深入解读模块化：可插拔式解决区块链性能瓶颈

linx阅读：2024-12-12 20:14:04

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学生作者| @twilight_momo

指导老师| @CryptoScott_ETH

**时间 | 2024.6.13

单体区块链以**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。而模块化区块链通过将区块链的不同功能分离成独立的模块，可以在特定功能上提供性能支持和流畅的用户体验，在**程度上解决了“不可能三角”问题。以太坊作为**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。随着区块链技术的发展，比特币生态也开始探索模块化的可能性，通过添加新的模块来实现更**的功能，例如改进的隐私保护、更**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“灵魂化”的可插拔产品思路，未来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。这种灵活性使得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。

source：Celestia.org

当我们探讨模块化区块链时，必须先了解单体区块链（Monolithic Blockchain）这一概念。单体链，如比特币、以太坊等，以其**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（generalist）的角色，对所有环节都有所涉猎。

以以太坊为例来说，一条成熟的单体区块链一般可以被大致分为四个架构：

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)

下图通过把在区块链上记账比喻成一场球赛，详细解释了每一层架构的作用：

通过这种类比，我们可以更清晰地理解区块链的各个架构如何协同工作。单体区块链就是将所有的功能集中在同一条链上执行，而模块化区块链（Modular Blockchain）则是一种新型的区块链架构，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的任务，如共识、数据可用性、执行和结算。

模块化区块链像一群专家（specialists），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**的性能和用户体验，例如，它们能够以更低的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的模块，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的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**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。

为何模块化区块链技术受到广泛关注，且被预言为“未来趋势”？这与区块链领域**的“不可能三角”理论密切相关。

Source:chainlink

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**化性和可扩展性这三个核心属性上都达到**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**、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** 51% 的算力，而以太坊的 POS 机制则需要超过 ⅓ 的节点合谋。去**化性描述的是网络的运作不依赖单一**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**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**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**化和安全性方面表现突出。

然而，它们牺牲了**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**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。

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**化特性。根据 @0xning 制作的 dune 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。

source：https://dune.com/0xning/ethereum-gas-war

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**的交易处理。

为了进一步**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**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），**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。

根据 L2BEAT 的数据，目前采用 Optimistic Rollups 机制的 Layer 2 一共有 16 条，如：Arbitrum, OP, Base, Blast 等等。

Source: l2beat.com

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。

根据 L2BEAT 的数据，目前采用 ZK Rollups 机制的 Layer 2 一共有11条，如：Linea, Starknet, zkSync 等等。

Source: l2beat.com

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**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。

Celestia 采用了多项创新性的技术，显著**了数据存储的成本，并优化了存储效率。

纠删码技术

Celestia 的创新之一是纠删码（Erasure Codes）的应用。在 Mustafa Albasan（Celestia 的创始人之一）和 Vitalik Buterin 共同撰写的论文《数据可用性采样和欺诈证明》中，提出了一种新的架构思想，即全节点负责区块的生产，而轻节点则负责区块的验证。纠删码技术通过在数据传输过程中引入冗余，确保即便在高达50%的数据丢失情况下，也能完整恢复原始数据块。

这一机制意味着，为了确保区块数据的 100% 可用性，区块生产者仅需发布区块数据的 50%至网络。若存在恶意生产者试图篡改区块数据的 1% ，他们实际上需要篡改整个 50% 的数据，这就极大增加了作恶者的作恶成本。

数据可用性抽样

Celestia 通过引入数据可用性抽样（Data Availability Sampling, DAS）技术来解决区块链的扩展性问题。DAS 的工作流程包括以下几个关键步骤：

随机抽样：轻节点对区块数据执行多轮随机抽样，每次仅请求区块数据的一小部分。逐步增加置信度：随着轻节点完成更多轮次的抽样，其对数据可用性的信心逐步增强。达到置信阈值：一旦轻节点通过抽样达到预设的置信水平（如99%），它便认为该区块的数据是可用的。

这种机制使得轻节点能够在不下载整个区块数据的前提下，验证区块数据的可用性，确保了区块链数据的完整性和可用性。Celestia 专注于提供数据可用性而非执行状态，这使得区块生产率得以提升，每个区块拥有更多空间，能够容纳更多的抽样数据，从而显著提高了 TPS（每秒交易处理量）。

EigenDA 是一个安全、高吞吐量和去**化的数据可用**，是 EigenLayer 上启动的**个主动验证服务 (AVS)。AVS 可以理解成是节点运维商，是以太坊上成千上万个节点运维商中被挑出的一部分，在本职工作（负责以太坊共识验证）的基础上额外接一些私活（服务有共识验证需求的 rollup 等网络），进而获取额外收益。

随着再质押的以太坊数量的增加，以及未来会有更多 AVS 加入到 EigenLayer 生态，Rollups 可以在 EigenLayer 生态系统中获得更低的交易成本和更高的安全可组合性。

EigenLayer 是一个基于以太坊的再质押协议，它利用以太坊共识层的质押者作为验证者，即利用以太坊的部分安全性，避免了**化服务商或自有**的信任风险，因此**了其他项目方的开发门槛。同时它也增强了以太坊的信任网络，增加了以太坊的价值和影响力。

在架构方面，EigenDA 使用 ZK 技术验证 Layer 2 提交的状态数据，以及由 Restaking ETH 保障共识安全的 EigenDA 网络负责**确定性，** Layer2 的状态数据提交和保存到以太坊主网。因此，EigenDA 相当于以太坊主网的 DA 服务中验证和**确定性环节的分包商，而不是 Celestia 那样的竞争对手。

Avail 是 Polygon 团队于 2023 年 6 月宣布推出的一个模块化区块链项目，今年 3 月份从 Polygon 拆分出来，作为独立实体运营。目前 Avail 目前在测试网运行，前些时间刚刚完成 4300 万美元A轮融资，由 Dragonfly 和 Cyber Fund 共同领投。

Avail 的核心架构主要由Avail DA、Avail Nexus、Avail Fusion三部分构成。Avail DA 是模块化的数据可用性层，和 Celestia 一样为各条区块链提供 DA 服务。Avail Nexus 是一套标准化的跨链消息传递协议，类似 Co**os 的 IBC 协议，提供各个跨链之间的等可交互操作。Avail Fusion 引入了多资产质押的 POS 共识，目标是为整个 Avail 网络提供安全共识保障。

在技术方面，Avail DA 使用 Kate 多项式承诺，避免欺诈证明，并不需要假设大多数节点是诚实的，且不依赖全节点来获得数据可用。这与 Celestia 的架构不同，Celestia 基于欺诈证明，因此技术层面两者存在本质区别。

随着 Celestia、Avail 等模块化数据可用性区块链项目的出现，模块化 DA War 会越来越激烈，以太坊作为 DA 层的功能性也会被分流，未来很有可能会呈现“一超多强”的竞争格局。

Dymension 是一个基于 Co**os 的模块化区块链平台，它通过内置的可扩展性汇总技术，为 RollApp 的开发提供了一个简洁的框架。在 Dymension 的架构中，开发者可以专注于业务逻辑的实现，利用 Rollup 开发工具包（RDK）和专门的结算层，快速部署针对特定应用程序的 Rollup。

Dymension 的架构由两个核心组成部分构成：RollApp 和 Dymension Hub。

RollApp 是 Rollup 与 App 的融合体，它是 Dymension 上专用于特定应用程序的高性能模块化区块链。RollApp 可以呈现为多种形式，包括但不限于 DeFi 平台、Web3 游戏、NFT 交易市场等去**化应用的专用 Layer 2 解决方案。

在 RollApp 中，排序器（Sequencer）扮演着关键角色，负责本地交易的验证、排序与处理。完成区块打包后，这些数据将被传递到对等全节点，并在链上发布到 RollApp 选择的数据可用性网络，例如 Celestia。得到 Celestia 的响应后，排序器将其状态根发送至 Dymension Hub，以实现共识形成和结算。

Dymension Hub 作为整个生态系统的**，承担着共识层和结算层的功能。它接收来自 RollApp 的状态根，为 RollApps 提供**的交易确认和结算服务。

通过这种设计，Rollup 能够将共识和结算的任务交给 Dymension Hub，而将数据的存储和验证任务交给 Celestia 等 DA 网络。这样，Rollup 可以共享这两个网络的经济安全保障，同时将精力集中在提升应用本身的执行效率和用户体验上。

Cevmos 的名字结合了 Celestia、EVMos 和 Co**OS，旨在为 EVM 兼容的 rollups 提供结算层。

由于 Cevmos 本身就是一个 rollup，因此在其上构建的所有 rollup 被统称为结算 rollup。每个 rollup 都通过与 Cevmos rollup 之间的**化双向信任桥梁，实现以太坊上现有 rollup 合约和应用的重新部署，减少迁移工作量。Cevmos 上的 rollups 会将数据发布到 Cevmos，然后 Cevmos 对数据进行批量处理，再将其发布到 Celestia。就像以太坊一样，Cevmos 将作为结算层执行 rollups 证明。

随着 Ordinals 协议带来的铭文造富效应，以及比特币 ETF 的获批，多重利好因素汇聚，为比特币生态系统注入了新的活力。市场的目光被迅速吸引至比特币生态，机构投资者的资金也涌向这一领域，展现出对比特币生态未来发展的信心与期待。

在这样的背景下，比特币 Layer 2 技术呈现出一派繁荣景象，众多技术方案竞相涌现，形成了一个多元化、充满活力的技术生态。各种创新方案纷纷登场，共同推动比特币网络的扩展和优化。

尽管目前业界对于比特币 Layer 2 的准确定义尚未达成统一共识，本文将借鉴以太坊模块化区块链的理念，从模块化的角度出发，探讨构建比特币 Layer 2 的可能性与方法。

以太坊网络以其图灵**的智能合约功能而著称，能够存储并验证历史状态，从而支持复杂的去**化应用（DApps）。相较之下，比特币网络则是一个无状态的非智能合约网络，其系统设计的不完善主要源于两个方面：

1. UTXO 账户系统的局限性

在区块链世界中，主要存在两种记录保存方式：账户/余额模型和 UTXO 模型。比特币采用的 UTXO 模型，与以太坊采用的账户/余额模型形成鲜明对比。

在比特币系统中，尽管用户在钱包中看到的是账户余额，但实际上，中本聪设计的比特币系统并不包含余额概念。所谓的“比特币余额”实际上是由钱包应用基于 UTXO 衍生出的概念。UTXO 代表未花费的交易输出，它是比特币交易生成及验证的核心。

比特币的每笔交易由输入和输出组成，每一笔交易都会消耗（spend）一个或多个输入，并产生新的输出。这些新产生的输出随即成为新的 UTXO ，等待未来的交易来消耗。

作为一种极简的资产转移和结算技术架构，UTXO 模型难以扩展以支持智能合约等复杂功能。

2. 非图灵**的脚本语言

比特币的脚本语言并不支持所有类型的计算，因为缺少循环和条件控制语句，导致它并不是图灵**的。这一特性虽然有助于减少黑客攻击，提高网络的安全性，但同时也限制了比特币执行复杂智能合约的能力。

因为比特币系统设计的不完善，对于更复杂的功能，它需要依赖外部的模块化扩展，这一点上，比特币对模块化的需求无疑比以太坊更为迫切。其生态中的执行层、数据可用性层、共识层以及跨链互操作层等功能，都需要通过模块化的方式进行封装和扩展。

Merlin

目前在比特币二层的赛道中，Merlin Chain 的 TVL **，已经达到数十亿美元，可以说是比特币生态中最吸引人们注意力的项目。作为一个比特币 Layer 2 网络，Merlin Chain 在支持多种原生比特币资产的同时，也兼容 EVM ，展现其对比特币生态和以太坊生态的双重兼顾。

Source: https://defillama.com/chain/Merlin

Merlin 的功能围绕 ZK-Rollup 网络、去**化预言机网络和链上防欺诈。

ZK-Rollup 网络

ZK-Rollups 的核心在于使用零知识证明。零知识证明作为密码学中的一个加密方法，允许一方（证明者）向另一方（验证者）证明某个陈述是正确的，而无需透露除证明该陈述正确之外的**信息。

Merlin Chain 将交易在链下进行处理和计算，避免比特币网络的高交易费用和网络拥堵。同时，ZK-rollup 可以将多个交易证明压缩成批次，比特币主链只需要验证打包了多笔交易的单次证明，大大减少了主链的工作量，提升了交易效率。

去**化预言机网络

Merlin 的去**化预言机网络相当于 DAC (Data Availability Committee) 的角色，来检查并确保排序器如实地在链下发布了完整的 DA 数据。预言机网络的去**化性在于其采取了 POS 的形式，**人只要质押足够的资产，就可以运行一个预言机节点。这个质押机制**灵活，支持 BTC、MERL 等资产，也支持类似于 Lido 的代理质押。

链上防欺诈

Merlin 引入 BitVM 的思路，同样地采用“乐观的 ZK-Rollup ”机制，可以简单理解为先默认所有的 ZK Proof 都是可信任的，只有在出现错误时再对运行者进行惩罚。因为验证是在比特币主网上进行，在比特币链上，由于技术限制无法完整验证 ZK Proof，只能在特殊情况下验证 ZK Proof 的某一步计算过程。因此，人们只能选择指出 ZKP 在链下验证过程中，某一个计算步骤有错误，并通过欺诈证明的方式进行挑战。

B² Network

B² Network采用模块化设计，由 Rollup 层（ZK-Rollup）负责执行、数据可用性层（B² Hub）负责存储数据、B² Nodes 进行链下验证，**的结算层是比特币主网。

B² Network 的 ZK-Rollup 层采用 zkEVM 解决方案，负责执行二层网络内的用户交易并输出相关证明。Rollup 层负责提交和处理用户交易，而 DA 层则负责存储汇总数据的副本并验证相关的零知识证明。

Source：https://docs.bsquared.network

B² Hub 是一个在链下构建的、支持数据采样功能的 DA 网络，被视为模块化比特币扩展解决方案的先驱。B² Hub 借鉴了 Celestia 的设计思路，引入了数据采样和纠删码技术，以确保新数据能够迅速分发给众多外部节点，并**限度地减少数据扣留的风险。此外，B² Hub 中的 Committer 将 DA 数据的存储索引和数据哈希上传至比特币链上，供公众访问。

Source：https://blog.bsquared.network

根据 B² Network 的未来规划，与 EVM 兼容的 B² Hub 有望成为多个比特币 Layer 2 的链下验证层和 DA 层，形成一个比特币链下的功能性扩展层。鉴于比特币本身无法支持许多应用场景，通过链下构建功能扩展层的方法将成为 Layer 2 生态系统中越来越普遍的现象。

B² Hub 作为**个比特币模块化的第三方 DA 层，可以帮助其他比特币 Layer 2 利用比特币主链作为**结算层，并继承比特币的安全性，有利于推动比特币网络的扩展和增强其应用的多样性。

"Modular is the future" 这句口号，正在逐渐从理念变成现实。模块化区块链技术，以其灵活性和可扩展性，为构建下一代去**化应用提供了坚实的基础。这种技术允许开发者根据特定需求，选择和组合不同的模块，从而创建出更加**、安全且易于维护的区块链解决方案。

模块化区块链的兴起代表了一种更加“灵魂化”的可插拔产品思路。在这种思路下，区块链不再被视为一个封闭的系统，而是一个开放、可扩展的平台，各种服务和功能可以像乐高积木一样轻松地插入和拔出。这种灵活性使得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。

起源于以太坊生态，再到比特币生态中展露头脚，模块化技术已经在加密货币行业的各赛道中施展身手。

例如，采用“关系数据库”技术的模块化公链 Chromia 在游戏领域与 My Neighbor Alice、Chain of Alliance 等多个游戏合作；在 RWA 赛道，Chromia 创建了 Ledger Digital Asset Protocol (Ledger 数位资产协议)，已经有数个项目采用该协议。

在 AI 领域，CARV 专注于为 AI 和 Web3 游戏构建模块化数据层，通过利用可信执行环境（TEE）和零知识证明等技术，确保了数据处理过程中的隐私和安全性。

随着模块化区块链技术的不断成熟和应用领域的拓展，我们有理由相信，这种技术将为各行各业带来更多创新的可能性。从比特币的诞生到今天模块化区块链的广泛应用，我们见证了区块链技术如何从单一的数字货币应用，发展成为一个支持复杂、多样化应用的生态系统。未来，模块化区块链将继续推动技术进步，为构建更加开放、灵活和安全的数字世界奠定基础。