单体区块链缺点日益突出 模块化才是未来？

原文：《Is modular design the future?》by Robert McTague

编译：倩雯，ChainCatcher

我们需要扩容方案为现有的区块链提供流动性和用户服务，从长远来看，模块化区块链架构可能是最好的方式。

过去十年是智能手机不断发展的十年。彼时，一些大型公司认为他们能够通过引进模块化架构来变革智能手机的发展。2013年谷歌宣布项目Ara，这是使用模块化设计的智能手机。Ara不同于现在使用一式铝与玻璃材质的单体式手机，用户可以对其进行多样化定制，因为关键组件都是模块化的。这样以来，用户不需要定期更新手机，只需根据喜好将最新的部件添加到旧手机上。

在手机生态系统中，模块化并未成功，这一概念已几乎在科技史上被淡忘。但模块化这一概念在区块链领域中再次兴起，这一次它的命运也许会不同，给区块链发展史带来浓墨重彩的一笔。

单体式与模块化

手机有核心部件，如摄像头、电池和触摸屏，同样，区块链也有核心部件。手机是单体机的一个很好例子。它配备了使用手机所需的所有部件，没有提供太多的定制选项。但随着时间的推移，如果你想要体验更好的相机，就不得不购入新出的手机。有了模块化架构，你就不必再多花冤枉钱。相反，你只需要更换你的手机部件。

像智能手机一样，区块链由多个基本组件组成：

• 共识：区块链的共识层通过计算机网络对链的状态达成共识，提供排序和最终结果。

• 执行：这一层通过运行指定代码对实际交易进行处理，也是用户通常与区块链互动的地方，例如通过签署交易、部署智能合约和转移资产。

• 结算：结算层验证L2上的活动，这些L2包括rollup与结算层。它是记录实际区块链的最终状态的地方。

数据可用性：对验证状态转换有效性所需的数据进行公布并存储。在发生攻击或操作失误，区块生产者不能提供交易数据时，它应该是最容易进行恢复和验证的。

单体式的缺点

简单地说，单体区块链在一个软件中独自执行所有这些任务，而模块化区块链则将它们分离成多个软件。

这又回到了一个古老的问题，即可扩展性三难问题。

现有的单体区块链倾向于优化三角形中的安全和可扩展性。比特币和以太坊更强调尽可能的去中心化和提高安全性。但随之而来的是交易处理的性能不足。去中心化的链通常没有高带宽来执行交易。以太坊的上限是每秒20笔交易，而比特币的上限则更低。如果我们想在全球范围内使用这些协议，每秒20笔交易是远远不够的。一些单体链，至少在理论上，可以让我们更接近全球规模，因为它们的TPS和整体吞吐量是足够的，但他们往往缺乏去中心化。因此模块化架构的目的是将区块链的一些工作外包出去，在保持去中心化的同时做出更多性能良好的链。

以以太坊为中心的生态系统

以太坊目前是单片区块链。大多数其他L1区块链也被归类为单片区块链。就像手机的例子一样，单片区块链的某些功能有时会开始落后于较新发布的链。为了解决以太坊目前在吞吐量方面的瓶颈，开发人员正在建立rollup执行层以增加交易带宽。

rollup执行层是目前以太坊上最广泛使用的扩容方式。它是独立的区块链，具有更强的交易执行能力，其净结果在以太坊上结算，有效地继承了以太发（更好的）安全性和去中心化。

从高层次来说，rollup是区块链，将其区块净结果发布到另一区块链上。除此之外，rollup还需要有欺诈和有效性证明，以及无需权限插入交易的方法。要实现这些，rollup在部署在L1与L2的两个智能合约之间同步数据，这也是rollup与侧链的区别。这些关键组件对rollup的安全十分必要，没有这些组件，rollup可以被关停或审查。

示例：Optimism,Arbitrum,Fuel,Scroll,ZkSync

目前，大多数rollup具备EVM兼容性，以帮助以太坊开发人员实现方便的迁移，但就计算效率和开发便利性而言，其他执行层也许表现更好。用户想要的功能可能不存在于EVM兼容链上，比如账户抽象。考虑到开发者的偏好广泛，这种趋势可能会继续下去，我们将看到更多新的解决方案进入市场，如SolanaVM和MoveVM执行层。

Fuel

Fuel是与EVM不兼容的执行层，可以执行其他rollup上无法完成的计算。Fuel也是第一个 “模块化执行层”，它可以成为主权rollup、结算链，甚至是单体链。Rollup只是执行层，但Fuel用途更多。Fuel表明执行层可以具有创造性，可以优先考虑计算速度而非EVM兼容。

Kindelia

除了是最快的计算层之一，Kindelia具备一个利用其虚拟机的独特证明系统。Kindelia的HVM提供了近乎瞬时的证明检查器，内置于名为Kind的智能合约语言中。Kind必不可少，因为智能合约可以在他们的代码中证明代码是安全的、没有被利用，且操作正确。这种类型的设计可以解决智能合约编码不当的问题。

Validium

Validium是数据移到链外而非存储在链上的rollup系统。Rollup系统的整体效率在很大程度上取决于其数据可用性层的能力。当该层无法处理由rollup交易排序器产生的数据时，就会导致处理交易的瓶颈。因此，rollup系统不能处理多余的交易，这就导致手续费用增加和/或执行时间缓慢。

Validium使用链下方案，这引入了更多关于信任的假设。如果想要链上解决方案，以改善以太坊的数据可用性层，可以考虑Danksharding。

Danksharding

Danksharding可以与以太坊整合使其成为用于结算和数据访问的精简平台。其创新之处在于它能够将多重概念进行聚合。Rollup证明和数据验证在同一个区块内被进行，使系统无缝且高效。为了维持正常运行，rollup需要存储大量压缩数据。Danksharding为这一要求提供了一个解决方案，为多个rollup提供了数百万TPS的可能性。

Danksharding是一种将网络活动进行分片的技术，用于增加数据块的空间。数据块是以太坊中更有效和标准化的数据格式，可以承载大量的数据，并被rollup使用以减少手续费。Danksharding利用“数据可用性抽样”，使节点能够只检查一小部分来验证大量数据，为未来更便宜和更快L2网络的出现提供动能，同时实现以太坊的直接交易。

Danksharding将继承以太坊本身的所有安全性和去中心化。然而，这一技术也存在弊端。由于以太坊的发展速度相对较慢，我们可能还需要几年的时间才能将Danksharding正确地落实到以太坊中。EIP-4844计划引入Proto-Danksharding，这是实现Danksharding的第一步。EIP-4844引入了一个能承载数据块的新交易来增强以太坊的表现。这种专门的rollup数据存储为更具成本效益的收费市场铺平了道路。

如果你想要一个快速的数据可用性层，但又不想坐等Danksharding的发布，该怎么办？Celestia也许是答案。

以Celestia为中心的生态系统

对于那些不能等待Danksharding的项目，一个可能的选项是利用链外数据可用性解决方案。如Validium利用“数据可用性委员会”（DAC）来证明数据的可用性。然而，这种方法并不去中心化，也不安全，因为它依赖于多重签名，而且没有办法验证DAC目前是否诚实或他们过去是否诚实。

Celestium提供了一个比DAC更安全的选择。使用Celestium的情况下，对数据的证明受整个Celestia验证器组押注的，这意味着如果⅔的验证器提供了不正确的信息，他们就会被惩罚，可能损失一大笔钱。这种即时机制十分严格，与DAC中不存在惩罚的情况截然不同。

此外，用户可以通过在区块上运行数据可用性采样和检查量子引力桥，以验证Celestia的诚实性。量子引力桥是Celestia与以太坊之间的无信任单向消息传递桥。

Celestium与Danksharding都是利用数据可用性采样（DAS）来验证所有数据的非恶意性质。DAS允许节点下载随机片段来确保区块的可用性，并在任何部分丢失时发出警报。该警报系统只是采用欺诈证明的DAS机制的一个方面（如Celestia）。在Danksharding这样的有效性证明DAS机制下，不需要警报系统，因为有效性证明保证了抹除码和承诺的正确性。这些机制降低了隐藏区块数据的可能性，并确保众多节点随机检查区块。

数据抽样是使Celestia和Danksharding如此安全的原因。至少用户可以很快发现问题，而在DAC这样的黑匣里，问题可能会被隐瞒。

主权rollup：以 Fuel 为例

主权rollup与以太坊上传统rollup的功能不同，不依赖L1的智能合约来验证和追加区块到链上。相反，区块被作为原始数据直接发布到链上，而rollup上的节点负责验证本地分叉选择规则，以找到正确的链。这样结算的责任从L1转移到了rollup上。

与传统的rollup不同，主权rollup和Celestia之间没有建立信任最小化的桥梁。这可以被看作是一个负面因素，因为用户会希望桥梁尽可能的信任最小化，但这确实使主权rollup在通过分叉独立升级的路径上具备优势。这使协调更容易实现，比非主权rollup提供的升级更加安全。从技术上讲，这不算是rollup，因为rollup通常意味着有统一的结算和数据可用性层。正因为如此，主权rollup也被简单地称为主权区块链。

为了让开发者在Celestia上更方便地创建主权rollup，Celestia已创建Rollmint取代Tendermint作为共识机制。这使rollup可以直接向Celestia发布区块，而不通过Tendermint程序。通过这种设计，链背后的社区拥有完全的主权，不受任何其他的权威约束。这与以太坊上的智能合约或rollup背后的社区不同，它们受以太坊社区的社会共识约束。

结算rollup：Fuel、Cevmos、 dYmension

结算rollup具有独立和模块化的结算组件。目前，rollup利用以太坊主链进行结算，但除此之外还有其他解决方案。以太坊链与其他非rollup应用共享，用于智能合约交易，导致其容量缩小，缺乏专业性。

理想的rollup结算层应只允许rollup智能合约和rollup之间的简单转账，同时禁止非rollup应用进行交易结算或使其费用昂贵。

Celestia的设计为开发者提供了一个标准的全局状态共识层，以构建执行层rollup，作为单一信任最小化集群的一部分。它还实现了同一全局状态共识层上rollup之间的信任最小化桥接，这是当前架构中不存在的新概念。开发者是否会采用这种新的跨rollup模式，还有待观察。

结算链的例子包括Cevmos、Fuel和dYmension，同时Polygon正在发展模块化架构与Celestia竞争。在Polygon的模块化设计中，Polygon Avail作为数据可用性和共识的模块化组件，而Polygon区块链则是结算层。

单体区块链

许多关于模块化区块链的文章通常宣称，与较新的模块化解决方案相比，单体L1是一种过时技术。但这一观点很难完全成立，因为以上这些扩展解决方案的一个主要问题是它们给整个系统增加了进一步的信任问题。虽然我们已经讨论了大多数DAC和validium可能并不安全，但这种问题甚至也会延伸到执行层（即rollup）。

今天一些最广泛使用的rollup仍未实现真正的去中心化，尽管它们确保了数十亿美元的安全。此外，模块化组件之间的桥梁，主要是主权rollup，也会面临跨链桥梁所面临的不安全性。最后，在模块化堆栈的基础上进行开发会增加复杂性；对于一些开发者来说，这可能是一种挑战。我们希望最终rollup能解决这些问题，实现充分的去中心化。然而，单体L1也在尝试不采用链下方案进行创新，在这期间也有可能变得同样去中心化。

总结

像Kindelia和Fuel这样的执行层将尤其实现更多用户增长，因为它们关注速度和新功能的实现，这将使建立在它们之上的应用程序能够实现创新。

不过这些模块化设计中仍有许多仍未经过测试，一些模块化的区块链设计可能永远不会获得广泛的采用。随着Celestia和Danksharding的广泛采用，Validium可能会被完全淘汰。Celestia的主权rollup可能会面临一些与现有L1相同的桥接问题，由于安全和复杂性问题而阻碍采用。

去中心化、模块化的区块链在未来仍然会经历漫长的发展。在此期间，单体区块链将继续发挥作用并不断创新。当我们最终达到模块化区块链被广泛采用时，单体区块链的发展情形可能也会完全不同。总之，我们需要扩容方案为现有的区块链提供流动性和用户服务，从长远来看，模块化区块链架构可能是最好的方式。