一文了解模塊化公鏈：模塊化執行層能的通用之路

2023-04-06 12:04:20

乘着Layer2的東風，模塊化公鏈敘事熱度興起，其中尤以模塊化公鏈執行層項目最為值得關注。本期Bing Ventures行業研究報告將簡要介紹什么是模塊化公鏈以及當前模塊化公鏈執行層領域的基本格局。

主旨概要：

模塊化公鏈執行層類項目之間存在一定程度的競爭和合作，因為它們都面臨着共同的挑战和機遇，我們的評價維度應該始終圍繞安全性、可擴展性、互操作性、成本效益這四個指標。

Fuel的安全性是由主網以太坊提供的，這意味着Fuel不需要自己的驗證器或共識機制，也不會受到攻擊或分叉的風險。但是，這也意味着Fuel需要依賴以太坊的安全性和穩定性，如果以太坊出現故障或升級，可能會影響Fuel的運行。

Fuel的可擴展性是由其高效的交易格式和低延遲的確認時間實現的，這使得Fuel可以在每秒處理數千筆交易，並在幾秒內完成交易確認。但是，這也意味着Fuel需要與其他rollup鏈競爭資源和用戶，如果其他rollup鏈提供了更高的吞吐量或更低的延遲，可能會影響Fuel的吸引力。

Fuel的互操作性是由其跨鏈轉移功能和多代幣支持功能實現的，這使得Fuel可以與以太坊、Arbitrum、Optimism、Polygon等Layer 1和Layer 2網絡兼容和互通。但是，這也意味着Fuel需要與其他跨鏈解決方案競爭效率和安全性，如果其他跨鏈解決方案提供了更快、更便宜或更安全的轉移服務，也會影響Fuel的競爭力。

乘着Layer2的東風，模塊化公鏈敘事熱度興起，其中尤以模塊化公鏈執行層項目最為值得關注。本期Bing Ventures行業研究報告將簡要介紹什么是模塊化公鏈以及當前模塊化公鏈執行層領域的基本格局。

隨着 Layer 2 和 Rollups 的發展，以太坊的生態系統轉向了模塊化架構。區塊鏈技術大規模應用的最大障礙之一是可擴展性。Layer1 擴展解決方案專注於區塊生產而不是區塊驗證。模塊化區塊鏈基礎設施旨在促進具有可擴展性、安全性和去中心化特性的 Web3採用，並專注於易於集成、快速交付和用戶體驗。

模塊化公鏈正逐漸成為大家討論最多的話題，而所謂模塊化，就是把區塊鏈的共識層、數據可用性層（DA）、結算層、交易執行層等分工給不同的鏈，而不是一條鏈處理所有模塊。執行層可以作為自己的區塊鏈存在，也可以利用底層區塊鏈來保證有效性和數據可用性。

通常來看，上述三層其實早已存在，但是它們被耦合在以太坊網絡中，沒有明確的界限和分工。模塊化公鏈的目的就是要解耦這些層，首先在Layer2應用的技術環境下，將隱私安全、節點驗證、交易確認、數據存儲、欺詐證明等功能分別處理，從而實現鏈上的擴容。

模塊化敘事的興起

區塊鏈技術的“不可能三角”一直是困擾开發者和用戶的問題，Layer2等解決方案就是為了解決這個核心問題而設計的。具體來說，Layer2的方法是將數據的計算和處理移到以太坊的第二層網絡，而第一層網絡主要負責安全性，也就是共識。值得注意的是，模塊化公鏈主要是針對以太坊升級提出的解決方案，其敘事邏輯圍繞以太坊展开。但是，目前也有其他鏈上的項目參考此進行性能改進。

模塊化公鏈旨在將系統劃分為多個模塊組件，使其具有區塊鏈的特性，甚至可以擁有DEX、穩定幣、NFT和衍生品等子功能。开發人員可以將這些新模塊提取出來，任意排序組合，以實現更高級的功能。直到去年下半年，模塊化公鏈才再次被提及，因為以太坊的Layer2方案在那時开始興起，而Layer2正是實現公鏈模塊化的重要基礎和先決條件。

Source: celestia

模塊化執行層的競爭格局

以太坊生態系統通過 Layer 2 和 Rollup 等技術實現了執行層與底層區塊鏈的分離，從而提高了可擴展性、安全性和互操作性。目前模塊化公鏈執行層有一些專注於提供數據可用性層的項目，例如 Celestia、LazyLedger 和 DataShards；有一些專注於提供執行層的項目，例如 Optimism、Arbitrum 和 zkSync3；還有一些專注於提供跨鏈橋接和協議聚合的項目，例如 Polygon、Connext 和 Hop Protocol。

它們都在積極地开發和部署自己的解決方案，並與各種去中心化應用合作，以提升用戶體驗和網絡效率。模塊化公鏈執行層類項目之間存在一定程度的競爭和合作，因為它們都面臨着共同的挑战和機遇，我們的評價維度應該始終圍繞安全性、可擴展性、互操作性、成本效益這四個指標。筆者總結了以下幾類典型項目：

基於 Optimistic Rollup 的項目，例如 Optimism 和 Arbitrum。這些項目利用欺詐證明機制來保證執行層的有效性，同時提供高速的並行交易執行和低延遲的確認時間。

基於 ZK Rollup 的項目，例如 zkSync、StarkNet、Hermez、Scroll、Taiko 和 Aztec。這些項目利用零知識證明技術來保證執行層的有效性，同時提供高度的壓縮率和隱私保護。

基於 Plasma 的項目，例如 Polygon Plasma、OMG Network 和 Matic Network。這些項目利用側鏈和退出機制來擴展執行層的吞吐量，同時提供與以太坊的兼容性和互操作性。

基於跨鏈橋接的項目，例如 Connext 和 Hop Protocol。這些項目利用多重籤名或中繼節點來轉移資產和數據到不同的執行層或底層區塊鏈，同時提供靈活的協議聚合和路由選擇。

Source: Volt

公鏈大提速

模塊化區塊鏈架構可以將區塊鏈的功能分解為不同的層級，例如執行層、安全層和數據可用性層，這可以提高區塊鏈的效率、靈活性和互操作性。並行交易類產品可以利用並行處理的方式執行交易，並通過不同的驗證機制來保證金交易的有效性，這可以提高區塊鏈的處理能力、吞吐量和確認速度。它們可以支持更多代幣和智能合約，並讓用戶在不同的區塊鏈之間轉移資產，這可以拓展區塊鏈的應用場景，例如DeFi、NFT和Web3。

Arbitrum就是一個基於Optimistic Rollup技術的經典執行層方案，它可以在以太坊上實現高效、低成本和兼容性強的智能合約。 Arbitrum可以利用任意數據（Arbitrary Data）技術來提高交易吞吐量和確認速度。同時，StarkNet作為一個基於ZK-Rollup技術的執行層平臺，它可以在以太坊上實現可擴展、安全和隱私保護的去中心化應用。 StarkNet可以利用零知識證明（Zero-Knowledge Proof）技術來保證交易的有效性和數據可用性。這兩種路线目前佔據了執行層技術路线的主流。

但是，並行處理需要嚴格的狀態訪問列表來確保交易不會互相幹擾。同時，模塊化區塊鏈需要依賴其他層級來提供安全性、共識和數據可用性，這可能會增加復雜度和成本。此外，並行處理可能會降低交易的確認速度，因為需要等待所有並行分支都完成才能確認整個區塊。面對這些問題，Fuel作為一個基於UTXO模型的執行層協議，它可以在不同的區塊鏈上運行。

Fuel可以利用並行處理的方式執行交易，並通過優化撤銷（Optimistic Yanking）技術讓用戶在不同的區塊鏈之間轉移資產。Fuel使用了一個名為FuelVM的虛擬機器，它可以快速地驗證交易和區塊，並支持多種代幣和智能合約。Fuel採用了一種名為Optimistic Yanking的技術，它可以讓用戶在不同的區塊鏈之間轉移資產，而不需要等待長時間的確認或支付高額的手續費。

Source: vitalik.ca

Fuel：執行層的並行交易

Fuel是最早部署在以太坊主網上的Optimistic Rollup，在2020年年底在以太坊上线V1版本。它通過使用與EVM不同的執行模型來提供可擴展性，即基於UTXO的高度可並行化的最小執行系統，支持ETH和所有ERC-20代幣。然而因為Fuel V1的用戶過少以及不支持智能合約，在上线後一直沒有受到用戶的歡迎。於是在Fuel V1啓動後不久，Fuel的开發團隊Fuel Labs就將全部开發重心轉移到V2版本，並將其定位為模塊化執行層，即為模塊化區塊鏈堆棧設計的可驗證計算系統。

Fuel最大的特色是其採用全新的VM架構 — — FuelVM，該VM具備其工具鏈和語言。FuelVM從WASM、EVM和Solana的SeaLevel中汲取特點，最引人注目的潛力是它在UTXO-based數據模型上執行。相比今天的Optimistic Rollups，Fuel的最大區別在於其使用UTXO-based數據模型，而且其第一個版本是以P2P支付為應用場景。Fuel V2有望實現類似以太坊的智能合約，該VM面向應用程序特定的支付Rollup設計，是一個定制VM，為其提供了更多的推理便利，但對於類似以太坊的通用Rollup，則不太明顯。

FuelV2的技術堆棧有三個核心支柱，分別為：

FuelVM

FuelVM旨在減少傳統區塊鏈虛擬機架構的浪費處理情況，同時增加开發人員的潛在設計空間。Fuel採用UTXO數據模型，與比特幣類似，整個狀態以UTXO集的形式表示。不同之處在於，Fuel V2中的一些UTXO是代幣UTXO，而另一些是合約UTXO。與代幣UTXO不同，合約UTXO除了余額和支出條件外，還具有代碼、存儲和唯一的合約ID。

UTXO的一個顯著特點是它們是原子的，即交易完全消耗它們並創建新的UTXO。對於合約UTXO，Fuel定義了一些新的有效性規則。其中重要的規則包括：合約UTXO被鎖定在特殊的任何人都可以消費的支出條件後面；當交易消費合約UTXO時，它會創建一個新的合約UTXO，具有相同的支出條件和合約ID，但可能具有新的存儲和余額；在同一交易中使用的合約UTXO可以相互交互。

Fuel的優點是採用UTXO模型使得Fuel區塊鏈可以更快速、高效地進行交易。而它的劣勢則在於UTXO模型的實現需要一定的技術難度，且相對於账戶模型的實現需要更多的代碼量。此外，由於UTXO模型不太適用於智能合約，因此使用合約UTXO時需要遵循新的有效性規則，需要一定的技術知識和經驗。但是，Fuel仍然在不斷發展和完善，未來有望實現更多的功能和應用場景。

並行交易執行

Fuel 使用UTXO模型形式的嚴格狀態訪問列表，因此具有並行執行交易的能力，在計算、狀態訪問和事務吞吐量方面較具優勢）。Fuel是一種基於UTXO模型的區塊鏈，其最大的優勢在於其可並行執行交易，這是其它許多區塊鏈所沒有的。該技術的核心是通過訪問列表(access lists)確定交易將修改的狀態部分，從而實現並行執行。

這意味着如果交易花費的UTXOs沒有重疊，它們可以被分別執行，從而充分利用多核CPU的性能。這項技術不僅適用於區塊內交易，還可以跨區塊執行，使得（重新）進入節點的同步速度更快。相比之下，基於账戶模型的區塊鏈也可以實現並行執行，但需要更多考慮因素，如訪問列表的嚴格規定。同時，單核性能已經無法滿足需求，而多核CPU的使用不斷普及，多核處理對於提高執行效率也有着乘法效應。因此，Fuel的並行執行技術將在未來變得越來越重要。

开發者體驗

Fuel 使用自己的特定領域語言 Sway和支持工具鏈 Forc提供較為強大和流暢的开發人員體驗。开發環境保留了 Solidity 等智能合約語言的優勢，同時採用了 Rust 工具生態系統中引入的範式，並包含利用區塊鏈 VM 的語法。為了解決狀態增長的問題，FuelVM採用了兩種程序 — — 腳本和謂詞，以增強圖靈完備的智能合約。

與EVM不同的是，FuelVM的用戶不直接調用合約，而是運行腳本來調用多個合約。腳本的美妙之處在於它們是可剪枝的，一旦腳本被執行，就會被完全剪枝，不會對狀態造成任何影響。謂詞類似於腳本，但在執行期間不會讀取合約存儲，完全是無狀態的。腳本和謂詞的主要目的是將FuelVM變成半無狀態執行。在FuelVM中，應用程序可以根據應用程序的功能和資源價格，更傾向於狀態或執行。此外，Fuel還支持多種復雜應用，如多個本地資產支持、單筆交易中的授權和轉移、混幣器和隱私應用等，具有很大的靈活性。

Source: Fuel

模塊化執行層的通用之路

現今的Rollups的主要價值在於擴展以太坊，並在可能的情況下擴展其功能。Rollups通過以下兩種方式擴展以太坊：1.將狀態（和執行）轉移到鏈下，即從L1到L2移動它；2.並行計算，即多個Rollups可以同時在以太坊上運行。Rollups通過將部分狀態轉移到鏈下來減輕以太坊狀態增長的問題，但這並不會奇跡般地消除維護狀態的需求。盡管以太坊節點不需要維護它，但Rollup節點必須維護它。

目前，Rollup領域沒有太多關注狀態優化。相反，大多數關注點集中在減少L1數據上，因為當前數據是Rollup的最昂貴成本項目。大約有2/3的Arbitrum費用以L1 calldata的形式存在。EVM Rollup優化了發布到L1的數據，試圖盡可能壓縮它以為用戶提供更便宜的費用。

但我們沒有考慮到的是，成本將在模塊化時代發生巨大變化。隨着基礎層开始大量提供數據（歸功於數據可用性採樣技術），Rollups很快將享受到數量級更便宜的數據。同時，由於對狀態增長的關注較少，狀態大小將迅速成為模塊化世界中的主要瓶頸。任何區塊鏈，無論是Rollup還是L1，對於增加狀態的操作都會對網絡產生永久性成本。這些操作不僅消耗當前節點的資源，也消耗未來所有節點的資源。

Source: Bing Ventures

目前，Fuel成功構建了一些示範用例，如AMM、多重籤名、預言機和DAO投票等。未來，Fuel團隊還計劃構建其他產品的示範用例，例如借貸、NFT市場等。雖然基於UTXO的執行方式可能會有些反直覺，但我認為Fuel獨特的能力將會催生出新的應用程序，推動當前DeFi空間的能力極限。總之，我對Fuel在模塊化堆棧中所帶來的潛力感到興奮。數據可用性層可以擴展數據，但為了完整的去中心化用戶體驗，我們還需要擴展執行。Fuel有望填補這一空白。

從我們的評價尺度來看，Fuel的安全性是由主網以太坊提供的，這意味着Fuel不需要自己的驗證器或共識機制，也不會受到攻擊或分叉的風險。但是，這也意味着Fuel需要依賴以太坊的安全性和穩定性，如果以太坊出現故障或升級，可能會影響Fuel的運行。Fuel的可擴展性是由其高效的交易格式和低延遲的確認時間實現的，這使得Fuel可以在每秒處理數千筆交易，並在幾秒內完成交易確認。但是，這也意味着Fuel需要與其他rollup鏈競爭資源和用戶，如果其他rollup鏈提供了更高的吞吐量或更低的延遲，可能會影響Fuel的吸引力。

未來，Fuel可以支持各種類型的交易和計算，包括轉账、支付、智能合約、預言機等。這使得Fuel可以適應不同的用例和需求，並提供高效和靈活的服務。同時，加快與各種模塊化區塊鏈網絡進行集成和互操作，包括以太坊2.0、Celestia等。這將使得Fuel可以利用這些網絡的數據可用性和共識安全性，並提供跨鏈轉移和互通功能。Fuel可以通過增加創新和優化其技術方案來進一步提高其執行效率和性能，包括Merkle Patricia Trie、Zero-Knowledge Proofs等。這些舉措有望在未來擴大它作為模塊化執行層的通用性。