学生作者| @twilight_momo
指导老师| @CryptoScott_ETH
首发时间 | 2024.6.13
- 单体区块链以全面性著称，独立承担网络的各个层面，从数据存储到交易验证等等。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高级的功能，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（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卓越的性能和用户体验，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。
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”？这与区块链领域著名的“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中心化特性。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。
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。
Celestia 采用了多项创新性的技术，显著降低了数据存储的成本，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、高吞吐量和去中心化的数据可用性服务，是 EigenLayer 上启动的第一个主动验证服务 (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 ，避免了中心化服务商或自有代币的信任风险，因此降低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 网络负责最终确定性，最后 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 服务中验证和最终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 Cosmos 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 Cosmos 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 交易市场等去中心化应用的专用 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中心，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 提供最终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 CosmOS，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 之间的最小化双向信任桥梁，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完备的智能合约功能而著称，能够存储并验证历史状态，从而支持复杂的去中心化应用（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. 非图灵完备的脚本语言
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，导致它并不是图灵完备的。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 最高，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、去中心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任何信息。
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。
去中心化预言机网络
Merlin 的去中心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。预言机网络的去中心化性在于其采取了 POS 的形式，任何人只要质押足够的资产，就可以运行一个预言机节点。这个质押机制十分灵活，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，最终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，并最大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 作为第一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最终结算层，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，为构建下一代去中心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，从而创建出更加高效、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。
参考文献
[1]https://www.panewslab.com/zh/articledetails/qn9zbgmj.html
[2]https://www.chaincatcher.com/article/2115788
[3]https://celestia.org/what-is-celestia/
[4]https://paragraph.xyz/@tokensightxyz/eigenda-a-cryptoeconomic-analysis
[5]https://research.web3caff.com/zh/archives/14476?ref=1&ref=852
[6]https://docs.bsquared.network/architecture
[7]https://web3caff.com/zh/archives/89022
[8]https://blog.chain.link/blockchain-scalability-approaches-zh/#post-title
[9]https://web3caff.com/zh/archives/33958
[10]https://web3caff.com/zh/archives/90232
[11]https://www.theblockbeats.info/news/50536
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