作者：GeekCartel

一. 引言

模塊化區塊鏈是一種創新的區塊鏈設計範式，旨在通過專業化和分工提高系統的效率和可擴展性。模塊化區塊鏈誕生之前，一個單一（Monolithic）鏈需要處理所有的任務，包括執行層、數據可用性層、共識層以及結算層。模塊化區塊鏈將這些工作視爲可自由組合的模塊來解決這些問題，每個模塊都專注於特定的功能。

執行（ution）層：負責處理和驗證所有交易，以及管理區塊鏈狀態變更。

共識（Consensus）層：就交易順序達成一致。

結算（Settlement）層：用於完成交易，驗證證明，並在不同執行層之間架起橋樑。

數據可用性（Data Availability）層：負責確保所有必要的數據對網絡中的參與者是可獲取的，以便於驗證。

模塊化區塊鏈的趨勢不僅僅是技術上的變革，更是推動整個區塊鏈生態系統迎接未來挑戰的重要策略。GeekCartel 將對模塊化區塊鏈的概念以及相關項目進行分析，旨在提供全面、實用的模塊化區塊鏈知識解讀，幫助讀者更好地理解模塊化區塊鏈，同時展望未來的發展趨勢。注意：本文內容不構成投資建議。

二. 模塊化區塊鏈的先導者-Celestia

在 2018 年，Mustafa Albasan 和 Vitalik Buterin 發表了一篇開創性的文章，爲解決區塊鏈的可擴展性問題提供了新思路。“數據可用性抽樣和欺詐證明”介紹了一種方法，通過這種方法區塊鏈能隨着網絡節點增加而自動擴展存儲空間。2019年，Mustafa Albasan 深入研究並撰寫了“Lazy Ledger”，提出了一個只處理數據可用性的區塊鏈系統概念。

基於這些理念，Celestia應運而生，作爲第一個採用模塊化結構的數據可用性（DA）網絡。它利用CometBFT和Cosmos SDK構建，是一個權益證明（PoS）區塊鏈，有效提高了可擴展性，同時保持了去中心化特性。

DA層對任何區塊鏈的安全性都至關重要，因爲它確保任何人都可以檢查交易賬本並對其進行驗證。如果區塊生產者在非所有數據可用的情況下提出了一個區塊，區塊可以達成最終確定性但會包含無效交易。 即使區塊是有效的，但那些不能完全進行驗證的區塊數據將對用戶和網絡的功能造成負面影響。

Celestia實現了兩個關鍵功能，分別是數據可用性抽樣（DAS） 和命名空間默克爾樹（NMT）。DAS 使輕節點能夠驗證數據可用性，而無需下載整個區塊。NMTs 使得區塊數據可以被劃分爲不同應用程序的單獨命名空間，這意味着應用程序只需要下載和處理與它們相關的數據，大大減少了數據處理需求。重要的是，DAS 允許 Celestia 隨着用戶數量（輕節點）的增加而擴展，而不會影響最終用戶的安全性。

模塊化區塊鏈正在以前所未有的方式使得構建新鏈成爲可能，不同類型的模塊化區塊鏈可以以不同目的和不同架構的方式協作工作。Celestia官方提出了幾種模塊化架構設計的思路及實例，向我們展示了模塊化區塊鏈的靈活性和可組合性：

圖1 Layer1 和 Layer2架構

Layer 1和 Layer 2：Celestia稱之爲樸素的模塊化，最初是爲了以太坊作爲單體Layer 1的可擴展性而構建的，Layer 2 專注於執行，Layer 1提供其他關鍵功能。

• Celestia支持基於Arbitrum Orbit、Optimism Stack以及Polygon CDK(即將支持) 技術堆棧構建的鏈使用Celestia作爲DA層，現有的 Layer2 可以用Rollup技術將其數據從發佈到以太坊上切換到發佈到 Celestia。對區塊的承諾發佈在 Celestia 上，這比將數據發佈到單一鏈上的傳統方法更具可擴展性。
• Celestia支持基於Dymension技術組件構造的RollApp（專用於應用程序的鏈）作爲執行層，與以太坊的Layer1和Layer2概念類似，RollApps的結算層依賴Dymension Hub（後面將展開解釋），DA層使用Celestia，鏈之間通過IBC協議交互（IBC基於Cosmos SDK, 是一種允許區塊鏈相互通信的協議。使用IBC的鏈可以共享任何類型的數據，只要它是以字節爲單位編碼的）。

圖2：執行、結算和DA層架構

執行、結算和數據可用性：優化的模塊化區塊鏈，比如可以將執行、結算和數據可用性層在專門的模塊化區塊鏈之間解耦。

圖3:執行和DA層架構

執行和DA：由於實現模塊化區塊鏈的目的是靈活的，因此執行層不僅限於將其區塊發佈到結算層。例如，可以創建一個模塊化堆棧，該堆棧不涉及結算層，只涉及共識層和數據可用性層之上的執行層。

在這個模塊化堆棧下，執行層將是主權（sovereign）的，它將其交易發佈到另一個區塊鏈，通常用於排序和數據可用性，但處理自己的結算。在模塊化堆棧的上下文中，主權Rollup負責執行和結算，而 DA 層則處理共識和數據可用性。

主權Rollup與智能合約Rollup的區別在於：

• 智能合約Rollup交易由結算層的智能合約驗證。主權Rollup的交易由主權Rollup的節點進行驗證。
• 與智能合約Rollup相比，主權Rollu的節點擁有自主權。在主權Rollup中，交易的排序和有效性是由Rollup自己的網絡管理，而不依賴於單獨的結算層。

目前Rollkit和Sovereign SDK提供了用於在 Celestia 上部署主權Rollup測試網的框架。

三. 探索區塊鏈生態中的模塊化方案

1. 執行層模塊化

在介紹執行層模塊化之前，我們應該瞭解什麼是Rollup技術。

目前執行層模塊化技術主要依賴Rollup，這是一種在 Layer1鏈外運行的擴容解決方案。這種解決方案在鏈外執行交易，這意味着它佔用更少的區塊空間，也是以太坊重要的擴容方案之一。執行交易後，它將向 Layer1 發送一批交易數據或執行證明，並在 Layer1 進行結算。Rollup 技術爲Layer1網絡提供了一種可擴展性解決方案，同時保持了去中心化和安全性。

圖4: Rollup技術架構

以以太坊爲例，Rollup 技術可以通過使用ZK-Rollup或者Optimistic Rollup來進一步提高性能和隱私。

• ZK-Rollup 使用零知識證明來驗證打包的交易的正確性，從而確保交易的安全性和隱私性。
• Optimistic Rollup 在提交交易狀態到以太坊主鏈之前，首先假設這些交易是有效的，在質詢期期間，任何人都可以計算欺詐證明來驗證交易。

1.1 以太坊Layer2：構建未來的擴容解決方案

以太坊最初採用側鏈和分片技術進行擴容，但是側鏈犧牲了一些去中心化和安全性來實現高吞吐量；Layer 2 Rollups 的發展速度比預期的要快得多，並且已經提供了大量的擴展，並且在實現Proto-Danksharding之後將提供更多。這意味着不再需要“分片鏈”，現已從以太坊的路線圖中刪除。

以太坊將執行層外包給基於Rollup技術的Layer2s來減輕主鏈負擔，EVM爲在Rollup層上執行的智能合約提供了標準化和安全的執行環境。一些Rollup解決方案在設計時考慮到了與EVM的兼容性，使得在Rollup層上執行的智能合約仍然可以利用EVM的特性和功能，如OP Mainnet，Arbitrum One和Polygon zkEVM等。

圖5: 以太坊的第2層擴展解決方案

這些Layer2s執行智能合約並處理交易，但仍依賴以太坊進行以下操作：

結算： 所有Rollup交易都在以太坊主網上完成。Optimistic Rollups的用戶必須等待質詢期過去，或者在反欺詐計算後交易被視爲有效。ZK Rollups的用戶必須等到有效性得到證明。

共識和數據可用性：Rollups以CallData的形式將交易數據發佈到以太坊主網，使任何人都可以執行Rollup交易並在必要時重建其狀態。在以太坊主鏈上確認之前，Optimistic Rollups 需要大量的區塊空間和 7天的挑戰期。ZK Rollups 提供即時最終確定性，且將可用於驗證的數據存儲 30 天，但需要大量的計算能力來創建證明。

1.2 B² Network：開創比特幣ZK-Rollup

B² Network是第一個比特幣上的ZK-Rollup，可在不犧牲安全性的情況下提高交易速度。利用Rollup技術，B² Network提供了一個能夠運行圖靈完備智能合約進行鏈下交易的平臺，從而提高了交易效率，並最大限度地降低了成本。

圖6：B² Network架構

如圖所示，B² Network的ZK-Rollup Layer 採用 zkEVM 解決方案，負責 Layer2 網絡內用戶交易的執行和相關證明的輸出。

與其他Rollup不同的是，B² NetworkZK-Rollup由多個組件組成，包括賬戶抽象模塊、RPC Service、Mempool、Sequencers、zkEVM、Aggregators、Synchronizers 和 Prover。其中賬戶抽象模塊實現了本機帳戶抽象，它允許用戶靈活地將更高的安全性和更好的用戶體驗編程到他們的帳戶中。zkEVM 與 EVM 兼容，它還可以幫助開發人員將 DApp 從其他 EVM 兼容鏈遷移到 B² Network。

Synchronizers確保將信息從B²節點同步到Rollup層，包括序列信息、比特幣交易數據等細節。B² 節點充當鏈下驗證者，是 B² 網絡中多個獨特功能的執行者。B² 節點中的比特幣Committer模塊構建一個數據結構來記錄B² Rollup數據，並生成一個被稱爲“B²銘文”的Tap。然後，比特幣Committer發送一個單位爲一聰（satoshi ）的UTXO到一個包含$B^{2}$銘文的Taproot地址，Rollup數據將被寫入比特幣。

此外，比特幣Committer設置一個時間鎖定的挑戰，允許挑戰者質疑zk證明驗證的承諾。如果在時間鎖定期間沒有挑戰者或挑戰失敗，那麼Rollup最終在比特幣上確認；如果挑戰成功，Rollup將被回滾。

不論是以太坊還是比特幣，從本質上講，Layer1都是單一鏈，它們從Layer2 接收擴展的數據。在大多數情況下，Layer 2 的容量也取決於Layer1 的容量。因此，Layer1 和Layer2 堆棧的實現對於可擴展性來說並不理想。當Layer1達到其吞吐量上限時，Layer2也會受影響，這可能導致交易費用上升和確認時間延長，影響整個系統的效率和用戶體驗。

2. DA層模塊化

除了Celestia的DA解決方案受到Layer2s的青睞之外，還有其他專注於DA的創新方案相繼出現，在整個區塊鏈生態系統中發揮了關鍵作用。

2.1 EigenDA：爲Rollup技術賦能

EigenDA是一種安全、高吞吐量和去中心化的DA服務，其設計靈感來自Danksharding。Rollup 能夠將數據發佈到 EigenDA，以便在整個 EigenLayer 生態系統中獲得更低的交易成本、更高的交易吞吐量和安全的可組合性。

在以太坊Rollup構建去中心化的暫時性數據存儲時，數據存儲可以由 EigenDA 運營商直接處理。運營商（Operators）是指參與網絡運作，負責處理、驗證和存儲數據，EigenDA 可以隨着質押量和運營商的增長而水平擴展。

EigenDA結合Rollup技術，同時將DA 部分轉移到鏈下處理實現可拓展性。因此，實際的交易數據不再需要在每一個節點上覆制和存儲，減少了對帶寬和存儲的需求。鏈上僅處理與數據可用性相關的元數據和問責機制（問責使數據存儲在鏈下，也可以在必要時驗證其完整性和真實性）。

圖7: EigenDA的基本數據流

如圖所示，Rollup將交易批次寫入DA層，與使用欺詐證明來檢測惡意數據的系統不同，EigenDA將數據分割成塊並生成KZG承諾和多重揭示證明，EigenDA 要求節點只下載少量數據 [O（1/n）]，而不是下載整個blob。Rollup的欺詐仲裁協議還能夠驗證用 blob 數據是否與 EigenDA 證明中提供的 KZG 承諾匹配。在進行此驗證時，Layer2 鏈可確保Rollup狀態根的交易數據不會被排序器/提議者操縱。

2.2 Nubit：比特幣上第一個模塊化DA解決方案

Nubit是一個可擴展的、比特幣原生DA層。Nubit正在開創比特幣原生的未來，旨在提高數據吞吐量和可用性服務，以滿足生態系統不斷增長的需求。他們的願景是將龐大的開發者社區納入比特幣生態系統，併爲他們提供可擴展、安全和去中心化的工具。

Nubit 的團隊成員是來自 UCSB（加州大學聖塔芭芭拉分校）的教授和博士生，享有傑出的學術聲譽和全球影響力。他們不僅精通學術研究，而且在區塊鏈工程實施方面具有豐富的經驗。團隊與domo（Brc20的創造者）一起撰寫了模塊化索引器的論文，將DA層的設計加入到比特幣meta protocol的索引器結構中，參與到行業標準的建立和制定。

Nubit 的核心創新：共識機制、無需信任的橋接和數據可用性，它利用創新的共識算法和閃電網絡來繼承比特幣完全抗審查的特性，利用DAS提高效率：

• 共識機制：Nubit 探索了一種由 SNARK 提供支持的基於PBFT(實用拜占庭容錯)的高效共識，用於簽名聚合。PBFT 方案與zkSNARK技術結合將驗證者之間驗證簽名的通信複雜度顯著減少，在不需要訪問整個數據集的情況下驗證交易的正確性。
• DAS：Nubit的DAS是通過對區塊數據的小部分進行多輪隨機抽樣來實現的。每一輪成功的抽樣增加了數據完全可用的可能性。一旦達到預定的置信水平，就認爲區塊數據是可訪問的。
• Trustless Bridge：Nubit 使用了一個Trustless Bridge，其利用了閃電網絡的支付通道。這種方法不僅與本地比特幣支付方法保持一致，且不會增加額外的信任要求。與現有的橋接方案相比，爲用戶帶來了較低的風險。

圖8：Nubit的基本組件

我們進一步利用一個具體的用例來回顧圖8所示的完整的系統生命週期。假設Alice想要使用Nubit的DA服務完成一筆交易(Nubit支持多種數據類型，包括但不限於銘文，Rollup data等)。

• 步驟1.1: Alice首先需要通過Nubit的無信任橋支付gas費來繼續服務。特別是，Alice需要從無信任橋接器中獲得一個公共挑戰，記爲X (h)（X是從可驗證延遲函數(VDF)的哈希範圍到挑戰域的加密哈希函數，h是某個高度區塊的哈希值）。
• 步驟1.2 和 步驟2: Alice必須獲得與當前回合相關的VDF的評估結果R，提交R以及她的數據和交易元數據(如地址和nonce)發送給驗證器，以便將其合併到內存池中。
• 步驟3: 驗證者在達成共識後提出區塊及其頭的過程。塊頭包括對數據的承諾及其相關的Reed-Solomon Coding(RS Code)，而塊本身包含原始數據、相應的RS Code和基本的交易細節。
• 步驟4: 生命週期以Alice的數據檢索結束。輕客戶機下載區塊頭，而全節點獲取區塊及其頭。

輕客戶機承擔DAS過程以驗證數據可用性。此外，在提出閾值數量的區塊後，該歷史的檢查點通過比特幣時間戳記錄在比特幣區塊鏈上。這確保validator集可以阻止潛在的遠程攻擊並支持快速解除綁定。

3. 其他解決方案

除了專注於模塊化特定層的鏈，去中心存儲服務可以爲DA層提供長期支持。還有一些協議和鏈爲開發者提供了定製和全棧方案，這些方案使用戶輕易地構建自己的鏈，甚至無需代碼構建。

3.1 EthStorage - 動態的去中心化存儲

EthStorage是第一個實現動態的去中心化存儲的模塊化 Layer2，提供由 DA 驅動的可編程鍵值（KV）存儲，以 1/100 到 1/1000 的成本將可編程存儲擴展到數百 TB 甚至 PB。它爲 Rollups 提供了長期的 DA 解決方案，併爲遊戲、社交網絡、AI 等完全鏈上的應用程序開闢了新的可能性。

圖9: EthStorage的應用場景

EthStorage的創始人，Qi Zhou，自2018年全身心投入Web3行業，持有喬治亞理工學院的博士學位，曾任職於谷歌和Facebook等頂尖公司的工程師。其團隊也獲得了以太坊基金會的支持。

作爲以太坊坎昆升級的核心特性之一，即EIP-4844（也稱爲Proto-dank sharding），引入了用於Layer2 Rollup存儲的臨時數據塊 (blob)，提高了網絡的可擴展性和安全性。網絡無需驗證區塊中的每筆交易，只需確認附加到區塊的 blob 是否攜帶正確的數據，這大大降低了Rollup的成本。但是，Blob 數據僅暫時可用，這意味着它將在幾周內被丟棄。這產生了一個重大影響：Layer2 無法無條件地從 Layer1 派生出最新狀態。如果無法再從 Layer1 檢索到某段數據，則可能無法通過Rollup來同步鏈。

有了 EthStorage 作爲長期的 DA 存儲解決方案，Layer2s可以隨時從其DA層獲取完整數據。

技術特點：

EthStorage可以實現去中心化的動態存儲：現有的去中心化存儲解決方案可以支持大量數據的上傳，但是不能修改或刪除，只能重新上傳新數據。而EthStorage 通過原創的鍵值存儲範式，實現CRUD功能，即創建、更新、讀取和刪除存儲的數據，從而顯著增強了數據管理的靈活性。

基於DA層的Layer2去中心化解決方案：EthStorage 是一個模塊化的存儲層，只要有 EVM，有 DA來減少存儲成本，就可以在任何區塊鏈上運行它（但當前很多Layer1不具備DA層），甚至在 Layer2上也可以。

高度集成ETH：EthStorage的客戶端是以太坊客戶端 Geth的超集，這意味着運行EthStorage的節點的時候，依然可以正常參與以太坊的任何流程，一個節點可以是以太坊的驗證者節點的同時也是EthStorage的數據節點。

EthStorage的工作流程：

用戶將他們的數據上傳到應用程序合約，然後該合約與 EthStorage 合約交互以存儲數據。

在 EthStorage Layer2 網絡中，存儲提供商會收到有關等待存儲的數據的通知。

存儲提供商從以太坊數據可用性網絡下載數據。

存儲提供商向 Layer1 提交存儲證明，證明 Layer2 網絡中有大量副本。

EthStorage合約獎勵成功提交存儲證明的存儲提供商。

3.2 AltLayer - 模塊化定製服務

AltLayer提供了一個多功能的、無代碼的Rollups-as-a-Service（RaaS）服務。RaaS 產品專爲多鏈和多虛擬機世界而設計，支持 EVM 和 WASM。它還支持不同的 Rollup SDK，例如 OP Stack、Arbitrum Orbit、Polygon zkEVM、ZKSync 的 ZKStack 和 Starkware，不同的共享排序服務（例如Espresso和Radius）以及不同的 DA 層（例如 Celestia，EigenLayer）以及 Rollup 堆棧不同層的許多其他模塊化服務。

通過AltLayer可以實現多功能的Rollup堆棧，例如，一個爲應用程序而設計的 Rollup 可以使用Arbitrum Orbit構建，同時使用Arbitrum One作爲 DA 和結算層，而另一個爲通用用途而設計的 Rollup 可以使用 ZK Stack 構建，使用 Celestia 作爲 DA 層，以太坊作爲結算層。

注：看到這裏你可能會疑惑，爲什麼結算層可以由OP和Arbitrum來實現？事實上，目前這些Layer2s的Rollup堆棧正在實現類似Cosmos提出的“鏈間”（interchain）工作來實現互聯：OP提出了Superchain，OP Stack作爲支持Optimism技術的標準化開發堆棧，將不同的Layer2網絡集成在一起，促進了這些網絡之間的互操作性；Arbitrum提出了Orbitchain戰略，允許基於Arbitrum Nitro（技術堆棧）在 Arbitrum 主網上創建和部署 Layer3，也被稱爲應用鏈。Orbit Chains可以直接結算到Layer2s也可以直接結算到以太坊。

3.3 Dymension - 全棧模塊化

Dymension是一個基於Cosmos SDK的模塊化區塊鏈網絡，旨在通過使用IBC標準來確保RollApp的安全性和互操作性。

Dymension將區塊鏈功能分爲多層，Dymension Hub作爲結算層和共識層爲RollApp提供安全性、互操作性和流動性，RollApp作爲執行層。數據可用性層是 Dymension 協議支持的DA提供者，開發人員可以根據自己的需求選擇合適的數據可用性提供者。

結算層(Dymension Hub)維護RollApps的註冊器和相應的重要信息，如狀態、測序器列表、當前活動測序器、執行模塊校驗和等。Rollup服務邏輯被固定在結算層內，從而形成了一個原生互操作性的中心。Dymension Hub作爲結算層有以下特點：

在結算層上本地提供 Rollups 服務： 提供了與基礎層相同的信任和安全假設，但具有更簡單、更安全、更有效的設計空間。

通信和交易：Dymension的RollApp通過內嵌模塊在結算層上實現Inter-RollApp通信和交易，提供信任最小化的橋接。此外，RollApps還能通過Hub與啓用IBC的其他鏈進行通信。

RVM（RollApp虛擬機）：Dymension結算層在欺詐爭議時啓動RVM。RVM能夠在各種執行環境（如EVM）中解決爭議，擴展了RollApp執行範圍的能力和靈活性。

抗審查：經歷Sequencer審查的用戶可以向結算層發佈一個特殊的事務。此事務被轉發到Sequencer，並請求在指定的時間範圍內執行。如果交易沒有在指定的時間內處理，Sequencer將受到處罰。

AMM（自動做市商）：Dymension在結算中心引入了一個嵌入式的AMM，從而創建了一個核心金融中心。爲整個生態系統提供共享流動性。

四. 多生態模塊化區塊鏈對比

在前文中，我們深入探討了模塊化區塊鏈系統和衆多代表性項目，現在我們將把焦點轉移到不同生態間的對比分析上，旨在客觀全面的理解模塊化區塊鏈。

五. 總結與展望

正如我們所看到的，區塊鏈生態在朝着模塊化的方向發展。在過去的區塊鏈世界中，各條鏈孤立運作，相互競爭，這使得用戶、開發者和資產在不同鏈之間難以流動，限制了生態系統的整體發展和創新。在WEB3世界中，問題的發現和解決是共同努力的過程。一開始，比特幣和以太坊作爲單一鏈吸引了大量關注，但隨着單一鏈問題的暴露，模塊化鏈逐漸受到關注。因此，模塊化鏈的爆發不是偶然，而是發展的必然。

模塊化區塊鏈通過讓各個組件獨立優化和定製，提高了鏈的靈活性和效率。但這種架構也需面對挑戰，如通信延遲和系統交互的複雜性增加。實際上，模塊化架構的長期益處，如提高的可維護性、可複用性和靈活性，通常會超過其短期的性能損失。未來，隨着技術發展，這些問題將找到更好的解決方案。

GeekCartel認爲區塊鏈的生態系統都有責任在整個模塊化堆棧中提供可靠的基礎層和通用的工具，以促進鏈與鏈直接的流暢鏈接，如果生態系統能夠更加和諧和互聯，用戶將能夠更輕鬆地使用區塊鏈技術，也會吸引更多的新用戶進入Web3。