模塊化區塊鏈：可插拔式解決區塊鏈性能瓶頸

區塊鏈技術自誕生以來一直面臨着可擴展性的挑戰。單體區塊鏈以其全面性著稱，獨立承擔網路的各個層面，從數據存儲到交易驗證等等。然而，這種設計也帶來了性能瓶頸。模塊化區塊鏈通過將區塊鏈的不同功能分離成獨立模塊，在特定功能上提供了更好的性能支持和用戶體驗，一定程度上解決了"不可能三角"問題。

以太坊作爲第一個支持智能合約的區塊鏈平台，爲模塊化設計提供了肥沃的土壤。隨着技術發展，比特幣生態也開始探索模塊化的可能性，通過添加新模塊來實現更高級功能，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"靈活"的可插拔產品思路。未來可能會出現更加靈活和可定制的區塊鏈解決方案，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。

單體區塊鏈與模塊化區塊鏈

當我們探討模塊化區塊鏈時，必須先了解單體區塊鏈這一概念。單體鏈,如比特幣、以太坊等,以其全面性而著稱,獨立承擔着網路的各個層面,從數據存儲到交易驗證,再到智能合約執行。在這一過程中,單體鏈扮演着一個多面手的角色,對所有環節都有所涉獵。

以以太坊爲例,一條成熟的單體區塊鏈一般可以大致分爲四個架構:

• 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)

模塊化區塊鏈則是一種新型架構,將區塊鏈系統分解爲多個專門的組件或層次,每個組件負責處理特定任務,如共識、數據可用性、執行和結算。

模塊化區塊鏈像一羣專家,專注於各自領域的深度挖掘和技術創新。這種專注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模塊,創造出多樣化的解決方案。

盡管單體鏈在全局控制、安全性和穩定性方面具有優勢,它們也面臨着可擴展性、升級難度和適應新需求的挑戰。模塊化區塊鏈則以其高度靈活性和可定制性脫穎而出,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着其特有的挑戰。其復雜的架構增加了開發者在設計、開發和維護方面的工作量。作爲一種新興技術,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。

模塊化區塊鏈解決"不可能三角"

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,而是分布在衆多節點上,節點越多、地理分布越廣,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:在衆多公鏈中,比特幣和以太坊因其廣泛的節點分布和充足的節點數量,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爲 10 分鍾,以太坊的 TPS 大約爲 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,比特幣的閃電網絡和以太坊的 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。數據層可以專注於數據存儲和驗證,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,爲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。

模塊化區塊鏈的類型

模塊化區塊鏈根據其架構特點,可以劃分爲不同的類型。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,常常被設計爲一個統一的整體。這是因爲,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。

執行層:Layer 技術

Layer 技術,作爲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 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。根據數據看板,可以看到在以太坊生態上 Layer 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。

Rollup 技術是目前 Layer 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。

爲了進一步降低成本,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 網路安全性的關鍵。Layer 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,它們分別支撐着 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,即所有交易默認爲有效,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。

目前採用 Optimistic Rollups 機制的 Layer 一共有 16 條,如:Arbitrum, OP, Base, Blast 等等。

ZK Rollups 的有效性證明

與 Optimistic Rollups 不同,ZK Rollups 採用了一種更爲謹慎的方法,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 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準狀態變更。對於驗證節點而言,ZK Rollups 提供了一種零錯誤的結算機制,因爲每筆交易都必須通過嚴格的有效性驗證。

目前採用 ZK Rollups 機制的 Layer 一共有11條,如:Linea, Starknet, zkSync 等等。

數據可用性層和共識層

Celestia

Celestia 作爲模塊化區塊鏈領域先驅,其本質是一個數據可用性層,爲 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注於執行邏輯的優化,而將數據的可用性和共識機制的復雜性交給 Celestia 來處理。

Celestia 的架構設計爲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托於以太坊的強大網路,應用鏈繼續專注於執行層。