链发起申诉以寻求解决。恶意行为一旦得到确认，恶意行为者的抵押资产可能会被扣除。
Layer2 的模式将layer1 不仅看作为价值存储和转移的地方，也视作为具有最高安全性的共识仲裁法院。而layer2 是各种局部参与者之间进行互动的地方，大家都受制于奖惩机制，受制于具有公信力的layer1 的制约。
Cartesi也有类似的思路，只须参与方才需要执行大量的链下计算，计算结果提交到链上合约进行验证，确保执行结果的可信。
虽然基本上layer2 都是这种思路，但Cartesi也针对layer2 的一些不足进行了改进。
比如layer2 方案要求主链可以解决可能出现的纠纷。有时候会出现糟糕的情况，比如需要在通道开启时，把大量计算传到主链，这些交易的关闭机制会限制最大计算量。Cartesi则允许Plasma或状态通道利用Cartesi的计算能力，也就是将计算通过Cartesi来解决，而不是转移到主链。在这些layer2 的解决方案中，如双方都需要密集计算才能完成争议处理，而主链很难解决这样的大量计算问题。
此外，Cartesi跟其他layer2 解决方案不同，它不一定要求dApp应用的各相关方同时在线。
这就是Cartesi相对于其他layer2 方案的不同之处，从本质上来说，它不仅是layer2 的解决方案，更是去中心化的通用计算平台，连接了公链和dApp的开发者，为双方提供计算服务。
Cartesi如何运作?
从整体的思路上，Cartesi跟多数layer2 方案有相似之处，不过在具体的解决方案上，Cartesi有它的独特之处。
Linux的开发环境
Cartesi推动了一种dApp的开发模式，它将dApp的开发环境提到了新的高度：转向了Linux开发环境。
Cartesi虚拟机旨在为dApp的大规模运行提供支持，所以，它要考虑解决当前智能合约虚拟机的问题。现有的智能合约虚拟机运算相对简单，比如执行账户余额的运算、计算哈希值或调用合约等。
而现实的商业应用需要能响应设备、分配内容、跟其他程序复杂交互、海量的计算执行等。有了操作系统的支持，这些应用可以有序运行。指令集体系结构和操作系统相互支持，硬件可以为操作系统提供硬件功能，操作系统通过这些功能来协同所有程序的运行。
当前的智能合约虚拟机还无法实现类似功能，它们并没有操作系统的支持。
为了解决这个问题，Cartesi引入了开源的RISC-V指令集体系结构，Linux内核已经移植到RISC-V上，RISC-V有成熟的编译器。
也就是说，Cartesi准备通过这种方式，将链外的计算能力引入链上。
同时，Cartesi节点还可以让dApp开发者在本地运行代码。在本地执行代码和在Cartesi虚拟机系统内执行代码，都会在Linux操作系统下运行。Linux可以提供复杂计算所需要的完整生态系统。
Cartesi虚拟机
基于Cartesi上开发的dApp包括链上和链下模块。其中链下模块在Cartesi节点内运行。当然，也可以在本地执行代码，但本地计算不可重现。要实现重现，必须运行在Cartesi虚拟机中，在Cartesi节点中执行代码。那么重点来了，这是Cartesi项目中需要关注的重点之一，它就是Cartesi虚拟机。
Cartesi虚拟机有两点值得关注：一是完全独立。二是计算可重现。它的独立性意味着可以实现确定性，无须担心外部输入以非确定性方式来改变机器的状态(键盘、时钟中断等)。它的计算可重现意味着其具有可信的特点。Cartesi虚拟机从相同的初始状态开始运行经过相同的处理器周期，最终会达完全相同的状态。
也就是说，Cartesi中的可重现计算运行在确定性的RISC-V虚拟机上。它受Cartesi节点控制，且自包含了Linux系统，节点通过一些确定的主机接口与Cartesi虚拟机进行交互。
对于Cartesi的dApp开发者来说，他们可以指定链下计算采用可重现的方式，Cartesi的节点会根据指定执行。dApp开发者可以请求节点提交计算结果，并在链上进行验证。在这种情况下，主链处理争议结果无须占用太多资源。
同时，Cartesi虚拟机需要考虑区块链的验证要求。为了实现可信，整体架构的实施必须容易审计和开放。这也是Cartesi采用RISC-V的重要原因。
RISC-V有很多社区开发者支持。他们搭建了软件的基础底层，如Linux操作系统的端口和GNU工具链。Cartesi虚拟机以确定性方式将其整个状态映射到物理内存。
Cartesi虚拟机的链下执行除了完成计算执行之外，还支持解决有关计算结果的争议。为了提供这些服务，Cartesi虚拟机的链下执行有可编程的接口。
Cartesi虚拟机也是透明的，任何人通过任一时刻的虚拟机状态，都可以预测下一个处理器周期指令完成后的状态。Cartesi的这种设计机制保证了可信计算。获得Cartesi虚拟机初始状态的不同各方在各自的Cartesi节点中运行Cartesi虚拟机都会获得完全一致的结果。Cartesi虚拟机的状态可以通过默克尔树表达，也意味着可以通过链上实现仲裁。
Cartesi虚拟机的链上和链下
其中链下Cartesi虚拟机主要由内存和各种驱动器组成。其中，Linux内核被加载到内存中，其中有的驱动器会包含Linux文件系统。驱动器被看作为Cartesi节点中的普通文件，Cartesi虚拟机将普通文件当作设备给Linux内核挂载，这些设备被挂载后，对于Linux下运行的程序来说，就相当于能读写文件和目录的文件系统。
通过默克尔树的状态哈希，Cartesi虚拟机将其状态在链上呈现。状态包括内存和驱动器、以及其他Cartesi虚拟机运行所需的内容。通过默克尔树的根哈希，可以判定局部的子状态是否正确。
争议的解决机制
当dApp的参与方相互之间产生纠纷时，怎么办?首先，挑战方会存入抵押资产发起诉讼，如果被挑战方想要进行自我辩护，也需要存入同样价值的抵押资产。
然后双方陈述过程，链上通过根哈希状态的对比，进行判决。智能合约会查出双方在运行Cartesi虚拟机第一次产生不一致结果的指令。之后，智能合约通过在链上执行此条RISC-V指令，从而获得状态的根哈希，智能合约将其与双方的根哈希进行对比，这样可以判定谁的结果是正确的。
为了惩罚作恶者，获胜一方将获得对方的抵押资产。这可以防止作恶的行为。此外，在链上运行单个RISC-V指令相对轻松，因为查出第一次不一致的指令相对容易。链上的工作主要是保持哈希的更新，不用关心dApp的逻辑，也用不存储dApp的操作。同时，由于作恶存在成本，且也能被发现，这导致作恶行为会比较少见。
Cartesi与TrueBit
之前有个项目叫TrueBit，它也有类似的思考架构，将密集计算移至链下，并在链上进行验证来解决争议。虽然基本的思考架构类似，Cartesi跟TrueBit的具体解决方案存在不同。
TrueBit基于WebAssembly做的虚拟机，而Cartesi是基于RISC-V的指令集架构。前者是应用级别，后者是操作系统级别。WebAssembly会带来外部性，也就是不确定性，因为它用于应用间的协同、应用和用户或节点的操作系统的交互。而RISC-V更加底层，具有确定性。
此外，TrueBit更专注于智能合约计算能力的扩展，对运行环境更有约束，而真实场景的应用存在交互，Cartesi选择支持Linux的运行环境，RISC-V能提供更好的服务。
此外，在链下计算的动力方面，TrubeBit跟Cartesi存在很大差异。Cartesi的链下计算是依赖于智能合约背书，所有参与者都有责任执行链下计算，一旦出现争议，需要提交到链上解决。而TrueBit需要通过激励层的设计来解决纠纷。在TrueBit上，智能合约将计算的需求提交到由不可信方构成的市场，由其中的参与者执行链下计算并返回结果。为了保持成员的参与度，带有错误结果的计算诱饵会被投放到激励市场，这是相对低效的激励。
此外，Cartesi也考虑了应用中可能出现的大存储问题，通过Cartesi虚拟机，将代码和数据状态的哈希值提交到链上，计算只需在相关参与者节点中执行即可，这也使得Cartesi能够做到链下计算的跨链。这些是Truebit没有设计的。
Cartesi对于dApp开发者意味着什么?
Cartesi将密集计算从底层区块链中解放出来，将复杂的逻辑放到链下进行可重现计算。Cartesi虚拟机是确定性的计算模型，可以托管现代操作系统。Cartesi虚拟机上的标准工具链和操作系统是可用的。这为开发者提供了很多方便。
对于dApp 开发者来说，Cartesi意味着新的dApp开发范式。如果Cartesi能顺利落地，dApp的开发者们可以专注于业务本身的构建，而不用担心是否懂区块链的底层，因为dApp的开发者可以使用熟悉的编程语言和工具来开发dApp，这大大减轻了dApp开发者的研发成本。
与此同时，Cartesi节点为dApp开发者提供了大规模可信计算，开发者们可以使用可重现计算的Cartesi虚拟机。可信计算通过原语集成到公链智能合约，原语能够提供灵活性和复杂逻辑的计算能力。在Cartesi虚拟机计算中如出现有争议的结果，可以通过主链进行仲裁。
此外，由于大规模的链下计算，基于Cartesi构建的dApp可以实现在多个链上运行。
总言之，Cartesi对于dApp 开发者来说很友好，这将解锁去中心化应用的潜力，开发者能在熟悉环境下利用dApp的优势，构建出跟之前完全不同的应用。
结语
要想dApp达成App的用户体验，公链需要存储层和计算层的帮忙。关于存储层的项目，蓝狐笔记之前也提到过，这里不做赘述。而计算层方面也是值得关注的部分。
Cartesi的目标旨在成为区块链的计算层，为公链和dApp开发者提供去中心化的通用计算平台。
对于公链来说，Cartesi可以帮助其专注于底层链的安全和价值存储，帮助其构建更大的开发者生态;而对于dApp 开发者来说，基于Cartesi开发dApp，可以使用熟悉的编程语言和工具来进行开发，既能享受到dApp的优势，同时还能有App级别的用户体验。
随着区块链行业的深入发展，整个行业的生态拼图将会日趋完善，不仅有公链、dApp，也有为公链和dApp服务的存储层、计算层等。这些拼图相互补充和协作，最终推动区块链行业发生质变，从而将区块链的影响力提升到新的高度。
