模塊化區塊鏈：Web3 的最後一塊拼圖

WEEX 唯客博客， 作者：GeekCartel   一. 引言 模塊化區塊鏈是一種創新的區塊鏈設計範式，旨在通過專業化和分工提高系統的效率和可擴展性。模塊化區塊鏈誕生之前，一個單一（Monolithic）鏈需要處理所有的任務，包括執行層、數據可用性層、共識層以及結算層。模塊化區塊鏈將這些工作視為可自由組合的模塊來解決這些問題，每個模塊都專註於特定的功能。 執行（Execution）層：負責處理和驗證所有交易，以及管理區塊鏈狀態變更。 共識（Consensus）層：就交易順序達成一致。 結算（Settlement）層：用於完成交易，驗證證明，並在不同執行層之間架起橋樑。 數據可用性（Data Availability）層：負責確保所有必要的數據對網路中的參與者是可獲取的，以便於驗證。 模塊化區塊鏈的趨勢不僅僅是技術上的變革，更是推動整個區塊鏈生態系統迎接未來挑戰的重要策略。GeekCartel 將對模塊化區塊鏈的概念以及相關項目進行分析，旨在提供全面、實用的模塊化區塊鏈知識解讀，幫助讀者更好地理解模塊化區塊鏈，同時展望未來的發展趨勢。注意：本文內容不構成投資建議。 二. 模塊化區塊鏈的先導者-Celestia 在 2018 年，Mustafa Albasan 和 Vitalik Buterin 發表了一篇開創性的文章，為解決區塊鏈的可擴展性問題提供了新思路。「數據可用性抽樣和欺詐證明」介紹了一種方法，通過這種方法區塊鏈能隨著網路節點增加而自動擴展存儲空間。2019 年，Mustafa Albasan 深入研究並撰寫了「Lazy Ledger」，提出了一個只處理數據可用性的區塊鏈系統概念。 基於這些理念，Celestia 應運而生，作為第一個採用模塊化結構的數據可用性（DA）網路。它利用 CometBFT 和 Cosmos SDK 構建，是一個權益證明（PoS）區塊鏈，有效提高了可擴展性，同時保持了去中心化特性。 DA 層對任何區塊鏈的安全性都至關重要，因為它確保任何人都可以檢查交易賬本並對其進行驗證。如果區塊生產者在非所有數據可用的情況下提出了一個區塊，區塊可以達成最終確定性但會包含無效交易。 即使區塊是有效的，但那些不能完全進行驗證的區塊數據將對用戶和網路的功能造成負面影響。 Celestia 實現了兩個關鍵功能，分別是數據可用性抽樣 （DAS） 和命名空間默克爾樹 （NMT）。DAS 使輕節點能夠驗證數據可用性，而無需下載整個區塊。NMTs 使得區塊數據可以被劃分為不同應用程序的單獨命名空間，這意味著應用程序只需要下載和處理與它們相關的數據，大大減少了數據處理需求。重要的是，DAS 允許 Celestia 隨著用戶數量（輕節點）的增加而擴展，而不會影響最終用戶的安全性。 模塊化區塊鏈正在以前所未有的方式使得構建新鏈成為可能，不同類型的模塊化區塊鏈可以以不同目的和不同架構的方式協作工作。Celestia 官方提出了幾種模塊化架構設計的思路及實例，向我們展示了模塊化區塊鏈的靈活性和可組合性： 圖 1 Layer 1 和 Layer 2 架構 Layer 1 和 Layer 2 ：Celestia 稱之為樸素的模塊化，最初是為了以太坊作為單體 Layer 1 的可擴展性而構建的，Layer 2 專註於執行，Layer 1 提供其他關鍵功能。 Celestia 支持基於Arbitrum Orbit、Optimism Stack以及Polygon CDK(即將支持) 技術堆棧構建的鏈使用 Celestia 作為 DA 層，現有的 Layer 2 可以用 Rollup 技術將其數據從發布到以太坊上切換到發布到 Celestia。對區塊的承諾發布在 Celestia 上，這比將數據發布到單一鏈上的傳統方法更具可擴展性。 Celestia 支持基於Dymension技術組件構造的 RollApp（專用於應用程序的鏈）作為執行層，與以太坊的 Layer 1 和 Layer 2 概念類似，RollApps 的結算層依賴 Dymension Hub（後面將展開解釋），DA 層使用 Celestia，鏈之間通過IBC協議交互（IBC 基於 Cosmos SDK, 是一種允許區塊鏈相互通信的協議。使用 IBC 的鏈可以共享任何類型的數據，只要它是以位元組為單位編碼的）。 圖 2 ：執行、結算和 DA 層架構 執行、結算和數據可用性：優化的模塊化區塊鏈，比如可以將執行、結算和數據可用性層在專門的模塊化區塊鏈之間解耦。 圖 3:執行和 DA 層架構 執行和 DA：由於實現模塊化區塊鏈的目的是靈活的，因此執行層不僅限於將其區塊發布到結算層。例如，可以創建一個模塊化堆棧，該堆棧不涉及結算層，只涉及共識層和數據可用性層之上的執行層。 在這個模塊化堆棧下，執行層將是主權（sovereign）的，它將其交易發布到另一個區塊鏈，通常用於排序和數據可用性，但處理自己的結算。在模塊化堆棧的上下文中，主權 Rollup 負責執行和結算，而 DA 層則處理共識和數據可用性。 主權 Rollup 與智能合約 Rollup 的區別在於： 智能合約 Rollup 交易由結算層的智能合約驗證。主權 Rollup 的交易由主權 Rollup 的節點進行驗證。 與智能合約 Rollup 相比，主權 Rollu 的節點擁有自主權。在主權 Rollup 中，交易的排序和有效性是由 Rollup 自己的網路管理，而不依賴於單獨的結算層。 目前Rollkit和Sovereign SDK提供了用於在 Celestia 上部署主權 Rollup 測試網的框架。 三. 探索區塊鏈生態中的模塊化方案 1. 執行層模塊化 在介紹執行層模塊化之前，我們應該了解什麼是 Rollup 技術。 目前執行層模塊化技術主要依賴 Rollup，這是一種在 Layer 1 鏈外運行的擴容解決方案。這種解決方案在鏈外執行交易，這意味著它佔用更少的區塊空間，也是以太坊重要的擴容方案之一。執行交易后，它將向 Layer 1 發送一批交易數據或執行證明，並在 Layer 1 進行結算。Rollup 技術為 Layer 1 網路提供了一種可擴展性解決方案，同時保持了去中心化和安全性。 圖 4: Rollup 技術架構 以以太坊為例，Rollup 技術可以通過使用 ZK-Rollup 或者 Optimistic Rollup 來進一步提高性能和隱私。 ZK-Rollup 使用零知識證明來驗證打包的交易的正確性，從而確保交易的安全性和隱私性。 Optimistic Rollup 在提交交易狀態到以太坊主鏈之前，首先假設這些交易是有效的，在質詢期期間，任何人都可以計算欺詐證明來驗證交易。 1.1 以太坊 Layer 2 ：構建未來的擴容解決方案 以太坊最初採用側鏈和分片技術進行擴容，但是側鏈犧牲了一些去中心化和安全性來實現高吞吐量；Layer 2 Rollups 的發展速度比預期的要快得多，並且已經提供了大量的擴展，並且在實現 Proto-Danksharding 之後將提供更多。這意味著不再需要「分片鏈」，現已從以太坊的路線圖中刪除。 以太坊將執行層外包給基於 Rollup 技術的 Layer 2 s 來減輕主鏈負擔，EVM 為在 Rollup 層上執行的智能合約提供了標準化和安全的執行環境。一些 Rollup 解決方案在設計時考慮到了與 EVM 的兼容性，使得在 Rollup 層上執行的智能合約仍然可以利用 EVM 的特性和功能，如OP Mainnet，Arbitrum One和Polygon zkEVM等。 圖 5: 以太坊的第 2 層擴展解決方案 這些 Layer 2 s 執行智能合約並處理交易，但仍依賴以太坊進行以下操作： 結算： 所有 Rollup 交易都在以太坊主網上完成。Optimistic Rollups 的用戶必須等待質詢期過去，或者在反欺詐計算后交易被視為有效。ZK Rollups 的用戶必須等到有效性得到證明。 共識和數據可用性：Rollups 以 CallData 的形式將交易數據發布到以太坊主網，使任何人都可以執行 Rollup 交易並在必要時重建其狀態。在以太坊主鏈上確認之前，Optimistic Rollups 需要大量的區塊空間和 7 天的挑戰期。ZK Rollups 提供即時最終確定性，且將可用於驗證的數據存儲 30 天，但需要大量的計算能力來創建證明。 1.2 B² Network：開創比特幣 ZK-Rollup B² Network 是第一個比特幣上的 ZK-Rollup，可在不犧牲安全性的情況下提高交易速度。利用 Rollup 技術，B² Network 提供了一個能夠運行圖靈完備智能合約進行鏈下交易的平台，從而提高了交易效率，並最大限度地降低了成本。 圖 6 ：B² Network 架構 如圖所示，B² Network 的 ZK-Rollup Layer 採用 zkEVM 解決方案，負責 Layer 2 網路內用戶交易的執行和相關證明的輸出。 與其他 Rollup 不同的是，B² Network ZK-Rollup由多個組件組成，包括賬戶抽象模塊、RPC Service、Mempool、Sequencers、zkEVM、Aggregators、Synchronizers 和 Prover。其中賬戶抽象模塊實現了本機帳戶抽象，它允許用戶靈活地將更高的安全性和更好的用戶體驗編程到他們的帳戶中。zkEVM 與 EVM 兼容，它還可以幫助開發人員將 DApp 從其他 EVM 兼容鏈遷移到 B² Network。 Synchronizers確保將信息從 B²節點同步到 Rollup 層，包括序列信息、比特幣交易數據等細節。B² 節點充當鏈下驗證者，是 B² 網路中多個獨特功能的執行者。B² 節點中的比特幣 Committer模塊構建一個數據結構來記錄 B² Rollup 數據，並生成一個被稱為「B²銘文」的 Tapscript。然後，比特幣 Committer 發送一個單位為一聰（satoshi ）的 UTXO 到一個包含$B^{ 2 }$銘文的Taproot地址，Rollup 數據將被寫入比特幣。 此外，比特幣 Committer 設置一個時間鎖定的挑戰，允許挑戰者質疑 zk 證明驗證的承諾。如果在時間鎖定期間沒有挑戰者或挑戰失敗，那麼 Rollup 最終在比特幣上確認；如果挑戰成功，Rollup 將被回滾。 不論是以太坊還是比特幣，從本質上講，Layer 1 都是單一鏈，它們從 Layer 2 接收擴展的數據。在大多數情況下，Layer 2 的容量也取決於 Layer 1 的容量。因此，Layer 1 和 Layer 2 堆棧的實現對於可擴展性來說並不理想。當 Layer 1 達到其吞吐量上限時，Layer 2 也會受影響，這可能導致交易費用上升和確認時間延長，影響整個系統的效率和用戶體驗。 2. DA 層模塊化 除了 Celestia 的 DA 解決方案受到 Layer 2 s 的青睞之外，還有其他專註於 DA 的創新方案相繼出現，在整個區塊鏈生態系統中發揮了關鍵作用。 2.1 EigenDA：為 Rollup 技術賦能 EigenDA 是一種安全、高吞吐量和去中心化的 DA 服務，其設計靈感來自 Danksharding。Rollup 能夠將數據發布到 EigenDA，以便在整個 EigenLayer 生態系統中獲得更低的交易成本、更高的交易吞吐量和安全的可組合性。 在以太坊 Rollup 構建去中心化的暫時性數據存儲時，數據存儲可以由 EigenDA 運營商直接處理。運營商（Operators）是指參與網路運作，負責處理、驗證和存儲數據，EigenDA 可以隨著質押量和運營商的增長而水平擴展。 EigenDA 結合 Rollup 技術，同時將 DA 部分轉移到鏈下處理實現可拓展性。因此，實際的交易數據不再需要在每一個節點上複製和存儲，減少了對帶寬和存儲的需求。鏈上僅處理與數據可用性相關的元數據和問責機制（問責使數據存儲在鏈下，也可以在必要時驗證其完整性和真實性）。 圖 7: EigenDA 的基本數據流 如圖所示，Rollup 將交易批次寫入 DA 層，與使用欺詐證明來檢測惡意數據的系統不同，EigenDA 將數據分割成塊並生成 KZG 承諾和多重揭示證明，EigenDA 要求節點只下載少量數據 [O（1/n）]，而不是下載整個 blob。Rollup 的欺詐仲裁協議還能夠驗證用 blob 數據是否與 EigenDA 證明中提供的 KZG 承諾匹配。在進行此驗證時，Layer 2 鏈可確保 Rollup 狀態根的交易數據不會被排序器/提議者操縱。 2.2 Nubit：比特幣上第一個模塊化 DA 解決方案 Nubit是一個可擴展的、比特幣原生 DA 層。Nubit 正在開創比特幣原生的未來，旨在提高數據吞吐量和可用性服務，以滿足生態系統不斷增長的需求。他們的願景是將龐大的開發者社區納入比特幣生態系統，並為他們提供可擴展、安全和去中心化的工具。 Nubit 的團隊成員是來自 UCSB（加州大學聖塔芭芭拉分校）的教授和博士生，享有傑出的學術聲譽和全球影響力。他們不僅精通學術研究，而且在區塊鏈工程實施方面具有豐富的經驗。團隊與 domo（Brc 20 的創造者）一起撰寫了模塊化索引器的論文，將 DA 層的設計加入到比特幣 meta protocol 的索引器結構中，參與到行業標準的建立和制定。 Nubit 的核心創新：共識機制、無需信任的橋接和數據可用性，它利用創新的共識演算法和閃電網路來繼承比特幣完全抗審查的特性，利用 DAS 提高效率： 共識機制：Nubit 探索了一種由 SNARK 提供支持的基於 PBFT (實用拜占庭容錯)的高效共識，用於簽名聚合。PBFT 方案與 zkSNARK 技術結合將驗證者之間驗證簽名的通信複雜度顯著減少，在不需要訪問整個數據集的情況下驗證交易的正確性。 DAS：Nubit 的 DAS 是通過對區塊數據的小部分進行多輪隨機抽樣來實現的。每一輪成功的抽樣增加了數據完全可用的可能性。一旦達到預定的置信水平，就認為區塊數據是可訪問的。 Trustless Bridge：Nubit 使用了一個 Trustless Bridge，其利用了閃電網路的支付通道。這種方法不僅與本地比特幣支付方法保持一致，且不會增加額外的信任要求。與現有的橋接方案相比，為用戶帶來了較低的風險。 圖 8 ：Nubit 的基本組件 我們進一步利用一個具體的用例來回顧圖 8 所示的完整的系統生命周期。假設 Alice 想要使用 Nubit 的 DA 服務完成一筆交易(Nubit 支持多種數據類型，包括但不限於銘文，Rollup data 等)。 步驟 1.1: Alice 首先需要通過 Nubit 的無信任橋支付 gas 費來繼續服務。特別是，Alice 需要從無信任橋接器中獲得一個公共挑戰，記為 X (h)（X 是從可驗證延遲函數(VDF)的哈希範圍到挑戰域的加密哈希函數，h 是某個高度區塊的哈希值）。 步驟 1.2 和 步驟 2: Alice 必須獲得與當前回合相關的 VDF 的評估結果 R，提交 R 以及她的數據和交易元數據(如地址和 nonce)發送給驗證器，以便將其合併到內存池中。 步驟 3: 驗證者在達成共識后提出區塊及其頭的過程。塊頭包括對數據的承諾及其相關的 Reed-Solomon Coding(RS Code)，而塊本身包含原始數據、相應的 RS Code 和基本的交易細節。 步驟 4: 生命周期以 Alice 的數據檢索結束。輕客戶機下載區塊頭，而全節點獲取區塊及其頭。 輕客戶機承擔 DAS 過程以驗證數據可用性。此外，在提出閾值數量的區塊后，該歷史的檢查點通過比特幣時間戳記錄在比特幣區塊鏈上。這確保 validator 集可以阻止潛在的遠程攻擊並支持快速解除綁定。 3. 其他解決方案 除了專註於模塊化特定層的鏈，去中心存儲服務可以為 DA 層提供長期支持。還有一些協議和鏈為開發者提供了定製和全棧方案，這些方案使用戶輕易地構建自己的鏈，甚至無需代碼構建。 3.1  EthStorage – 動態的去中心化存儲 EthStorage 是第一個實現動態的去中心化存儲的模塊化 Layer 2 ，提供由 DA 驅動的可編程鍵值（KV）存儲，以 1/100 到 1/1000 的成本將可編程存儲擴展到數百 TB 甚至 PB。它為 Rollups 提供了長期的 DA 解決方案，並為遊戲、社交網路、AI 等完全鏈上的應用程序開闢了新的可能性。 圖 9: EthStorage 的應用場景 EthStorage 的創始人，Qi Zhou，自 2018 年全身心投入Web3行業，持有喬治亞理工學院的博士學位，曾任職於谷歌和 Facebook 等頂尖公司的工程師。其團隊也獲得了以太坊基金會的支持。 作為以太坊坎昆升級的核心特性之一，即EIP-4844 （也稱為 Proto-dank sharding），引入了用於 Layer 2 Rollup 存儲的臨時數據塊 (blob)，提高了網路的可擴展性和安全性。網路無需驗證區塊中的每筆交易，只需確認附加到區塊的 blob 是否攜帶正確的數據，這大大降低了 Rollup 的成本。但是，Blob 數據僅暫時可用，這意味著它將在幾周內被丟棄。這產生了一個重大影響：Layer 2 無法無條件地從 Layer 1 派生出最新狀態。如果無法再從 Layer 1 檢索到某段數據，則可能無法通過 Rollup 來同步鏈。 有了 EthStorage 作為長期的 DA 存儲解決方案，Layer 2 s 可以隨時從其 DA 層獲取完整數據。 技術特點： EthStorage 可以實現去中心化的動態存儲：現有的去中心化存儲解決方案可以支持大量數據的上傳，但是不能修改或刪除，只能重新上傳新數據。而 EthStorage 通過原創的鍵值存儲範式，實現 CRUD 功能，即創建、更新、讀取和刪除存儲的數據，從而顯著增強了數據管理的靈活性。 基於 DA 層的 Layer 2 去中心化解決方案：EthStorage 是一個模塊化的存儲層，只要有 EVM，有 DA 來減少存儲成本，就可以在任何區塊鏈上運行它（但當前很多 Layer 1 不具備 DA 層），甚至在 Layer 2 上也可以。 高度集成 ETH：EthStorage 的客戶端是以太坊客戶端 Geth 的超集，這意味著運行 EthStorage 的節點的時候，依然可以正常參與以太坊的任何流程，一個節點可以是以太坊的驗證者節點的同時也是 EthStorage 的數據節點。 EthStorage 的工作流程： 用戶將他們的數據上傳到應用程序合約，然後該合約與 EthStorage 合約交互以存儲數據。 在 EthStorage Layer 2 網路中，存儲提供商會收到有關等待存儲的數據的通知。 存儲提供商從以太坊數據可用性網路下載數據。 存儲提供商向 Layer 1 提交存儲證明，證明 Layer 2 網路中有大量副本。 EthStorage 合約獎勵成功提交存儲證明的存儲提供商。 3.2 A…