以太坊區塊鏈正在向模塊化演變

2023-11-13 11:11:03

模塊化區塊鏈的概念

模塊化區塊鏈是專注於處理少數職責並將其余部分外包給一個或多個獨立層的區塊鏈。模塊化區塊鏈可以用於處理以下單個任務或組合任務：

執行：支持交易的執行並實現與智能合約的部署和交互。

數據可用性：保證交易數據的可用性。

共識：准許交易的內容和順序。

結算：用於完成交易、解決爭議、驗證證明以及在不同執行層之間進行橋接。

模塊化鏈通常執行兩個或多個相互依存的功能。例如，數據可用性層必須就數據排序達成共識，否則不可能知道哪些數據代表了歷史記錄的正確版本。

模塊化區塊鏈設計的優點

可擴展性： 在區塊鏈中使用模塊化可以增加規模，而不會引入有害的信任假設。

便於啓動新區塊鏈： 通過利用模塊化設計，新的區塊鏈可以更快地被啓動，同時也不必擔心架構的每個方面都要保持正確。

靈活性： 專門構建的模塊化鏈為權衡和設計實現提供了更多的選擇。例如，模塊化區塊鏈系統可能包括關注安全性和數據可用性的模塊化鏈，而其他的則關注執行。

模塊化區塊鏈設計的缺點

安全性： 與單片鏈不同，模塊化區塊鏈不能保證其自身的安全質量。如果用於處理共識和數據可用性的安全層無效，則模塊化區塊鏈將面臨失敗風險。

復雜性： 實施模塊化區塊鏈設計引入了新的復雜性。例如，以太坊的數據分片計劃依賴於數據可用性採樣，以確保某一條分片上的節點不隱瞞數據。同樣的，執行層必須創建某些復雜的機制，例如欺詐證明和有效性證明，以使安全層可以保證鏈下狀態過渡的有效性。

Token 價值： 由於應用程序有限，一些模塊化區塊鏈的原生 token 可能無法吸收價值。例如，與執行層相比，僅專注於共識和數據可用性層的實用程序 token 用途很少，因此要吸引參與者進入此類網絡也可能更加困難。

以太坊的模塊化形式：分片和 rollup

像比特幣等第一代區塊鏈一樣，以太坊最初也被設計為單片區塊鏈。但是，為了增強網絡性能、提高可擴展性和可持續性，以太坊網絡目前正在向模塊化框架過渡。

分片是將系統（例如數據庫）分成多個部分來運行的過程。通過跨多個組件的功能分配，系統可實現更多的輸出和效率。在區塊鏈網絡中，分片將區塊鏈分成多條子鏈，由子鏈來處理不同部分的網絡活動。

在以太坊的分片設計中， 64 條分片鏈將平行運行。分片可以平行處理交易（執行分片），也可以用於存儲不同部分的區塊鏈數據（數據分片）。使用數據分片，以太坊節點將只存儲在其分片鏈上發布的數據 — — 這與當前結構相反，當前結構需要所有節點存儲相同的數據。

以太坊的信標鏈和分片鏈之間的關系

分片是一種模塊化形式，由不同的組件（分片鏈）處理不同的職責。在數據分片中，分片鏈存儲以太坊數據的不同部分，而執行分片使每條分片鏈都可以處理自身的一組交易，從而增加了數據吞吐量並減少了處理時間。

一些开發人員採用了以 rollup 為中心的方法來擴展以太坊。與純鏈下擴展解決方案（例如側鏈）不同，rollup 與主鏈緊密結合。在保留結算、共識和數據可用性的前提下，以太坊區塊鏈將計算外包給 rollup。由於以太坊充當L2 rollup 的基礎層，rollup 可以在不損害去中心化或安全性的同時通過更快的區塊時間和更大的區塊去積極地優化執行。

以太坊（L1基礎層）和 rollup（L2）在模塊化區塊鏈體系結構中的功能

以太坊的模塊化技術堆棧發展進程

以太坊的模塊化技術堆棧發展進程如下：

1. 單片區塊鏈：代表着以太坊L1或主鏈，本身是一個單片區塊鏈。

2. Rollup：充當執行層的L2解決方案，例如 Arbitrum 和 Optimism ，將執行層從以太坊L1移出，發布 state roots 和 rollup 數據並傳回給以太坊L1。

3. 模塊化 rollup：具有模塊化數據可用性的 rollup。

以太坊的模塊化L2技術堆棧可以在保留高水平的安全性和去中心化的同時提供可擴展性。這種強大的組合為以太坊為更高效、更可持續的區塊鏈生態系統奠定基礎。

單片區塊鏈

單片區塊鏈是以太坊的原始運行形式，無需使用 rollup 或數據分片即可處理所有內容。這種單片架構安全性最高，但需要付出高成本和可擴展性有限的代價。因此，以太坊主網的交易速度相對較慢，平均 TPS 只能達到 15 – 20 。目前，以太坊正逐漸轉變為模塊化區塊鏈，主要通過採用以 rollup 為中心的計算和數據分片策略來完成這一過程。

Rollup

Rollup 是模塊化區塊鏈中最早的技術突破，它提供了一個用於執行的單獨層，擴展了以太坊的單片體系結構。Rollup 可以將區塊鏈的執行層安全地抽象到排序器，即在定期將壓縮數據傳回以太坊主網進行驗證之前使用強大的計算機來打包和執行多個交易。Rollup 通過將此計算過程轉移到以太坊鏈下，可以使 TPS 提高 20 – 50 倍。

在當前的情況下，rollup 扮演着執行層的角色，處理交易，同時外包結算、共識和數據可用性。例如，利用 Optimistic 虛擬機的 optimistic rollup 以及運行 zk EVM 的 ZK rollup。這些 rollup 執行智能合約和處理交易，但仍然依靠以太坊來進行以下操作：

結算：所有 rollup 交易均在以太坊上完成。Optimistic rollup 的用戶需等到挑战期通過，或者在防欺詐計算後認定交易被視為有效之後。zk rollup 用戶需等到驗證有效性得到證明之後。

共識和數據可用性：rollup 以 CallData 的形式將交易數據發布到以太坊主網，使任何人都可以執行 rollup 交易並在需要時重建其狀態。在最終確定性（finality）之前，Optimistic rollup 需要大量的區塊空間和 7 – 14 天的挑战期。Zk rollup 將可用於驗證的數據保存 30 天，提供即時最終確定性，但需要大量的處理能力來創建證明。

由於有以太坊作為 rollup 的基礎層，rollup 可以在不損害去中心化或安全性的同時允許更快的區塊時間和更大的區塊。Rollup 可以說是以太坊新時代的开始。近期 Arbitrum 和 Optimism 的總交易已經超過以太坊的交易數，這反映了以太坊的模塊化趨勢。

模塊化 rollup

較新的模塊化 rollup 將數據可用性層移出以太坊。例如 Mantle ，它仍然依靠以太坊的結算和共識，但是利用 Mantle DA 作為數據可用性層。Mantle DA 進行數據排序並提供數據證明，但無需執行交易；執行交易被有效地外包給 Mantle 的執行層。

此前，以太坊是 rollup 的唯一數據可用性解決方案，導致其在成本方面面臨挑战。數據可用性是大多數 rollup 的最大成本來源，特別是儲存以太坊上的交易數據，可佔到多達 70 ％的費用。而且，這一成本是變化的，並且成本與使用率成比例地增加，隨着越來越多用戶加入，逐漸構成了重大障礙。到目前為止，只有具備大量資源的大型 rollup 才能容納規模較大的用戶群。

值得慶幸的是，以太坊正在發生變化，並且以數據可用性層的形式出現了新的模塊化解決方案，以減少交易數據提交成本。數據可用性層的主要範例包括 EigenDA， Celestia 以及 Avail ，它們都致力於解決數據可用性問題，對 rollup 的局限性提供了潛在的解決方案。