模块化区块链：可插拔式解决区块链性能瓶颈

区块链技术自诞生以来一直面临着可扩展性的挑战。单体区块链以其全面性著称，独立承担网络的各个层面，从数据存储到交易验证等等。然而，这种设计也带来了性能瓶颈。模块化区块链通过将区块链的不同功能分离成独立模块，在特定功能上提供了更好的性能支持和用户体验，一定程度上解决了"不可能三角"问题。

以太坊作为第一个支持智能合约的区块链平台，为模块化设计提供了肥沃的土壤。随着技术发展，比特币生态也开始探索模块化的可能性，通过添加新模块来实现更高级功能，例如改进的隐私保护、更高效的交易处理或增强的智能合约功能。

模块化技术代表了一种更加"灵活"的可插拔产品思路。未来可能会出现更加灵活和可定制的区块链解决方案，各种服务和功能可以像乐高积木一样轻松地插入和拔出。这种灵活性使开发者能够根据特定应用场景的需求，快速构建和部署区块链解决方案。

单体区块链与模块化区块链

当我们探讨模块化区块链时，必须先了解单体区块链这一概念。单体链,如比特币、以太坊等,以其全面性而著称,独立承担着网络的各个层面,从数据存储到交易验证,再到智能合约执行。在这一过程中,单体链扮演着一个多面手的角色,对所有环节都有所涉猎。

以以太坊为例,一条成熟的单体区块链一般可以大致分为四个架构:

• 执行层 (Execution Layer)
• 结算层(Settlement Layer)
• 数据可用性层/ DA 层 (Data Availability Layer)
• 共识层 (Consensus Layer)

模块化区块链则是一种新型架构,将区块链系统分解为多个专门的组件或层次,每个组件负责处理特定任务,如共识、数据可用性、执行和结算。

模块化区块链像一群专家,专注于各自领域的深度挖掘和技术创新。这种专注使得模块化区块链在特定功能上能够提供卓越的性能和用户体验,例如,它们能够以更低成本提供更快的交易处理速度。

在节点架构方面,单体链依赖于全节点,这些节点必须下载和处理整个区块链的数据副本。这不仅对存储和计算资源提出了较高要求,也限制了网络的扩展速度。相比之下,模块化区块链采用轻节点设计,仅需处理区块头信息,从而显著提高了交易速度和网络效率。

模块化区块链的一个显著优势在于其灵活性和协作性。它们能够将非核心功能外包给其他专家,形成一种协同效应,实现整体性能的显著提升。这种设计哲学类似于乐高积木,允许开发者根据项目需求自由组合不同模块,创造出多样化的解决方案。

尽管单体链在全局控制、安全性和稳定性方面具有优势,它们也面临着可扩展性、升级难度和适应新需求的挑战。模块化区块链则以其高度灵活性和可定制性脱颖而出,简化了新区块链的创建和优化过程。

然而,模块化区块链也面临着其特有的挑战。其复杂的架构增加了开发者在设计、开发和维护方面的工作量。作为一种新兴技术,模块化区块链尚未经历全面的安全测试和市场波动的考验,其长期稳定性和安全性仍需进一步验证。

模块化区块链解决"不可能三角"

区块链的"不可能三角"指的是一个区块链网络难以在同一时间在安全性、去中心化性和可扩展性这三个核心属性上都达到最优状态。

• 可扩展性关注的是网络处理大量交易的能力,及其在用户和交易量增长时保持高效、低成本运行的能力。通常通过 TPS（每秒交易量）和延迟（交易确认所需时间）来衡量。

• 安全性涉及的是保护区块链网络不受攻击的成本和难度。例如,比特币的 POW 机制要求攻击者掌握超过全网 51% 的算力,而以太坊的 POS 机制则需要超过 ⅓ 的节点合谋。

• 去中心化性描述的是网络的运作不依赖单一中心节点,而是分布在众多节点上,节点越多、地理分布越广,网络的去中心化程度越高。

"不可能三角"的核心观点在于,一个区块链系统很难在这三个特性上都实现最优化。例如:在众多公链中,比特币和以太坊因其广泛的节点分布和充足的节点数量,在去中心化和安全性方面表现突出。

然而,它们牺牲了一定的可拓展性,导致交易速度较慢和交易费用较高:比特币的出块时间约为 10 分钟,以太坊的 TPS 大约为 13 ,在交易量激增时,以太坊的交易费用可能高达数百美元。

正是在这样的背景下,模块化区块链技术应运而生,它通过将不同的功能分配给专门的模块,解决了传统公链在可扩展性和交易成本方面的挑战。例如,比特币的闪电网络和以太坊的 Rollup 技术,都是模块化思想的体现。

模块化区块链的优势在于其分层架构,允许每一层针对特定需求进行优化。数据层可以专注于数据存储和验证,而执行层可以处理智能合约逻辑。这种分离不仅提升了性能和效率,还促进了不同区块链间的互操作性,为构建开放和互联的生态系统提供了基础。

综上所述,模块化区块链技术提供了一种解决传统公链局限的新途径。它在维持去中心化和安全性的基础上,实现了更高的可扩展性和更低的交易成本,对区块链技术的广泛应用和长期发展具有深远的意义。

模块化区块链的类型

模块化区块链根据其架构特点,可以划分为不同的类型。在这些类型中,数据可用性层和共识层因其紧密的相互依赖性,常常被设计为一个统一的整体。这是因为,当节点接收到交易数据时,通常也同时确定了交易的顺序,这是区块链安全性和不可篡改性的核心。

基于这种设计原则,我们可以从执行层、数据可用性层和共识层、结算层三个方面来分别了解模块化区块链的不同项目。

执行层:Layer 2 技术

Layer 2 技术,作为区块链架构中执行层的延伸,是模块化区块链概念的一种体现。它通过构建在底层区块链之上的链下网络、系统或技术,致力于提升主链的可扩展性。

Layer 2 解决方案允许更快速、成本效益更高的交易处理,同时保持与底层区块链的安全性和去中心化特性。根据数据看板,可以看到在以太坊生态上 Layer 2 验证和清算所消耗的 gas 占比平均低于 10% ,大大节省了用户的交易成本。

Rollup 技术是目前 Layer 2 最主流的解决方案,其核心理念是"链下执行,链上验证",在链下执行计算等工作,然后将 calldata 数据上传回主网。

链下执行

在 Rollup 模型中,交易在链下执行,而底层区块链仅负责验证智能合约中的交易证明,并存储原始交易数据。这种设计显著减轻了主链的计算负担,减少了存储需求,从而允许更高效的交易处理。

为了进一步降低成本,Rollup 采用了交易打包技术。可以将其比作物流中的货物集装,单独发送每件货物会产生高昂的运费。而 Rollup 技术通过将多笔交易打包在一起,仅需一次"运输",从而大幅降低了每笔交易的成本。

链上验证

链上验证是 Layer 2 网络安全性的关键。Layer 2 网络必须提供加密证明,以解决底层区块链上的潜在分歧。目前,两种主流的证明机制是错误性证明和有效性证明,它们分别支撑着 Optimistic Rollups 和 ZK Rollups。

Optimistic Rollups 的错误性证明

Optimistic Rollups 采用了一种乐观的假设,即所有交易默认为有效,除非有明确的证据表明存在错误。这种模型依赖于挑战期内的错误性证明（欺诈证明）,任何网络参与者都可以提交证明以挑战智能合约的状态,确保了网络的公正性和透明度。

目前采用 Optimistic Rollups 机制的 Layer 2 一共有 16 条,如:Arbitrum, OP, Base, Blast 等等。

ZK Rollups 的有效性证明

与 Optimistic Rollups 不同,ZK Rollups 采用了一种更为谨慎的方法,它要求所有交易在被接受之前必须经过有效性证明。这种证明机制类似于一种验证流程,确保了 Layer 2 网络中的每笔交易和计算都是准确无误的。

简而言之,有效性证明是 ZK-Rollups 的基石,它要求每批交易都附带相应的证明,从而确保了底层区块链上的智能合约能够验证并批准状态变更。对于验证节点而言,ZK Rollups 提供了一种零错误的结算机制,因为每笔交易都必须通过严格的有效性验证。

目前采用 ZK Rollups 机制的 Layer 2 一共有11条,如:Linea, Starknet, zkSync 等等。

数据可用性层和共识层

Celestia

Celestia 作为模块化区块链领域先驱,其本质是一个数据可用性层,为 dApps 和 Rollup 的开发提供了坚实的基础。通过在 Celestia 的数据可用性层和共识层上部署,应用程序开发者可以专注于执行逻辑的优化,而将数据的可用性和共识机制的复杂性交给 Celestia 来处理。

Celestia 的架构设计为模块化扩展提供了多样化的解决方案,其体系结构主要包含以下三种类型:

• 主权 Rollup:Celestia 提供数据可用性层和共识层,而结算层和执行层则由各自的主权链独立实现。
• 结算 Rollup（例如 Cevmos 项目）:在 Celestia 提供的 DA 和共识层基础上,Cevmos 提供结算层服务,而应用链则承担执行层的角色。
• Celestium:数据可用性层由 Celestia 负责,共识层和结算层则依托于以太坊的强大网络,应用链继续专注于执行层。