WEEX 唯客博客， 撰文：@twilight_momo 導師：@CryptoScott_ETH TL; DR 單體區塊鏈以全面性著稱，獨立承擔網路的各個層面，從數據存儲到交易驗證等等。而模塊化區塊鏈通過將區塊鏈的不同功能分離成獨立的模塊，可以在特定功能上提供性能支持和流暢的用戶體驗，在一定程度上解決了「不可能三角」問題。 以太坊作為第一個支持智能合約的區塊鏈平台，為模塊化設計提供了肥沃的土壤。隨著區塊鏈技術的發展，比特幣生態也開始探索模塊化的可能性，通過添加新的模塊來實現更高級的功能，例如改進的隱私保護、更高效的交易處理或增強的智能合約功能。 模塊化技術代表了一種更加「靈魂化」的可插拔產品思路，未來會出現更加靈活和可定製的區塊鏈解決方案，各種服務和功能可以像樂高積木一樣輕鬆地插入和拔出。這種靈活性使得開發者能夠根據特定應用場景的需求，快速構建和部署區塊鏈解決方案。 1. 什麼是模塊化區塊鏈 Source：Celestia.org 當我們探討模塊化區塊鏈時，必須先了解單體區塊鏈（Monolithic Blockchain）這一概念。單體鏈，如比特幣、以太坊等，以其全面性而著稱，獨立承擔著網路的各個層面，從數據存儲到交易驗證，再到智能合約執行。在這一過程中，單體鏈扮演著一個多面手（generalist）的角色，對所有環節都有所涉獵。 以以太坊為例來說，一條成熟的單體區塊鏈一般可以被大致分為四個架構： 執行層 (Execution Layer) 結算層(Settlement Layer) 數據可用性層/ DA 層 (Data Availability Layer) 共識層 (Consensus Layer) 下圖通過把在區塊鏈上記賬比喻成一場球賽，詳細解釋了每一層架構的作用： 通過這種類比，我們可以更清晰地理解區塊鏈的各個架構如何協同工作。單體區塊鏈就是將所有的功能集中在同一條鏈上執行，而模塊化區塊鏈（Modular Blockchain）則是一種新型的區塊鏈架構，將區塊鏈系統分解為多個專門的組件或層次，每個組件負責處理特定的任務，如共識、數據可用性、執行和結算。模塊化區塊鏈像一群專家（specialists），專註於各自領域的深度挖掘和技術創新。這種專註使得模塊化區塊鏈在特定功能上能夠提供卓越的性能和用戶體驗，例如，它們能夠以更低的成本提供更快的交易處理速度。 在節點架構方面，單體鏈依賴於全節點，這些節點必須下載和處理整個區塊鏈的數據副本。這不僅對存儲和計算資源提出了較高要求，也限制了網路的擴展速度。相比之下，模塊化區塊鏈採用輕節點設計，僅需處理區塊頭信息，從而顯著提高了交易速度和網路效率。 模塊化區塊鏈的一個顯著優勢在於其靈活性和協作性。它們能夠將非核心功能外包給其他專家，形成一種協同效應，實現整體性能的顯著提升。這種設計哲學類似於樂高積木，允許開發者根據項目需求自由組合不同的模塊，創造出多樣化的解決方案。儘管單體鏈在全局控制、安全性和穩定性方面具有優勢，它們也面臨著可擴展性、升級難度和適應新需求的挑戰。模塊化區塊鏈則以其高度的靈活性和可定製性脫穎而出，簡化了新區塊鏈的創建和優化過程。 然而，模塊化區塊鏈也面臨著其特有的挑戰。其複雜的架構增加了開發者在設計、開發和維護方面的工作量。作為一種新興技術，模塊化區塊鏈尚未經歷全面的安全測試和市場波動的考驗，其長期穩定性和安全性仍需進一步驗證。 2. 為什麼需要模塊化區塊鏈 為何模塊化區塊鏈技術受到廣泛關注，且被預言為「未來趨勢」？這與區塊鏈領域著名的「不可能三角」理論密切相關。 Source:chainlink 區塊鏈的「不可能三角」指的是一個區塊鏈網路難以在同一時間在安全性、去中心化性和可擴展性這三個核心屬性上都達到最優狀態。 可擴展性關注的是網路處理大量交易的能力，及其在用戶和交易量增長時保持高效、低成本運行的能力。通常通過 TPS（每秒交易量）和延遲（交易確認所需時間）來衡量。 安全性涉及的是保護區塊鏈網路不受攻擊的成本和難度。例如，比特幣的 POW 機制要求攻擊者掌握超過全網 51% 的算力，而以太坊的 POS 機制則需要超過 ⅓ 的節點合謀。 去中心化性描述的是網路的運作不依賴單一中心節點，而是分佈在眾多節點上，節點越多、地理分佈越廣，網路的去中心化程度越高。 「不可能三角」的核心觀點在於，一個區塊鏈系統很難在這三個特性上都實現最優化。例如：在眾多公鏈中，比特幣和以太坊因其廣泛的節點分佈和充足的節點數量，在去中心化和安全性方面表現突出。然而，它們犧牲了一定的可拓展性，導致交易速度較慢和交易費用較高：比特幣的出塊時間約為 10 分鐘，以太坊的 TPS 大約為 13 ，在交易量激增時，以太坊的交易費用可能高達數百美元。 正是在這樣的背景下，模塊化區塊鏈技術應運而生，它通過將不同的功能分配給專門的模塊，解決了傳統公鏈在可擴展性和交易成本方面的挑戰。例如，比特幣的閃電網路和以太坊的 Rollup 技術，都是模塊化思想的體現。 模塊化區塊鏈的優勢在於其分層架構，允許每一層針對特定需求進行優化。數據層可以專註於數據存儲和驗證，而執行層可以處理智能合約邏輯。這種分離不僅提升了性能和效率，還促進了不同區塊鏈間的互操作性，為構建開放和互聯的生態系統提供了基礎。 綜上所述，模塊化區塊鏈技術提供了一種解決傳統公鏈局限的新途徑。它在維持去中心化和安全性的基礎上，實現了更高的可擴展性和更低的交易成本，對區塊鏈技術的廣泛應用和長期發展具有深遠的意義。 3. 模塊化區塊鏈賽道-項目分析 模塊化區塊鏈根據其架構特點，可以劃分為不同的類型。在這些類型中，數據可用性層和共識層因其緊密的相互依賴性，常常被設計為一個統一的整體。這是因為，當節點接收到交易數據時，通常也同時確定了交易的順序，這是區塊鏈安全性和不可篡改性的核心。 基於這種設計原則，我們可以從執行層、數據可用性層和共識層、結算層三個方面來分別了解模塊化區塊鏈的不同項目。 3.1 執行層 Layer 2 技術，作為區塊鏈架構中執行層的延伸，是模塊化區塊鏈概念的一種體現。它通過構建在底層區塊鏈之上的鏈下網路、系統或技術，致力於提升主鏈的可擴展性。 Layer 2 解決方案允許更快速、成本效益更高的交易處理，同時保持與底層區塊鏈的安全性和去中心化特性。根據 @0xning 製作的 dune 看板，可以看到在以太坊生態上 Layer 2 驗證和清算所消耗的 gas 佔比平均低於 10% ，大大節省了用戶的交易成本。 Source：https://dune.com/0xning/ethereum-gas-war Rollup 技術是目前 Layer 2 最主流的解決方案，其核心理念是「鏈下執行，鏈上驗證」，在鏈下執行計算等工作，然後將 calldata 數據上傳回主網。 鏈下執行 在 Rollup 模型中，交易在鏈下執行，而底層區塊鏈僅負責驗證智能合約中的交易證明，並存儲原始交易數據。這種設計顯著減輕了主鏈的計算負擔，減少了存儲需求，從而允許更高效的交易處理。 為了進一步降低成本，Rollup 採用了交易打包技術。可以將其比作物流中的貨物集裝，單獨發送每件貨物會產生高昂的運費。而Rollup 技術通過將多筆交易打包在一起，僅需一次「運輸」，從而大幅降低了每筆交易的成本。 鏈上驗證 鏈上驗證是 Layer 2 網路安全性的關鍵。Layer 2 網路必須提供加密證明，以解決底層區塊鏈上的潛在分歧。目前，兩種主流的證明機制是錯誤性證明和有效性證明，它們分別支撐著Optimistic Rollups 和 ZK Rollups。 Optimistic Rollups 的錯誤性證明 Optimistic Rollups 採用了一種樂觀的假設，即所有交易默認為有效，除非有明確的證據表明存在錯誤。這種模型依賴於挑戰期內的錯誤性證明（欺詐證明），任何網路參與者都可以提交證明以挑戰智能合約的狀態，確保了網路的公正性和透明度。 根據 L2BEAT 的數據，目前採用 Optimistic Rollups 機制的 Layer 2 一共有 16 條，如：Arbitrum, OP, Base, Blast 等等。 Source: l2beat.com ZK Rollups 的有效性證明 與 Optimistic Rollups 不同，ZK Rollups 採用了一種更為謹慎的方法，它要求所有交易在被接受之前必須經過有效性證明。這種證明機制類似於一種驗證流程，確保了 Layer 2 網路中的每筆交易和計算都是準確無誤的。簡而言之，有效性證明是 ZK-Rollups 的基石，它要求每批交易都附帶相應的證明，從而確保了底層區塊鏈上的智能合約能夠驗證並批准狀態變更。對於驗證節點而言，ZK Rollups 提供了一種零錯誤的結算機制，因為每筆交易都必須通過嚴格的有效性驗證。 根據 L2BEAT 的數據，目前採用 ZK Rollups 機制的 Layer 2 一共有11條，如：Linea, Starknet, zkSync 等等。 Source: l2beat.com 3.2 數據可用性層和共識層 3.2.1 Celestia Celestia 作為模塊化區塊鏈領域先驅，其本質是一個數據可用性層，為 dApps 和 Rollup 的開發提供了堅實的基礎。通過在 Celestia 的數據可用性層和共識層上部署，應用程序開發者可以專註於執行邏輯的優化，而將數據的可用性和共識機制的複雜性交給 Celestia 來處理。 Celestia 的架構設計為模塊化擴展提供了多樣化的解決方案，其體系結構主要包含以下三種類型： 主權Rollup：Celestia 提供數據可用性層和共識層，而結算層和執行層則由各自的主權鏈獨立實現。 結算Rollup（例如 Cevmos 項目）：在 Celestia 提供的 DA 和共識層基礎上，Cevmos 提供結算層服務，而應用鏈則承擔執行層的角色。 Celestium：數據可用性層由 Celestia 負責，共識層和結算層則依託於以太坊的強大網路，應用鏈繼續專註於執行層。 Celestia 採用了多項創新性的技術，顯著降低了數據存儲的成本，並優化了存儲效率。 糾刪碼技術 Celestia 的創新之一是糾刪碼（Erasure Codes）的應用。在 Mustafa Albasan（Celestia 的創始人之一）和 Vitalik Buterin 共同撰寫的論文《數據可用性採樣和欺詐證明》中，提出了一種新的架構思想，即全節點負責區塊的生產，而輕節點則負責區塊的驗證。糾刪碼技術通過在數據傳輸過程中引入冗餘，確保即便在高達 50% 的數據丟失情況下，也能完整恢復原始數據塊。 這一機制意味著，為了確保區塊數據的 100% 可用性，區塊生產者僅需發布區塊數據的 50%至網路。若存在惡意生產者試圖篡改區塊數據的 1% ，他們實際上需要篡改整個 50% 的數據，這就極大增加了作惡者的作惡成本。 數據可用性抽樣 Celestia 通過引入數據可用性抽樣（Data Availability Sampling, DAS）技術來解決區塊鏈的擴展性問題。DAS 的工作流程包括以下幾個關鍵步驟： 隨機抽樣：輕節點對區塊數據執行多輪隨機抽樣，每次僅請求區塊數據的一小部分。 逐步增加置信度：隨著輕節點完成更多輪次的抽樣，其對數據可用性的信心逐步增強。 達到置信閾值：一旦輕節點通過抽樣達到預設的置信水平（如 99%），它便認為該區塊的數據是可用的。 這種機制使得輕節點能夠在不下載整個區塊數據的前提下，驗證區塊數據的可用性，確保了區塊鏈數據的完整性和可用性。Celestia 專註於提供數據可用性而非執行狀態，這使得區塊生產率得以提升，每個區塊擁有更多空間，能夠容納更多的抽樣數據，從而顯著提高了 TPS（每秒交易處理量）。 3.2.2 EigenLayer EigenDA 是一個安全、高吞吐量和去中心化的數據可用性服務，是 EigenLayer 上啟動的第一個主動驗證服務 (AVS)。 AVS 可以理解成是節點運維商，是以太坊上成千上萬個節點運維商中被挑出的一部分，在本職工作（負責以太坊共識驗證）的基礎上額外接一些私活（服務有共識驗證需求的 rollup 等網路），進而獲取額外收益。隨著再質押的以太坊數量的增加，以及未來會有更多 AVS 加入到 EigenLayer 生態，Rollups 可以在 EigenLayer 生態系統中獲得更低的交易成本和更高的安全可組合性。 EigenLayer 是一個基於以太坊的再質押協議，它利用以太坊共識層的質押者作為驗證者，即利用以太坊的部分安全性 ，避免了中心化服務商或自有代幣的信任風險，因此降低了其他項目方的開發門檻。同時它也增強了以太坊的信任網路，增加了以太坊的價值和影響力。 在架構方面，EigenDA 使用 ZK 技術驗證 Layer 2 提交的狀態數據，以及由 Restaking ETH 保障共識安全的 EigenDA 網路負責最終確定性，最後 Layer2 的狀態數據提交和保存到以太坊主網。因此，EigenDA 相當於以太坊主網的 DA 服務中驗證和最終確定性環節的分包商，而不是 Celestia 那樣的競爭對手。 3.2.3 Avail Avail 是 Polygon 團隊於 2023 年 6 月宣布推出的一個模塊化區塊鏈項目，今年 3 月份從 Polygon 拆分出來，作為獨立實體運營。目前 Avail 目前在測試網運行，前些時間剛剛完成 4300 萬美元A輪融資，由 Dragonfly 和 Cyber Fund 共同領投。 Avail 的核心架構主要由 Avail DA、Avail Nexus、Avail Fusion 三部分構成。Avail DA 是模塊化的數據可用性層，和 Celestia 一樣為各條區塊鏈提供 DA 服務。Avail Nexus 是一套標準化的跨鏈消息傳遞協議，類似 Cosmos 的 IBC 協議，提供各個跨鏈之間的等可交互操作。Avail Fusion 引入了多資產質押的 POS 共識，目標是為整個 Avail 網路提供安全共識保障。 在技術方面，Avail DA 使用 Kate 多項式承諾，避免欺詐證明，並不需要假設大多數節點是誠實的，且不依賴全節點來獲得數據可用。這與 Celestia 的架構不同，Celestia 基於欺詐證明，因此技術層面兩者存在本質區別。 隨著 Celestia、Avail 等模塊化數據可用性區塊鏈項目的出現，模塊化 DA War 會越來越激烈，以太坊作為 DA 層的功能性也會被分流，未來很有可能會呈現「一超多強」的競爭格局。 3.3 結算層 3.3.1 Dymension Dymension 是一個基於 Cosmos 的模塊化區塊鏈平台，它通過內置的可擴展性匯總技術，為 RollApp 的開發提供了一個簡潔的框架。在 Dymension 的架構中，開發者可以專註於業務邏輯的實現，利用 Rollup 開發工具包（RDK）和專門的結算層，快速部署針對特定應用程序的 Rollup。 Dymension的架構由兩個核心組成部分構成：RollApp 和 Dymension Hub。 RollApp 是 Rollup 與 App 的融合體，它是 Dymension 上專用於特定應用程序的高性能模塊化區塊鏈。RollApp 可以呈現為多種形式，包括但不限於 DeFi 平台、Web3 遊戲、NFT交易市場等去中心化應用的專用 Layer 2 解決方案。 在 RollApp 中，排序器（Sequencer）扮演著關鍵角色，負責本地交易的驗證、排序與處理。完成區塊打包后，這些數據將被傳遞到對等全節點，並在鏈上發布到RollApp選擇的數據可用性網路，例如 Celestia。得到 Celestia 的響應后，排序器將其狀態根發送至 Dymension Hub，以實現共識形成和結算。 Dymension Hub 作為整個生態系統的中心，承擔著共識層和結算層的功能。它接收來自 RollApp 的狀態根，為 RollApps 提供最終的交易確認和結算服務。 通過這種設計，Rollup 能夠將共識和結算的任務交給 Dymension Hub，而將數據的存儲和驗證任務交給 Celestia 等 DA 網路。這樣，Rollup 可以共享這兩個網路的經濟安全保障，同時將精力集中在提升應用本身的執行效率和用戶體驗上。 3.3.2 Cevmos Cevmos 的名字結合了 Celestia、EVMos 和 CosmOS，旨在為 EVM 兼容的 rollups 提供結算層。 由於 Cevmos 本身就是一個 rollup，因此在其上構建的所有 rollup 被統稱為結算 rollup。每個 rollup 都通過與 Cevmos rollup 之間的最小化雙向信任橋樑，實現以太坊上現有 rollup 合約和應用的重新部署，減少遷移工作量。Cevmos 上的 rollups 會將數據發布到 Cevmos，然後 Cevmos 對數據進行批量處理，再將其發布到 Celestia。就像以太坊一樣，Cevmos 將作為結算層執行 rollups 證明。 4. 比特幣生態里的模塊化區塊鏈 隨著 Ordinals 協議帶來的銘文造富效應，以及比特幣 ETF 的獲批，多重利好因素匯聚，為比特幣生態系統注入了新的活力。市場的目光被迅速吸引至比特幣生態，機構投資者的資金也湧向這一領域，展現出對比特幣生態未來發展的信心與期待。 在這樣的背景下，比特幣 Layer 2 技術呈現出一派繁榮景象，眾多技術方案競相湧現，形成了一個多元化、充滿活力的技術生態。各種創新方案紛紛登場，共同推動比特幣網路的擴展和優化。 儘管目前業界對於比特幣 Layer 2 的準確定義尚未達成統一共識，本文將借鑒以太坊模塊化區塊鏈的理念，從模塊化的角度出發，探討構建比特幣 Layer 2 的可能性與方法。 4.1 為什麼比特幣需要模塊化？ 以太坊網路以其圖靈完備的智能合約功能而著稱，能夠存儲並驗證歷史狀態，從而支持複雜的去中心化應用（DApps）。相較之下，比特幣網路則是一個無狀態的非智能合約網路，其系統設計的不完善主要源於兩個方面： 1. UTXO 賬戶系統的局限性 在區塊鏈世界中，主要存在兩種記錄保存方式：賬戶/餘額模型和 UTXO 模型。比特幣採用的 UTXO 模型，與以太坊採用的賬戶/餘額模型形成鮮明對比。 在比特幣系統中，儘管用戶在錢包中看到的是賬戶餘額，但實際上，中本聰設計的比特幣系統並不包含餘額概念。所謂的「比特幣餘額」實際上是由錢包應用基於 UTXO 衍生出的概念。 UTXO 代表未花費的交易輸出，它是比特幣交易生成及驗證的核心。比特幣的每筆交易由輸入和輸出組成，每一筆交易都會消耗（spend）一個或多個輸入，併產生新的輸出。這些新產生的輸出隨即成為新的 UTXO ，等待未來的交易來消耗。 作為一種極簡的資產轉移和結算技術架構，UTXO 模型難以擴展以支持智能合約等複雜功能。 2. 非圖靈完備的腳本語言 比特幣的腳本語言並不支持所有類型的計算，因為缺少循環和條件控制語句，導致它並不是圖靈完備的。這一特性雖然有助於減少黑客攻擊，提高網路的安全性，但同時也限制了比特…
