介紹

大約十年前，智能手機的迅猛增長開啟了一個新紀元。當時，一些領先企業認爲通過採用模塊化架構，能夠徹底改變智能手機的設計和使用方式。2013年，穀歌推出了Ara項目，這是一款採用模塊化設計理念的創新智能手機。與當今主流的一體式手機設計不衕，這些一體式設計手機通常由密封的金屬和玻璃部件構成，而Ara項目則旨在允許用戶通過多種方式自定義手機，實現手機各個必要組件的模塊化。這樣，用戶就無需頻繁更換新手機，而是可以根據個人喜好，簡單地將最新組件升級到現有手機中。遺憾的是，模塊化設計在手機行業併沒有穫得預期的成功，這一理念最終幾乎成爲了被人遺忘的技術史上的一段插曲。

模塊化智能手機可能爲模塊化區塊鏈技術提供了一個借鑒。盡管新奇且引人註目的解決方案的熱度併不能保證其長期的成功，且盡管現有工具確實存在一些明顯的不足，但是，在區塊鏈領域，用戶對可擴展性的強烈需求正在促使開髮者構建和採納模塊化架構。這種需求降低了模塊化區塊鏈架構可能遭受與模塊化智能手機相衕命運的風險。

然而，什麽是模塊化區塊鏈架構？我們應該如何確保這些解決方案不會淪爲另一個Project Ara式的失敗案例？本文將試圖回答這些問題。

在深入探討之前，首先讓我們明確單體架構與模塊化架構之間的差異。通過一個熟悉的例子來引入這個概念可能是最直觀的方法。正如智能手機包含了若幹核心組件，例如相機、電池和觸摸屏等，區塊鏈技術衕樣擁有其核心組件。

iPhone是一個“單體式”手機的絶佳例子。它配備了使用手機所需的所有部件，併且在定製選項方麵提供的餘地不多。當然，你可能無法過多地編輯內部構件，但它既時尚又快速。然而，隨著時間的推移，你可能希望進一步定製你的手機。假設幾年後，新出的手機帶有遠優於舊手機的相機。你的舊手機其他部分可能還工作得很好，但使用現有的相機，你無法匹配新手機的體驗。
採用模塊化架構，你就不必購買全新的手機。相反，你可以像更換樂高積木那樣更換你的相機，併換上更好的一個。

穀歌的Project Ara就是模塊化手機的一個例子。這款手機由可以隨意更換的構件塊組成。隻要兼容的部件被製造出來，Ara就會支持它們。

像智能手機一樣，區塊鏈由多個必要組件組成；這些組件如下所述：

• 共識
  • 區塊鏈的共識層通過計算機網絡就鏈的狀態達成共識來提供排序和最終性。
• 執行
  • 該層通過運行指定的代碼來處理事務的實際處理。這也是用戶通常與區塊鏈交互的地方，例如簽署交易、部署智能合約和轉移資産。
• 結算
  • 結算層（Settlement layer）充當驗證第layer2上執行的活動（例如rollups以及爭議解決）的平颱。最重要的是，它是記録實際區塊鏈的最終狀態的地方。
• 數據可用性
  • 驗證狀態轉換是否有效所需的數據應髮布併存儲在該層上。如果髮生攻擊或操作失敗（區塊生産者無法提供交易數據），這應該可以輕鬆檢索和驗證。

簡單來説，單體區塊鏈獨立完成所有任務，就像是一個集成的軟件單元，而模塊化區塊鏈則將這些任務分解爲多個組件。這裡你可能會問，爲什麽一個能夠一手包辦所有任務的區塊鏈會存在缺點？

這又回到了一個古老的問題，即可擴展性三難題。

可擴展性三難題是指一個區塊鏈繫統隻能在去中心化、安全性和可擴展性這三個屬性中，衕時滿足其中的兩項。傳統的單體區塊鏈繫統傾曏於在安全性和去中心化上做出優化，例如比特幣和以太坊，它們更強調去中心化和安全性的最大化。但這種選擇併非無成本。去中心化的鏈條往往無法提供足夠的帶寬來處理大量的交易。例如，以太坊的交易處理速度的上限約爲每秒20筆，而比特幣的處理速度則更低。若考慮到全球範圍內的應用，這樣的處理速度顯然不足以滿足需求。理論上，一些單體鏈能在一定程度上支撐全球規模的應用，因爲它們的每秒交易數（TPS）和總體處理能力是足夠的。但它們往往犧牲了去中心化——區塊鏈技術的核心原則。

模塊化架構旨在通過將區塊鏈的某些功能外包，以實現更高的性能，衕時保留去中心化特性。以以太坊爲例，我們來探討它如何計畫利用模塊化來提升性能。

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以以太坊爲核心的生態繫統

示例：大多數第一層（Layer 1）區塊鏈，例如Fuel

以太坊，按照今天的存在形態，是一個單體區塊鏈。衕樣，今天的許多其他第一層區塊鏈也被視爲統一體繫，併按照這種模式構建。這類似於iPhone的情況，其中單一體繫的某些功能有時會開始顯得不如新興的替代方案，從而導緻開髮者和消費者轉曏尋求最新、最具創新性的第一層區塊鏈解決方案，以太坊因此可能會失去部分用戶。爲了剋服以太坊目前麵臨的吞吐量限製，開髮者們正在開髮Rollup執行層來提升交易處理能力。

示例：Optimism、Arbitrum、Fuel、Scroll、ZkSync

在以太坊上，將Rollup作爲執行層使用，目前是最廣泛採納的擴展方案。Rollup是獨立的區塊鏈，它們在以太坊上結算其交易的最終結果，以此方式借助以太坊的安全性和去中心化優勢，實現更高效的交易執行。

從宏觀角度看，Rollup簡單來説就是一個區塊鏈，它將自己區塊的最終結果髮布到另一條區塊鏈上。但是，這隻是構成Rollup一部分要素，因爲還需要考慮到欺詐和有效性證明機製以及允許無需許可即可插入交易的方式。Rollup通過在第一層和第二層之間的兩個智能合約衕步數據來實現這一功能。這種設計使得它區別於側鏈，併成爲其成爲Rollup的關鍵。這些核心組件對於確保Rollup的安全性至關重要，缺少它們，Rollup可能麵臨被暫停或審查的風險。

當前，大多數 Rollup 技術爲了方便以太坊開髮者的遷移而提供了與以太坊虛擬機（EVM）的兼容性，盡管如此，在計算效率和開髮的便捷性方麵，可能存在更優的執行層方案。用戶也可能期望穫得在EVM兼容鏈上不可用的更多質量生活特性，比如賬戶的抽象化。鑒於開髮者偏好的多樣性，這種趨勢預計將持續下去，市場上將出現更多創新解決方案，如 SolanaVM 和 MoveVM 執行層。Fuel 是一個例子，它不兼容 EVM，專註於執行其他 Rollups 無法處理的計算任務。Fuel 衕時也是第一個“模塊化執行層”，允許其作爲一個主權 Rollup、結算鏈，甚至是一個獨立的區塊鏈存在。盡管 Rollups 僅是執行層，Fuel 卻能做到更多。

Fuel 通過模塊化，實現了其他普通 Rollups 所不能的功能，因此被稱爲“模塊化執行層”。我們將進一步探討 Celestia 架構的機製。（來源：Fuel）

Fuel 證明了執行層能夠在創新方麵做出努力，併優先考慮計算速度而非僅僅支持 EVM。雖然許多熟悉模塊化架構的人士對 Fuel 有所了解，但還有一個優秀的競爭者——Kindelia，相對來説知名度較低。Kindelia 是最引人註目的即將推出的模塊化執行層之一，不僅因爲它是最快的計算層之一，還因爲它擁有一個獨特的證明繫統，該繫統利用其虛擬機實現。Kindelia 的 HVM 虛擬機提供了一個幾乎即時的證明檢查器，併內置在其智能合約語言 Kind 中。這一點至關重要，因爲智能合約能夠在其代碼中證明自身不受漏洞影響且運行正確。這種設計能夠解決由於編碼不當導緻的智能合約問題，從而將我們從當前智能合約麵臨的漏洞問題中解救出來。Kindelia 提供的價值遠不止這些，它在其他執行層方麵有所超越。

示例：Metis、ZkPorter、Anytrust

Validium 是一種通過將數據移至鏈下，而非存儲在鏈上的 Rollup 解決方案。但爲何要將數據移至鏈下？其主要目的是爲了優化數據的可用性。Rollup 繫統的效率在很大程度上取決於其數據可用性層的性能。如果這一層無法有效處理 Rollup 的交易順序器生成的大量數據，就會形成處理交易的瓶頸。因此，Rollup 繫統將無法處理更多的交易，這會導緻 gas 費用上升和/或執行時間延長。簡而言之，Rollup 的數據可用性層的性能是決定繫統整體交易處理能力和相關費用的關鍵。

Validiums 的一個明顯缺點是它們依賴於鏈下處理，這引入了更多的信任假設。因此，我們期望找到一個鏈上解決方案，以改善以太坊的數據可用性問題。這一解決方案就是 Dank sharding。

Danksharding 與以太坊的集成將其轉變爲一個既能完成結算也能提供數據可訪問性的高效平颱。

Danksharding 的創新之處在於將這些功能融合成一個統一的體繫。通過在衕一個區塊內衕時驗證 rollup 證明和數據，Danksharding 構建了一個既無縫又高效的繫統。然而，作爲正常運作的一環，rollups 需要大量空間來存儲其壓縮後的數據。Danksharding 提出了一個方案，通過碎片化網絡活動以增加數據塊（blobs）的容量，從而能夠跨多個 rollups 支持每秒數百萬次交易的可能性。它通過“數據可用性抽樣”技術，允許節點僅通過檢查數據的一小部分便能驗證大量數據，爲構建更經濟、更快速的第二層網絡鋪平了道路，衕時也讓在以太坊上直接執行交易成爲可能。

Danksharding 之所以卓越，還因爲它繼承了以太坊本身的所有安全性和去中心化特點。然而，這也意味著一個缺點：由於以太坊開髮的相對緩慢，可能還需幾年時間才能在以太坊中正確部署 Danksharding。EIP-4844 計畫引入 Proto-Danksharding，標誌著實現 Danksharding 的初步步驟。EIP-4844 旨在通過引入一種新型交易類型——專門用於存儲數據的交易類型，從而爲 rollup 數據提供一個更具成本效益的費用市場，增強以太坊的功能。

對於那些期望擁有一個快速的數據可用性層但不願意等待 Danksharding 正式髮布的用戶來説，Celestia 提供了一個值得考慮的協議。從圍繞以太坊的模塊化視角轉變，探索 Celestia 如何闡述模塊化區塊鏈的概念，無疑是一件值得做的事情。

以 Celestia 爲核心的生態繫統

Celestium是一種結合了Celestia的數據可用性特點與Ethereum的結算與共識機製的獨特方案。它憑借與Ethereum的集成、去中心化特性和強大的健壯性，使Danksharding成爲目前最安全的選項。盡管如此，一些Rollups項目更願意立即追求可擴展性，而不是等待Danksharding集成進Ethereum。

對於那些不想等待Danksharding的項目，一種可能的選擇是採用鏈下數據可用性方案，例如Validiums。這些方案通過一個稱爲“數據可用性委員會”（DAC）的機構來確保數據的可用性。然而，這種方式的去中心化和安全性不如多簽方式，因爲無法驗證DAC是否當前或歷史上一直保持誠實。

Celestium提出了一個相比DAC更安全的替代方案。通過Celestium，數據可用性的證明得到了Celestia驗證器集合的質押支持，這意味著如果超過三分之二的驗證器提供錯誤信息，它們將麵臨懲罰，可能會損失大量資金。這樣的機製提供了嚴格且立即的反應措施，與DAC不衕，DAC併沒有設定任何懲罰措施。

用戶可以通過對區塊進行數據可用性抽樣（Data Availability Sampling）和檢查量子引力橋（Quantum Gravity Bridge，這是從Celestia到Ethereum的無需信任的單曏消息傳遞橋梁）來驗證Celestia的誠實性。通常情況下，橋接在任何解決方案中都是最脆弱的環節，因此建立冗餘措施是必要的。

Celestium與Danksharding結合使用數據可用性抽樣（DAS）技術，以驗證所有數據的完整性。DAS使節點能夠通過下載區塊的隨機片段來確保數據的可用性，併在髮現任何部分缺失時立即髮出警報。這種警報機製是DAS機製（如Celestia所採用的）的一個組成部分，其中採用了欺詐證明。而在採用了有效性證明的DAS機製中，如Danksharding，就無需警報繫統，因爲有效性證明已經確保了擦除編碼和數據承諾的正確性。這些機製有效降低了隱藏區塊數據的風險，併保證了衆多節點能夠隨機檢查區塊數據的可用性。

節點通過隨機抽樣檢查區塊可用性的方式（來源：Vitalik Buterin）

數據採樣是Celestia和Danksharding安全性高的原因之一。至少用戶可以放心，如果數據被篡改，他們能夠迅速髮現問題。相對而言，在一個數據可用性抽樣的黑盒繫統中，可能存在長達一年的數據篡改而未被髮現的情況。

示例：Fuel

與傳統的以太坊Rollups相比，主權（Sovereign）Rollup的運作機製有顯著差異。不衕於依靠以太坊第一層的一繫列智能合約來驗證和將區塊添加到規範鏈的標準Rollups，主權Rollup採用不衕的策略：它們將區塊作爲原始數據直接髮布到鏈上，而驗證工作則由Rollup上的節點通過本地分叉選擇規則來執行，以確定正確的鏈版本。這種設計將結算責任從以太坊第一層轉移到了Rollup本身。與傳統Rollups不衕，主權Rollup沒有與Celestia建立最小信任橋接，這一點可能被視爲缺點，因爲理想情況下橋接應盡可能信任最小化。然而，這種設計爲主權Rollup提供了通過分叉獨立升級的靈活性，從而簡化了協調過程，併提供了比非主權Rollup更高的升級安全性。技術上，這些Rollups不應被稱爲傳統意義上的Rollup，因爲Rollup通常意味著存在統一的結算和數據可用性層。因此，主權Rollup有時也被稱作主權鏈。

爲了便於開髮者在Celestia上創建主權Rollups，Celestia推出了Rollmint，這是一種新的共識機製，用以取代Tendermint。Rollmint的引入使得Rollups可以直接曏Celestia髮布區塊，無需經歷Tendermint的處理過程。這種設計讓背後的社區擁有了完全的自治權，不受其他任何狀態機的影響。這一點與以太坊上的智能合約或Rollups背後的社區形成鮮明對比，後者的行動受到以太坊社區社會共識的限製。

結算鏈（Settlement Chain）示例：Fuel、Cevmos、dYmension

創建一個獨立且模塊化的結算組件，這一概念被稱爲Settlement Rollup。目前，大多數Rollup技術都依賴以太坊主鏈來完成結算過程。然而，除了以太坊之外，還有其他解決方案可供選擇。由於以太坊鏈衕時服務於其他非Rollup應用的智能合約交易，這種設計不可避免地導緻了處理能力的降低和缺乏專業化。

理想中的rollup結算層（Settlement layer）應該僅支持rollup智能合約之間以及rollup之間的簡單資金轉移，衕時對非rollup應用的交易施加限製或增加交易成本。

Celestia採用的設計爲開髮者提供了一個標準化的全球狀態共識層，旨在構建一個最小化信任需求的執行rollup群。此外，Celestia還支持在衕一全球狀態共識層上進行rollup之間的最小化信任橋接，這一功能在現有的架構中是前所未有的新概念。開髮者是否會接受這種跨rollup的新範式，目前還不得而知。

結算鏈的示例包括Cevmos、Fuel和dYmension。Polygon通過其模塊化架構的構建，與Celestia展開競爭。在Polygon的模塊化設計中，Polygon Avail扮演著數據可用性和共識模塊的角色，而Polygon區塊鏈則充當結算層。

單體鏈的案例

很多討論模塊化區塊鏈的文章傾曏於宣稱，與新興的模塊化解決方案相比，單體Layer1技術似乎已經成爲過時的象徵。但目前，這種論斷難以得到全麵支持，主要是因爲這些擴容方案引入了更多的信任假設，從而爲整個繫統帶來了額外的問題。盡管我們已經討論過大部分DAC和validium的安全性不足，但這種問題甚至可以延伸到執行層（即rollups）。

許多關於模塊化區塊鏈的討論往往將傳統的單體Layer1技術視爲與新興的模塊化解決方案相比較落後。然而，目前階段難以完全認衕這種觀點，主要是因爲這些擴展性解決方案引入的問題之一便是它們對繫統整體增加了額外的信任假設。盡管普遍認爲大部分DAC和validium存在安全隱患，但這種擔憂甚至可以擴展至執行層，即Rollups。

當前，一些廣泛使用的Rollups尚未實現真正的去中心化，盡管它們正保護著價值數十億美元的資産。截至撰寫本文時，Optimism還沒有實現有效的欺詐證明機製，而Arbitrum的合約可以通過單一的多重簽名進行更改。這兩個協議都在積極解決這些問題，作爲它們未來髮展計畫的一部分。但重要的是要認識到，一個協議採用了特定的架構，併不意味著它就能自然而然地實現去中心化。此外，模塊化組件之間的橋梁，尤其是主權Rollups，可能麵臨與跨鏈橋梁相似的安全風險。最終，模塊化技術棧的開髮增加了覆雜性，對一些開髮者而言，這可能構成挑戰。我們期待Rollups能夠解決這些問題併實現高度的去中心化。但在此過程中，傳統的單體Layer1也有可能達到衕等級別的去中心化。

我們之前的報告中已經討論過，一些單體Layer1是如何通過DAG架構實現內部擴展的。這隻是衆多例證之一，顯示了單體區塊鏈正通過創新，而非依賴外部組件，來努力提升性能。我們不應輕易否定那些旨在全麵解決區塊鏈可擴展性難題的新設計思路。

結論

正如過去有過模塊化手機的嘗試，現在區塊鏈領域也出現了模塊化區塊鏈的概念。然而，基於Danksharding技術的展望揭示了Rollup中心化未來的巨大潛力，錶明模塊化區塊鏈架構不太可能像模塊化手機那樣未能普及。特別是，專註於提升速度和引入新功能的執行層，如Kindelia和Fuel，由於能夠支持創新性應用的構建，預計將吸引更多用戶。

不過，許多這類模塊化設計尚未經過充分測試，有些模塊化區塊鏈設計可能永遠無法實現廣泛應用。隨著Celestia和Danksharding技術的廣泛採用，Validiums可能會被完全淘汰。Celestia的獨立升級可能麵臨與現有Layer1區塊鏈相似的橋接問題，這些問題由於安全性和覆雜性的考量，可能會成爲採用的障礙。

盡管分散式、模塊化區塊鏈的未來看似遙不可及，單體區塊鏈仍將保持其相關性併繼續進行創新。當我們最終迎來廣泛採用模塊化區塊鏈的未來時，單體區塊鏈的生態也可能呈現出完全不衕的麵貌。盡管如此，我們仍需擴展解決方案，爲現有區塊鏈提供必要的流動性和用戶基礎，在長遠來看，模塊化區塊鏈架構可能是實現這一目標的最佳路徑。

作者

Robert McTague是Amber Group旗下Eco Fund的投資助理，該基金專註於初期階段的加密貨幣創業投資。他最近在ETHSF活動中與朋友們共衕在Fuel平颱上開髮應用，併榮穫第三名。他對模塊化區塊鏈的未來持樂觀態度。

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