模塊化論文提出，我們將共衕改變我們構建和利用區塊鏈的方式。此外，模塊化設計使得在我們進入炒作和活動高漲的牛市時，可擴容和安全的執行層變得可能！

那麽什麽是模塊化區塊鏈架構呢？

在整體網絡中（例如 以太坊 和 Solana） 、執行、結算及共識/數據可用性（DA）都統一在一層：

• 數據可用性（DA）：所有網絡參與者（至少在特定時間內）都可以訪問和檢索髮布到網絡的任何數據的概念。
• 執行：定義區塊鏈上的節點如何處理交易，併在狀態之間轉換交易。
• 結算：確定性或概率性的最終性是確保交易被提交到區塊鏈後不可逆轉的保證。隻有在區塊鏈確信交易的有效性時才會髮生這種情況。因此，結算意味著驗證交易、驗證證明和調解爭議。
• 共識：節點如何達成一緻，以驗證區塊鏈上的數據是否真實準確。

整體區塊鏈架構（來源：Celestia)

雖然整體設計方法有其自身的一些優點（例如降低覆雜性和提高可組合性），但它不一定能夠很好地擴容。這就是爲什麽模塊化設計將這些功能分開，讓它們在單獨的專用層上執行。

因此，模塊化設計空間包括：

• 執行層（彙總）
• 結算層（例如以太坊）
• 共識/DA 層（例如 Celestia）

模塊化區塊鏈架構（來源：Celestia）

更廣泛地説，模塊化景觀還包括：

• 測序解決方案，
• 證明解決方案，
• 互操作性解決方案，
• 專註於訂單流抽象的項目
• 各種基礎設施提供商 (彙總(rollup)框架、彙總即服務解決（rollup-as-a-service）方案和其他工具）

在這篇簡短的介紹性文章中，重點在於我們如何穫得基於彙總（也就是模塊化）的擴容解決方案，然後我們在接下來的幾周的新繫列中深入探討模塊化區塊鏈繫統的細微差別。

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擴容的歷史

自區塊鏈誕生以來，擴展區塊鏈的吞吐量一直是該領域研究和開髮的主要焦點。毫無疑問，要實現真正的“大規模採用”，區塊鏈必鬚能夠擴容。簡單定義，可擴容性是網絡快速、低成本處理大量交易的能力。因此，這意味著隨著更多用例的出現和網絡採用的加速，區塊鏈的性能不會受到影響。根據這個定義，以太坊缺乏可擴容性。

隨著網絡使用量的增加，以太坊上的 Gas 價格飆升至不可持續的高水平，最終導緻許多小用戶完全無法與去中心化應用程序交互。例子包括BAYC land mint（導緻gas費飆升至8000 gwei）或artblocks NFT下降（導緻gas費飆升至超過1000 gwei） - 作爲參考，gas位於<在撰寫本文時，a i=1>6 gwei。諸如此類的實例爲替代性的、更“可擴容”的 L1 區塊鏈（即 Solana）提供了蠶食以太坊市場份額的機會。然而，這也刺激了圍繞增加以太坊網絡吞吐量的創新。

然而，這些 Alt-L1 所採取的擴容方法通常是以去中心化和安全性爲代價的。例如，像 Solana 這樣的 Alt-L1 鏈選擇使用較小的驗證器集，併提高了驗證器的硬件要求。雖然這提高了網絡驗證鏈併保持其狀態的能力，但它減少了可以自己驗證鏈的人數，併增加了網絡參與的進入壁壘。這種衝突也稱爲區塊鏈三難睏境（如下圖所示）。該概念基於這樣的想法：區塊鏈無法衕時達到任何區塊鏈網絡應努力具備的所有三個核心品質（可擴容性、安全性和去中心化）。

區塊鏈三難睏境（來源：SEBA Research）

當我們考慮上述硬件要求的增加時，這一點就變得很清楚。爲了擴容吞吐量，Alt-L1 鏈必鬚利用更加中心化的網絡結構，用戶必鬚信任少量具有高規格機器的驗證器。這犧牲了區塊鏈三難的兩個方麵：去中心化和去中心化。安全性，可擴容性。此外，由於需要更強大的硬件，運行節點也變得更加昂貴（不僅是硬件本身，還包括帶寬和存儲）。這極大地損害了網絡的去中心化，因爲運行節點的進入壁壘急劇增加，因此可以參與驗證網絡的人越來越少。

由於去中心化和包容性是以太坊社區的兩個核心價值觀，因此用一小組高規格節點運行鏈併不是一條合適的前進道路也就不足爲奇了。 Vitalik Buterin 甚至認爲“讓普通用戶能夠運行節點對於區塊鏈去中心化至關重要”。因此，其他擴容方法受到了關註。

衕質執行分片（Homogenous Execution Sharding）

以太坊社區已經嘗試使用側鏈、plasma和狀態通道來解決可擴容性問題，所有這些都具有某些缺點，導緻它們不是最佳解決方案。許多替代 L1 區塊鏈選擇採用的一種擴容方法就是所謂的衕質執行分片。在相當長的一段時間裡，這似乎也是以太坊最有前途的解決方案（在舊的 ETH 2.0 路線圖的背景下）。

衕類執行分片是一種擴容方法，旨在通過將事務處理工作負載畫分爲多個稱爲分片的較小單元（驗證器子集）來提高區塊鏈網絡的吞吐量和容量。每個分片獨立且併髮地運行，處理自己的一組事務併維護單獨的狀態。目標是實現事務的併行執行，從而提高整體網絡容量和速度。 Harmony 和以太坊 2.0（僅限舊路線圖！）是擴容計畫的兩個示例，它們已採用或至少考慮將衕構執行分片作爲其擴容策略的一部分。

執行分片的簡化可視圖

Harmony 是一個替代性的 L1 區塊鏈平颱，旨在爲去中心化應用程序 (dApp) 提供可擴容、安全且節能的基礎設施。它使用基於分片的方法，將網絡分爲多個分片，每個分片都有自己的一組驗證器，負責處理交易和維護本地狀態。驗證者被隨機分配到分片，確保資源的公平和平衡分配。

跨分片通信是通過一種稱爲“收據”的機製來促進的。它允許分片將有關事務導緻的狀態更改的信息髮送到其他分片。這使得駐留在不衕分片上的 dApp 和智能合約之間能夠無縫交互，而不會影響網絡的安全性和完整性。

以太坊 2.0 是對以太坊網絡的持續升級，旨在解決原始基於工作量證明 (PoW) 的以太坊版本所麵臨的可擴容性、安全性和可持續性問題。 舊版以太坊 2.0 路線圖提出了多階段部署，將網絡過渡到權益證明 (PoS) 共識機製（我們最終看到了這一機製）去年秋天髮生）併引入執行分片以提高可擴容性。根據這個最初的計畫，以太坊 2.0 將由一條信標鏈和 64 條分片鏈組成。信標鏈旨在管理 PoS 協議、驗證者註冊和跨分片通信。

另一方麵，分片鏈是單獨的鏈，負責處理交易併衕時維護單獨的狀態。驗證者將被分配到一個分片，定期輪換以維護網絡的安全性和去中心化。信標鏈將跟蹤驗證者分配併管理最終確定分片鏈數據的過程。計畫通過一種稱爲“交叉鏈接”的機製來促進跨分片通信。它會定期將分片鏈數據捆綁到信標鏈中，從而允許狀態更改在網絡上傳播。

但是，雖然衕質執行分片承諾了巨大的可擴容性，但它確實以安全權衡爲代價，因爲驗證器被分成更小的子集，因此網絡去中心化受到損害。此外，在分片上提供加密經濟安全性的風險價值也降低了。

然而，以太坊 2.0 路線圖此後不斷髮展，執行分片已被一種稱爲數據分片的方法所取代，該方法旨在爲稱爲彙總的更覆雜的擴容技術提供可擴容的基礎（稍後將詳細介紹！）。

異構執行分片（Heterogenous Execution Sharding）

異構執行分片是一種擴容方法，它將具有不衕共識機製、狀態模型和功能的多個獨立區塊鏈連接到一個可互操作的網絡中。這種方法允許每個連接的區塊鏈保持其獨特的特性，衕時受益於整個生態繫統的安全性和可擴容性。採用異構執行分片的兩個著名項目示例是 Polkadot 和 Cosmos 。

Polkadot 是一個去中心化平颱，旨在實現多個區塊鏈之間的跨鏈通信和互操作性。其架構由中央中繼鏈、多個平行鏈和橋接器組成。

Polkadot 網絡架構的簡化可視圖（來源：Polkadot 文檔）

中繼鏈：Polkadot生態中的主鏈，負責提供安全、共識和跨鏈通信。中繼鏈上的驗證器負責驗證交易併生成新塊。

平行鏈：連接到中繼鏈的獨立區塊鏈，可從其共享的安全性和共識機製中受益，併實現與網絡中其他鏈的互操作性。每個平行鏈都可以有自己的狀態模型、共識機製和針對特定用例定製的專用功能。

橋梁： 將 Polkadot 連接到外部區塊鏈（如以太坊）併實現這些網絡和 Polkadot 生態繫統之間的通信和資産轉移的組件。

Polkadot 使用稱爲提名權益證明 (NPoS) 的混合共識機製來保護其網絡。中繼鏈上的驗證者由社區提名來驗證交易併生成區塊。相反，平行鏈可以根據其要求使用不衕的共識機製。 Polkadot 網絡架構的一個重要特點是，在設計上，所有平行鏈都與中繼鏈共享安全性，從而繼承了中繼鏈的安全保證。

Cosmos 是另一個去中心化平颱，旨在創建“區塊鏈互聯網”，促進不衕區塊鏈網絡之間的無縫通信和互操作性。它的架構類似於 Polkadot 的架構，由一個中心 Hub、多個 Zone 和 Bridge 組成。

Cosmos 網絡架構的簡化可視圖（來源：Cosmos Docs）

Hub： Cosmos 生態繫統中的中央區塊鏈，可實現跨鏈通信併很快實現鏈間安全（類似於 Polkadot 的共享安全）。 Cosmos Hub 使用稱爲 Tendermint 的權益證明 (PoS) 共識機製，可提供快速最終確定和高吞吐量。理論上，可以有多個集線器。然而，隨著 ATOM 2.0 和鏈間安全性的出現，Cosmos Hub 很可能仍然是 Cosmos 支持的“區塊鏈互聯網”的中心。

區域： 連接到 Hub 的獨立區塊鏈，每個區塊鏈都有自己的共識機製、狀態模型、功能和驗證器集（通常）。區域可以使用稱爲區塊鏈間通信（IBC）的標準化協議通過集線器相互通信。

橋梁：將 Cosmos 生態繫統連接到外部區塊鏈的組件，允許 Cosmos 區域和其他網絡之間進行資産轉移和通信。

Polkadot 和 Cosmos 都是異構執行分片的例子，因爲它們將具有不衕功能、共識機製和狀態模型的多個獨立區塊鏈連接到一個可互操作的生態繫統中。這種方法允許每個連接的鏈保持其獨特的特性，衕時通過將特定於應用程序的執行層彼此分離來實現可擴容性，衕時仍然受益於整個網絡的跨鏈通信和安全功能。

Cosmos 和 Polkadot 方法之間的主要區別在於安全模型。 Cosmos 採用的方法是特定於應用程序的鏈（異構分片）必鬚啟動併維護自己的驗證器集，而 Polkadot 選擇了共享安全模型。在這種共享安全模型下，應用程序鏈繼承了位於生態繫統中心的中繼鏈的安全性。後者更接近以太坊希望採用的基於彙總的擴容方法來實現擴容。

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通過彙總（Rollups）擴容以太坊

以彙總爲中心的以太坊路線圖併不是一個新現象，但它的吸收和採用速度正在加快。 Vitalik 早在 2020 年 10 月就首次撰寫了有關此路線圖支點的文章。

彙總將共享安全範式中的分片提升到了一個新的水平。這是一種擴容解決方案，其中交易在彙總執行環境中進行鏈外處理，併且顧名思義，將交易彙總成批次。排序器收集用戶的交易，併將交易批次提交到以太坊 L1 上的智能合約，該合約在 L2 上強製執行正確的交易執行。隨後，交易數據存儲在 L1 上，這使得 Rollups 能夠繼承經過考驗的以太坊基礎層的安全性。

因此，現在舊的以太坊 2.0 路線圖中本質上的分片已經與基礎層完全解耦，開髮人員有廣闊的開放空間可以按照自己的意願定製他們的 L2（類似於 Polkadot 的平行鏈或 Cosmos 的區域）。然而，得益於以太坊上的結算和 DA，rollups 仍然能夠依賴 L1 安全保證。與側鏈（例如 Polygon）相比，另一個關鍵優勢是 Rollup 不需要自己的驗證器集和共識機製。

Rollup 繫統隻需要有一組定序器（收集和排序事務），併且在任何給定時間隻需要一個定序器處於活動狀態。在這樣的弱假設下，彙總實際上可以在一小組高規格服務器級計算機甚至單個定序器上運行，從而實現出色的可擴容性。然而，由於這是與去中心化的權衡，大多數彙總嘗試將其繫統設計得盡可能去中心化（包括排序器）。雖然 Rollup 併不明確需要共識機製（因爲最終性來自 L1 共識），但 Rollup 可以具有帶有輪換計畫的協調機製來輪換排序器，甚至可以使用成熟的 PoS 機製，其中一組排序器就事務批處理/排序達成共識。這些方法可以提高安全性和改善去中心化。

一般來説，彙總繫統可分成兩種類型……

Optimistic 彙總

所謂的Optimistic彙總的特點是有一個排序器節點，用於收集 L2 上的交易數據，隨後將該數據與新的 L2 狀態根一起提交到以太坊基礎層。爲了確保提交給以太坊 L1 的新狀態根是正確的，驗證者節點會將其新狀態根與排序器提交的狀態根進行比較。如果存在差異，他們將開始所謂的欺詐證明流程。如果欺詐證明的狀態根與排序器提交的狀態根不衕，則排序器的初始存款（又稱債券）將被削減。從該交易之後的狀態根將被擦除，序列器將不得不重新計算丟失的狀態根。

Rollup機製（來源：Panther Academy）

有效性（零知識‘Zero-Knowledge’）彙總

另一方麵，有效性彙總依賴於零知識證明（例如 SNARK 或 STARK）形式的有效性證明，而不是欺詐證明機製。與 Optmistic 彙總繫統類似，排序器從用戶收集交易，併負責曏 L1 提交（有時還生成）零知識證明以及相應的交易數據。如果排序者進行惡意行爲，他們的權益可能會被削減，這會激勵他們髮布有效的區塊（或批次證明）。有效性彙總爲繫統引入了Optimisitc設置中不需要的新角色。證明者是生成不可僞造的交易執行 zk 證明的參與者，證明所提議的狀態轉換是有效的。

排序器隨後將這些證明提交給以太坊主網上的驗證者合約。從技術上講，測序者和證明者的職責可以合併爲一個角色。然而，由於證明生成和交易排序都需要高度專業的技能才能良好執行，因此畫分這些職責可以防止彙總設計中不必要的集中化。排序器提交給 L1 的零知識證明僅報告 L2 狀態的變化，併將這些數據以可驗證哈希的形式提供給以太坊主網上的驗證者智能合約。

zk-Rollup 的簡化可視圖（來源：Chainlink）

確定哪種方法更優越是一項具有挑戰性的任務。然而，讓我們簡要探討一些關鍵差異。首先，首先，由於有效性證明可以在數學上得到證明，以太坊網絡可以無需信任地驗證批量交易的合法性。這點與Optimistic 彙總不衕，Optimistic 彙總時以太坊依賴驗證節點來驗證交易併在必要時執行欺詐證明。因此，有些人可能會認爲 zk-rollups 更安全。此外，有效性證明（零知識證明）可以即時確認主鏈上的彙總交易。

因此，用戶可以在 rollup 和基礎區塊鏈（以及其他 zk-rollups）之間無縫轉移資金，而不會遇到摩擦或延遲。相比之下，Optimisitc 彙總（例如 Optimism 和 Arbitrum）在用戶提取資金到 L1 之前需要等待一段時間（在 Optimism 和 Arbitrum 的情況下爲 7 天），因爲驗證者需要能夠驗證交易併髮起欺詐必要時證明機製。這限製了彙總的效率併降低了用戶的價值。雖然有多種方法可以實現快速提款，但它通常不是原生功能。

然而，生成有效性證明的計算成本很高，而且鏈上驗證的成本通常很高（取決於證明的大小）。通過抽象證明生成和驗證，Optimistic 彙總在成本方麵比有效性彙總具有優勢。

在以太坊以彙總爲中心的路線圖背景下，Optimistic 彙總和有效性彙總都髮揮著關鍵作用。將以太坊基礎層轉變爲主要的數據可用性/結算層，以支持幾乎無限數量的高度可擴容、基於彙總的執行層，將使整個以太坊網絡及其彙總生態繫統達到巨大的規模。

結論

正如我們所看到的，如我們所見，構建具有主權併不受基礎層限製的去中心化應用程序是一項覆雜的任務。它需要協調數百個節點運營商，這既睏難又昂貴。此外，如果不在安全性和/或去中心化方麵做出重大權衡，就很難擴容整體區塊鏈。

雖然 Cosmos SDK 和 Polkadot 的 Substrate 等框架可以更輕鬆地抽象某些軟件組件，但它們不允許從代碼無縫過渡到 p2p 硬件的實際物理網絡。此外，異構分片方法可能會破壞生態繫統的安全性，這可能會帶來額外的摩擦損失和風險。

Rollups是下一代擴展解決方案，提供了一個絶佳機會，不僅可以消除協調數百甚至數千個個體來運營一個去中心化網絡的睏難，而且還是將開髮人員將其想法和概念轉化爲現實所需的成本和時間大幅減少的重要基石。模塊化鏈的概念進一步簡化了這一點。模塊化區塊鏈設計是一種廣泛的方法，它將區塊鏈的核心功能分成不衕的、可互換的組件。在這些功能領域內，出現了專門的提供商，共衕促進構建可擴容且安全的彙總執行層、廣泛的應用程序設計靈活性以及對不斷變化的技術需求的增強適應性。

盡管如此，基於彙總的擴容仍然是一項新興技術。因此，仍有一些障礙需要剋服。目前（基於以太坊的）彙總的主要可擴容性瓶頸是有限的數據可用性（DA）容量。然而，由模塊化論文驅動的創新確實有一些方法可以解決這個問題。要了解更多關於DA問題和潛在解決方案的信息，請繼續關註我們即將在下周髮布的深度報告，我們將在本繫列中繼續探討！

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