元宇宙的底层网络架构——Web 3.0范式、技术和生态

作者：张浩

和元宇宙一起，Web 3.0也是近段时间人们对下一代互联网讨论的热词，在宏观意义上，Web 3.0将是当前热议的元宇宙的底层网络架构，其核心思想是将生产和所有权交还给参与生态、使用平台的用户，而不是由互联网平台或者说控制互联网平台公司的少数人拥有。Web 3.0由分布式技术技术（区块链）支持得以展望和实践，不过目前仍处于早期萌芽阶段。

什么是Web 3.0

Web 3.0，翻译为第三代互联网，目前并没有明确定义，我们将它描述为基于区块链技术的去中心化的互联网技术的合集，有新的技术、新的范式、新的组织形式以及对应的价值观世界观。

Web 3.0这个概念最初是由HTTP的发明者Tim Berners-Lee在互联网泡沫时期提出的，是指一个集成的通信框架，互联网数据可以跨越各个应用和系统实现机器可读。Web 3.0通常也被称作为“语义网”（Semantic Web）。

到了2014年，以太坊联合创始人、Polkadot创建者Gavin Wood在一篇名为《DApp：Web 3.0是什么》的博客文章中重新定义了Berner-Lee提出的这个词，用来指代一种区块链技术，可以基于“无须信任的交互系统”在“各方之间实现创新的交互模式”。

Gavin Wood这篇文章的重点并不是加密资产，而是共识引擎和密码学等协议和技术。这些协议和技术可以实现更强大的网络社会合约。他之后又阐述了Web3的终极目标，那就是“更少信任，更多事实（Less trust, more truth.）”。目前我们讨论的主要是Gavin Wood提出的Web 3.0的概念。

Web 3.0代表互联网的下一个时代，互联网形态向着更民主的范式转变，Web3源于人们对当今互联网价值的态度的转变: 互联网巨头控制着互联网和所有人的数据，Web3代表着，很多人出现了想创造一个真正“集体所有”互联网的想法。

去中心化就是指去中心化服务器的点对点网络，在去中心化服务器网络中，没有服务器，没有中心，或者反之，到处都是服务器，到处都是中心节点。

基本特性

Web 3.0 目前为止仍未有标准定义，却有一些基本的特性，包括：去中心化（Decentralization）、去信任化与无权限化（Trustless and Permissionless）、人工智能与机器学习（Artificial Intelligence and Machine Learning）、连通性与无边界网络（Connectivity and Ubiquity）。

去中心化：这是Web 3.0的核心原则。在Web 2.0中，计算机以唯一网址的形式使用HTTP来查找信息，这些信息存储在固定位置，通常存储在单个服务器上。使用Web 3.0，由于信息将根据其内容找到，因此可以同时存储在多个位置，因此可以分散。这将打破目前由Meta和Google等互联网巨头拥有的大量数据库，并将更大的控制权交给用户。在Web 3.0中，由不同且功能日益强大的计算资源（包括手机，台式机，电器，车辆和传感器）生成的数据将由用户通过分散的数据网络进行销售，确保用户保留所有权控制权。
无信任和无许可：除了去中心化和基于开源软件之外，Web 3.0还将是无信任的（即，网络将允许参与者直接交互而无需通过受信任的中介机构）和无许可（这意味着任何人都可以在没有管理机构授权的情况下参与）。因此，Web 3.0应用程序将在区块链或分散的点对点网络上运行，或者它们的组合，这些分散的应用程序被称为dApps。
人工智能和机器学习：在Web 3.0中，计算机将能够通过基于语义Web概念和自然语言处理的技术来理解与人类类似的信息。Web 3.0还将使用机器学习，这是人工智能（AI）的一个分支，它使用数据和算法来模仿人类的学习方式，逐渐提高其准确性。这些功能将使计算机能够在药物开发和新材料等许多领域产生更快，更相关的结果，而不仅仅是构成当前努力大部分的有针对性的广告。
连接性和无处不在：随着Web 3.0的出现，信息和内容变得更加互联和无处不在，可以通过多个应用程序访问，并且越来越多的日常设备连接到Web，其中一个例子就是物联网。资料使用的实际层面上，预期未来因为Web 3.0 出现而有重大改变。纽约大学未来网路教授Mat Dryhurst表示，过去因为每个社群、网路平台政策的不同，形成资料的“walled garden”（高墙花园），令用户虽然拥有自身数据资料，却无法完全随心所欲转移、掌握和运用。当未来资料可以放在区块链上，用户就可真正拥有，并带同这些个人资料到任何网站。

主要特点

开放性：用户在某个互联网应用“领域”中的准入充分自由、门槛低。用户行为不受第三方限制、互联网应用打破原有的所谓生态内、生态间的界限，应用之间具有高度的组合性和复合性;合成资产、NFT等组合下，甚至可以在非许可、无交割的前提下将传统世界财富融合进入Web 3.0。Web 3.0内部基于不同基础设施的应用之间可以被“跨链”协议解决互联互通。
隐私：数据所有权归用户所有，价值转移不需要第三方授权。
共建：用户在Web2.0互联网应用中的内容创造是在受平台审核限制、跨平台限制等多方面受限的，尤其在社区治理方面，限制更多，所以就限制了用户在创作者经济共享方面的价值捕获。Web 3.0有望打破限制，区块链的代币激励机制有效反馈内容经济的价值给创作者。共建、共享的另一个方面是共治，即DAO。

进化简史

在以区块链为代表的分布式技术推动下，从去中心化点对点账本实验到去中心化智能合约平台，催生了无数的新型应用(Dapp)，慢慢 DeFi 形成了数字世界里的“金融服务”，而 NFT 加速了资产上链。我们看到，传统世界(线上和线下)之外，用户越来越接近一个相融相生的数字世界。至此，人们呼唤一个全新的网络世界——元宇宙，即可信地承载个人的社交身份和资产，社区将拥有更强大的主导权。

范式迭代

在谈论什么是Web 3.0 之前，我们需要简单回溯一下Web 1.0和Web 2.0的概念和内涵，才能更好地理解Web 3.0 为什么会诞生以及它所想要解决的问题。

Web 1.0：只读互联网

平台创造、平台所有、平台控制、平台受益

Web这个概念最早诞生于1989年欧洲粒子物理研究所的一项研究中。当时，为了方便全球的研究人员能在不同计算机之间共享和更新信息，英国科学家Tim Berners-Lee提交了一项关于“在全球范围内建立超媒体信息检索系统”的提案，并将这个系统命名为 World Wide Web（万维网）。其设想是，互联网上的资源可以在一个网页里比较直观的表示出来，而这些资源可以在网页上相互链接。

1990年10月，Berners-Lee已经编写了三种基本技术，这些技术成为网络的基础，包括第一个网页编辑器/浏览器（WorldWideWeb.app）：

HTML：超文本标记语言，Web 的标记或格式化语言
URI 或 URL：统一资源标识符或定位符，用于标识 Web 上每个资源的唯一地址
HTTP：超文本传输协议，允许从整个 web 检索链接的资源

从万维网的发明背景和定义中我们可以看出，当时的Web是为了信息共享和交换而设计的，万维网就像是一个信息展示的平台，旨在成为人们了解更广阔世界的窗口。

从1991年到2004年间，在万维网上流转的信息逐渐从文字变成了图片再变成了视频，信息门户时代汹涌而至。网景、雅虎、新浪等一大批浏览器和信息门户类网站在全球如雨后春笋般涌现。虽然这些网站彻底改变了人们了解信息的方式，但这些信息是静态的、只读的，用户只能是观众，并无法参与其中。

于是很快，一场互联网交互时代的变革到来。

Web 2.0：可读写互联网

用户创造、平台所有、平台控制、平台分配

Web 2.0最早由信息架构咨询师Darcy DiNucci在1999年撰写的文章《Fragmented Future》中首次创造，在这篇文章中她提出：“我们现在所知道的 Web 基本上是以静态形式被加载到浏览器窗口中，但这只是未来 Web 的雏形。未来的网络不再只是满屏的文本，而是一种会产生实时交互的传输机制。”

这个概念从提出到被大众广泛知晓经过了近5年，直到2004年末，O'Reilly Media Web 2.0会议在旧金山召开，O'Reilly媒体的创始人Tim O'Reilly才正式将Web 2.0带进了大众视线，并进一步阐释和丰富了Web 2的定义和内涵。他表示，Web 2.0是一种新的互联网方式，其模式将更以用户为中心，将允许用户作为内容的创建者，并通过社交媒体进行交互和协作。

如今，我们所熟知的大部分科技公司都是Web 2.0时代的产物。包括以谷歌为代表的搜索引擎，以Facebook、Twitter为代表的社交网站，以YouTube、Tiktok为代表的视频社区，以维基百科为代表的知识社区等等。在用户创造内容的模式下，互联网规模开始急速膨胀，网络开始成为了人们生活必不可少的部分。而时至今日，我们其实还仍然处于Web 2.0的时代中。

Web 3.0：价值互联网

用户创造、用户所有、用户控制、协议分配

在Web 2.0时代，互联网的发展已经偏离了最初的设计轨道。随着用户从信息的接收者变成了参与者，用户在网络上的数字行为也被一一记录了下来，并且以数据形式由各个公司掌握。比如谷歌记录你的搜索痕迹，Facebook、Twitter记录你的人际关系和互动，亚马逊记录你的购买记录等等。这些科技型巨头通过大量的数据来获取利益，算法掌控了你的世界。

而最重要的是，你的这些个人数据并不属于你自己，而是以各个公司为中心成为了它们的盈利工具。举个例子，如果Facebook有一天倒闭了，关停了你的社交账号，那你过去发的所有动态、建立的所有关系也会随着Facebook的消失而消失，你的信息本质上并不属于你。

2014年，以太坊联合创始人Gavin Wood在自己的一篇博客《Insights into a Modern World》中首次明确提出了Web 3.0这个概念，提出了一种全新的互联网运行模式：信息将由用户自己发布、保管、不可追溯且永远不会泄露，用户的任何行为将不需要任何中间机构来帮助传递。

Web 3.0的体验可能和Web 2.0分别不算太大，而差异在于使用者或创作者能对自己贡献的内容保有所有权，还能获得一定程度的回报。私隐方面，用户能清楚知道这些数据的用途，并且具有决策权。

技术栈

区块链脱胎于比特币系统，从本质上讲，它是一个共享数据库，存储于其中的数据或信息，具有“不可伪造”、“公开透明”、“集体维护”等特征，基于这些特征，区块链奠定了坚实的“信任”基础，创造了可靠的“合作”机制。

Web3的基础设施基于区块链技术，Web 3.0 Foundation将Web3的技术栈定义为由L0~L4组成的5层架构系统，如下图所示：

Layer 0

基础设施和网络层，提供了数据分发和互动能力

P2P internet overlay protocols：点对点互联网覆盖协议，一个允许节点以分散的方式进行通信的网络套件。
Platform-neutral computation description language：平台中立的计算描述语言，一种在不同物理平台（架构、操作系统等）上执行相同程序的方式。例子包括EVM（以太坊）、UTXOs（比特币）和Wasm。

Layer 1

协议层，提供了分发和互动数据的能力

Data distribution protocols：数据分配协议，描述数据如何在去中心化系统的各个节点之间分配和交流的协议。例子包括IPFS、Swarm和BigchainDB。
Zero/Low-trust interaction platforms：零/低信任互动平台，比如Polkadot，是一种异构多链技术。它由许多具有潜在不同特征的平行链组成，可以更容易地实现匿名或形式验证。交易可以分散在链中，允许在同一时间段内处理更多交易。Polkadot确保这些区块链中的每一个都保持安全，并且它们之间的任何交易都得到忠实执行。可以创建称为桥的专用平行链来连接独立的链。
Zero/Low-trust interaction protocols：零/低信任度互动协议，描述不同节点如何相互作用并信任来自每个节点的计算和信息的协议。大多数加密货币，如比特币和ZCash，符合零/低信任交互协议的定义，它们描述了节点参与协议所需遵循的规则。
Transient data messaging：瞬时数据公共/子信息传递，描述不打算永久存储的数据（如状态更新）如何被传达以及如何让节点意识到其存在的协议。例子包括Whisper和Matrix。

Layer 2

中间件层，增强了L1层能力:进行提升扩展性、加密消息传递、分布式计算等功能。

State channels：状态通道，区块链通过让节点在链外相互通信，通过在主链上 "打开 "和 "关闭 "通道，只写初始和最终结果，而不是在链上记录每个状态转换，从而提高可扩展性的一种方式。例子包括比特币的Lightning Network 和以太坊的Raiden Network。
Plasma protocols：Plasma协议，Plasma是通过创建区块链的 "树 "来提高可扩展性的另一种方式，主链是树的根，而 "子 "区块链尽可能少地与更高级别的链互动。例子包括Loom的PlasmaChain和OmigeGO Plasma。
Encrypted storage：加密存储，使用密码学对数据进行数学加密和解密，包括静态（即存储在特定的计算机上）和动态（即从一台计算机传输到另一台）。例如：静态指的是存储加密，动态指得是传输加密（HTTPS就是一种传输加密）
Heavy computation：重型计算，可以理解为如果需要进行大量的计算，例如在数组中推送大量的对象提供一种方法，允许计算分散在许多计算机中，并证明计算是正确进行的。这方面的例子包括以太坊的Golem和TrueBit。
Distributed secret management：分布式秘密管理，允许信息只被授权方访问，包括复杂的场景，如 "解密此信息需要所有六个签名者使用他们的密钥 "或 "7个签名者中的任何5个必须同意"等等。
Oracles: 预言机，将链外数据（如天气结果或股票价格）注入区块链的一种方式，一般供智能合约使用。

Layer 3

中间件层，人类可读语言和库的层

在这一层，开发人员和程序员们可以适当抽象，并进行程序开发。这一层包括可扩展协议的API和语言：

各种语言可以用来开发应用程序，如Solidity和Vyper（Ethereum），Plutus（Cardano），和Rust（Substrate）。此外，还有各种框架。
使编程与区块链互动的应用更加容易，如ethers.js、web3.js和oo7.js。

Layer 4

技术栈顶层，DApps

参与者主要是普通用户（如同今天普通用户在浏览器前端和网页互动一样）用户们在这一层可以和单个或多个区块链（应用等）互动。例如状态、元掩码、MyCrypto、奇偶校验

协议可扩展的用户界面（"像浏览器一样"），用户用来直接与区块链互动的程序，而不需要知道如何让编程和实现细节：案例有Status、MetaMask、Parity、EtherWallet或MyCrypto。

代表项目

核心栈（Core Stack） 核心栈可以说是整个区块链生态运转必不可少的技术支撑，它们一类属于区块链的底层技术（基础设施），另一类是去中心化应用开发不可或缺的技术组件。

这里我们只挑出了最具影响力、最必不可少的技术组件，对它们的发展状况、去中心化的程度进行简要分析。

我们所认为的核心栈主要组件有：去中心化应用浏览器（Dapp Browser）、应用托管（Application Hosting）、查询图层（Query Layer）、状态转换机（State Transition Machine）、共识（Consensus）、对等网络层（P2P Layer）。

去中心化应用浏览器（Dapp Browser）：代表项目：Mist、MetaMask、Coinbase Wallet、Trust Wallet、imToken
应用托管（Application Hosting）：代表项目：IPFS, Swarm
查询层（Query Layer）：代表项目：Chainlink，Band Protocol
状态转换机（State Transition ）：以太坊虚拟机（EVM） - 以太坊1.0，Ethermint，Hashgraph，WANchain等网络装配虚拟机 (WASM) – Dfinity, EOS, Polkadot, 以太坊 2.0 Direct LLVM exposure – Cardano, Solana 自定义状态转换机（Custom state transition machines）：Kadena，Tezos，Rchain，Coda
共识层（Consensus Layer）：代表项目：POW, POS, DPOS
对等网络层（P2P Layer）：代表项目：Libp2p, Devp2p

潜在的核心栈——扩展核心栈（Extended Core Stack） 这些技术组件虽然不是底层链的一部分，也不是对DApp的开发必不可少的组件，但它们将很有可能成为未来开发堆栈的核心组件，这意味它们是非常值得投资机构关注的领域。

侧链（Sidechains）：在BTC网络中最值得注意的用例是Drivechains 和Liquid。而在以太坊体系中，最重要的是 Plasma 框架内的SKALE和近期以太坊基金会推出的Roll up证明，以及Cosmos Ethermint。
支付通道和状态通道网络（Payment Channel and State Channel Network）：Blockstream 在2015年推出闪电网络，在以太坊生态系统中，则有Raiden、Loom和Celer。
跨账本协议（Interledger Protocol ILP）：Ripple实验室使用跨账本协议跨界连接其产品中的银行系统。而Kava则使用跨账本协议技术在Cosmos基础上构建支持 XRP、BNB、ATOM 等资产的 DeFi 平台。
不可变的结构化数据库（Immutable Structured Databases）：BigchainDB、OrbitDB 和 Bluezelle 等许多团队正在构建不可变的结构化数据库作为无需许可的独立链（Permissionless, Free Standing Chains）。鉴于使用结构化数据库可以提升性能，开发人员也许会选择原生地使用这些系统，比如像SKALE这样的团队也许会将这些开源系统作为Plasma链。
零知识证明（Zero-knowledge Proof）：零知识证明最有代表性的两个技术为ZK-SNARK以及ZK-STARK。其代表项目分别为Coda和Starkware。

生态全景

Web3应用

Web3应用是什么？

Web1是开放协议，服务建立在开放协议之上（如TCP、IP、SMTP、HTTP：就理解为网络通信协议）。
Web2是各家企业在开放协议之上建立了第二层专有的、封闭的协议，企业以营利为目标的科技公司，开发的软件和提供的服务，迅速超越了第一代开放协议。
Web3是社区使用和维护Web3、发展Web3的基础设施，可以获得激励和奖励。

Web3应用为何重要？ Web3的去中心化网络，为割裂的数字时代现状提供了替代方案。

割裂的数字时代现状：中心化的网络企业拥有单方面的权力，网络使用权、收入分配、功能支持、用户数据安全等。创业企业、创作者很难发展自己的业务，因为中心平台可能会随时夺走用户和利润。
传统意义上的去中心化网络挑战在于，公共物品的提供，没有中心化经济体去承担并且能从中活力，很难由用户自发持续维护，但是Crypto可以通过去中心化的协调，把权力和激励下放到社区。
去中心化系统可以避免单点故障，中和中心化平台所施加的单边控制。

去中心化自治组织DAO

DAO是什么？ 在线成员共有的社区，由成员共识来管理（非集中领导）

去中心化：规则不能被单个人物或中心化的一方所改变；
自治：投票的统计和决定执行，都遵循写入智能合约的逻辑来计算投票和执行决定，不需要人为干预；
组织特性：DAO的组织可以协调分布在各地的分布式社区利益相关者间的活动；

DAO代表了 "链上治理"的运用。例如，在传统的公司治理中，公司会规定某些政策的章程，如何选举董事会。DAO可以将类似的政策和章程用代码写成智能合约，将这一概念继续延伸到数字世界。智能合约是一个稳定的计算机程序，在区块链网络上运行，它就像法律上的合同一样，智能合同是一种承诺，只是它们被写入计算机代码，可以自动和自主执行。

DAO为何重要？ DAO是一种新兴的组织治理模式：它是用于围绕透明度和包容性建立的新型组织。这些原则可以适用于各式组织，包括非营利组织、集体、合作社和投资基金等。

治理结构决定一个组织如何做出符合参与者利益的决策，当前组织形式的挑战是：决策不透明+普通参与者参与治理门槛高。

去中心化金融DeFi

DeFi是什么？ 金融领域（储蓄、贷款和外汇兑换）的去中心化应用

去中心化应用（dApps）是指代码编写建立在相关领域的智能合约，只要托管相关协议的区块链存在，dApp就会存在，无法被恶意改变or操纵。dApps是开放的，任何计算机都可以参与
区块链支付实现了点对点数字交易，之前数字支付必须依赖集中式记录管理方。
加密货币就是系统中的计价单位、交换媒介、价值储藏手段，无中心化第三方，也能以数字方式进行实际价值转移。

DeFi为什么重要？ 加密货币低成本、实时、无边界、点对点价值转移，不受主流金融机构营业时间的限制。 准入门槛低，为世界金融服务不足的地区，提供了机会。

全球20亿无银行账户的人可以获取金融服务，跨国劳工可以低成本便捷将收入寄回祖国家人。
为经历恶性通货膨胀的国家提供更安全的价值储存手段。
当前的移动支付改变了消费金融的前端，DeFi改变了后端：铺设了新管道、轨迹，参与金融系统成本变低、变简单
给消费者以权力，控制自己使用的消费金融产品
拥抱互联网核心价值：开放给任何人、承诺开源、第三方开发者无需许可即可改编、费用低、加密技术的安全隐私保护、透明管理

稳定币和中央银行数字货币（CBDCs）

稳定币&CBDCs是什么？ 稳定币是私人发行的加密货币，一段时间内保持稳定价值；中央银行数字货币是由政府发行的数字货币，象征国家主权和义务。

稳定币&CBDCs为什么重要？ 稳定币有加密货币的优势，且没有波动性。比特币可能有巨大价值波动，但是稳定币设计保持恒定价格，有助于其作为有效的交易媒介。

作为低波动性资产有助于实现链上交易：现代化全球支付系统、更广泛金融服务
CBDCs有稳定币优点，两者共存，竞争创新

隐私和数字基础设施

隐私和数字基础设施是什么？ 区块链网络局限性是设计透明，现在可以从数学上证明信息有效性而无需提供信息本身，这样用户证明自己知道自己的密码，但是网站不用存储，兼顾隐私和可扩展性。

隐私和数字基础设施为什么重要？

可以保护用户的个人数据，而且，它从根本上扩展了应用程序的设计空间。隐私基础设施的布局将促成一系列更具保护功能的应用程序。
有助于用户打消隐私顾虑，向特定主体披露信息但是防止信息被公开。

创作者经济（Creator Economy）

创作者经济是什么？ 创作者社区直接与支持者联系，没有中介/中间商，创作者获得独立收入来源。NFT是不可伪造的数字资产，由独特性存在价值，可以和数字作品一一联系。

创造者经济为什么重要？

NFT为创作着提供新的盈利方式，绕过中介、中间商；粉丝可以直接参与创作者事业，同时通过持有NFT获得份额
NFT可以利用区块链技术来跟踪，创作者可以从二次销售中获益。

链游GameFi

链游是什么？ 基于区块链的游戏，是指构建在区块链技术上的游戏链游与堡垒之夜、Roblox或Minecraft等流行游戏的一个关键区别是：游戏里的东西可以全部交易成通货然后去兑换其他游戏里的资源。

链游为什么重要？

游戏中的物品，对视玩家拥有的NFT，可以和现实的金钱交易，在游戏间传递。
促进了边玩边赚，通过axie infinity这样的游戏，人们的可以赚取真实世界的货币。

展望

Web3这个词实际上指代了基于去中心化技术的新型互联网体验。而Web3已经开始颠覆我们在投资、交易、游戏和艺术等各个领域的交互方式。全球各地有越来越多的用户和机构已经开始意识到无须信任的交互和基于加密技术保障的协议是多么重要。虽然Web3仍处于发展初期，但它有潜力将互联网恢复成当初设计者所希望的那样：完全透明、可靠且易于使用。

目前所有的Web2.0的Apps都值得在Web 3.0中重做一遍，升级为DApps

Sergey在演讲中说道：“Web3在速度、效率和成本上将逐渐赶上Web 2.0系统，并且它还具有Web 2.0没有的优势，那就是信任最小化的加密保障。”

但是目前依然是萌芽期，我们还是要理性看待，起得最早是理想主义者，跑得最快的是骗子，胆子最大的是冒险家，害怕错过的是韭菜。