模块化设计能否成为未来趋势？

介绍

大约十年前，智能手机的迅猛增长开启了一个新纪元。当时，一些领先企业认为通过采用模块化架构，能够彻底改变智能手机的设计和使用方式。2013年，谷歌推出了Ara项目，这是一款采用模块化设计理念的创新智能手机。与当今主流的一体式手机设计不同，这些一体式设计手机通常由密封的金属和玻璃部件构成，而Ara项目则旨在允许用户通过多种方式自定义手机，实现手机各个必要组件的模块化。这样，用户就无需频繁更换新手机，而是可以根据个人喜好，简单地将最新组件升级到现有手机中。遗憾的是，模块化设计在手机行业并没有获得预期的成功，这一理念最终几乎成为了被人遗忘的技术史上的一段插曲。

模块化智能手机可能为模块化区块链技术提供了一个借鉴。尽管新奇且引人注目的解决方案的热度并不能保证其长期的成功，且尽管现有工具确实存在一些明显的不足，但是，在区块链领域，用户对可扩展性的强烈需求正在促使开发者构建和采纳模块化架构。这种需求降低了模块化区块链架构可能遭受与模块化智能手机相同命运的风险。

然而，什么是模块化区块链架构？我们应该如何确保这些解决方案不会沦为另一个Project Ara式的失败案例？本文将试图回答这些问题。

在深入探讨之前，首先让我们明确单体架构与模块化架构之间的差异。通过一个熟悉的例子来引入这个概念可能是最直观的方法。正如智能手机包含了若干核心组件，例如相机、电池和触摸屏等，区块链技术同样拥有其核心组件。

iPhone是一个“单体式”手机的绝佳例子。它配备了使用手机所需的所有部件，并且在定制选项方面提供的余地不多。当然，你可能无法过多地编辑内部构件，但它既时尚又快速。然而，随着时间的推移，你可能希望进一步定制你的手机。假设几年后，新出的手机带有远优于旧手机的相机。你的旧手机其他部分可能还工作得很好，但使用现有的相机，你无法匹配新手机的体验。
采用模块化架构，你就不必购买全新的手机。相反，你可以像更换乐高积木那样更换你的相机，并换上更好的一个。

谷歌的Project Ara就是模块化手机的一个例子。这款手机由可以随意更换的构件块组成。只要兼容的部件被制造出来，Ara就会支持它们。

像智能手机一样，区块链由多个必要组件组成；这些组件如下所述：

• 共识
  • 区块链的共识层通过计算机网络就链的状态达成共识来提供排序和最终性。
• 执行
  • 该层通过运行指定的代码来处理事务的实际处理。这也是用户通常与区块链交互的地方，例如签署交易、部署智能合约和转移资产。
• 结算
  • 结算层（Settlement layer）充当验证第layer2上执行的活动（例如rollups以及争议解决）的平台。最重要的是，它是记录实际区块链的最终状态的地方。
• 数据可用性
  • 验证状态转换是否有效所需的数据应发布并存储在该层上。如果发生攻击或操作失败（区块生产者无法提供交易数据），这应该可以轻松检索和验证。

简单来说，单体区块链独立完成所有任务，就像是一个集成的软件单元，而模块化区块链则将这些任务分解为多个组件。这里你可能会问，为什么一个能够一手包办所有任务的区块链会存在缺点？

这又回到了一个古老的问题，即可扩展性三难题。

可扩展性三难题是指一个区块链系统只能在去中心化、安全性和可扩展性这三个属性中，同时满足其中的两项。传统的单体区块链系统倾向于在安全性和去中心化上做出优化，例如比特币和以太坊，它们更强调去中心化和安全性的最大化。但这种选择并非无成本。去中心化的链条往往无法提供足够的带宽来处理大量的交易。例如，以太坊的交易处理速度的上限约为每秒20笔，而比特币的处理速度则更低。若考虑到全球范围内的应用，这样的处理速度显然不足以满足需求。理论上，一些单体链能在一定程度上支撑全球规模的应用，因为它们的每秒交易数（TPS）和总体处理能力是足够的。但它们往往牺牲了去中心化——区块链技术的核心原则。

模块化架构旨在通过将区块链的某些功能外包，以实现更高的性能，同时保留去中心化特性。以以太坊为例，我们来探讨它如何计划利用模块化来提升性能。

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以以太坊为核心的生态系统

示例：大多数第一层（Layer 1）区块链，例如Fuel

以太坊，按照今天的存在形态，是一个单体区块链。同样，今天的许多其他第一层区块链也被视为统一体系，并按照这种模式构建。这类似于iPhone的情况，其中单一体系的某些功能有时会开始显得不如新兴的替代方案，从而导致开发者和消费者转向寻求最新、最具创新性的第一层区块链解决方案，以太坊因此可能会失去部分用户。为了克服以太坊目前面临的吞吐量限制，开发者们正在开发Rollup执行层来提升交易处理能力。

示例：Optimism、Arbitrum、Fuel、Scroll、ZkSync

在以太坊上，将Rollup作为执行层使用，目前是最广泛采纳的扩展方案。Rollup是独立的区块链，它们在以太坊上结算其交易的最终结果，以此方式借助以太坊的安全性和去中心化优势，实现更高效的交易执行。

从宏观角度看，Rollup简单来说就是一个区块链，它将自己区块的最终结果发布到另一条区块链上。但是，这只是构成Rollup一部分要素，因为还需要考虑到欺诈和有效性证明机制以及允许无需许可即可插入交易的方式。Rollup通过在第一层和第二层之间的两个智能合约同步数据来实现这一功能。这种设计使得它区别于侧链，并成为其成为Rollup的关键。这些核心组件对于确保Rollup的安全性至关重要，缺少它们，Rollup可能面临被暂停或审查的风险。

当前，大多数 Rollup 技术为了方便以太坊开发者的迁移而提供了与以太坊虚拟机（EVM）的兼容性，尽管如此，在计算效率和开发的便捷性方面，可能存在更优的执行层方案。用户也可能期望获得在EVM兼容链上不可用的更多质量生活特性，比如账户的抽象化。鉴于开发者偏好的多样性，这种趋势预计将持续下去，市场上将出现更多创新解决方案，如 SolanaVM 和 MoveVM 执行层。Fuel 是一个例子，它不兼容 EVM，专注于执行其他 Rollups 无法处理的计算任务。Fuel 同时也是第一个“模块化执行层”，允许其作为一个主权 Rollup、结算链，甚至是一个独立的区块链存在。尽管 Rollups 仅是执行层，Fuel 却能做到更多。

Fuel 通过模块化，实现了其他普通 Rollups 所不能的功能，因此被称为“模块化执行层”。我们将进一步探讨 Celestia 架构的机制。（来源：Fuel）

Fuel 证明了执行层能够在创新方面做出努力，并优先考虑计算速度而非仅仅支持 EVM。虽然许多熟悉模块化架构的人士对 Fuel 有所了解，但还有一个优秀的竞争者——Kindelia，相对来说知名度较低。Kindelia 是最引人注目的即将推出的模块化执行层之一，不仅因为它是最快的计算层之一，还因为它拥有一个独特的证明系统，该系统利用其虚拟机实现。Kindelia 的 HVM 虚拟机提供了一个几乎即时的证明检查器，并内置在其智能合约语言 Kind 中。这一点至关重要，因为智能合约能够在其代码中证明自身不受漏洞影响且运行正确。这种设计能够解决由于编码不当导致的智能合约问题，从而将我们从当前智能合约面临的漏洞问题中解救出来。Kindelia 提供的价值远不止这些，它在其他执行层方面有所超越。

示例：Metis、ZkPorter、Anytrust

Validium 是一种通过将数据移至链下，而非存储在链上的 Rollup 解决方案。但为何要将数据移至链下？其主要目的是为了优化数据的可用性。Rollup 系统的效率在很大程度上取决于其数据可用性层的性能。如果这一层无法有效处理 Rollup 的交易顺序器生成的大量数据，就会形成处理交易的瓶颈。因此，Rollup 系统将无法处理更多的交易，这会导致 gas 费用上升和/或执行时间延长。简而言之，Rollup 的数据可用性层的性能是决定系统整体交易处理能力和相关费用的关键。

Validiums 的一个明显缺点是它们依赖于链下处理，这引入了更多的信任假设。因此，我们期望找到一个链上解决方案，以改善以太坊的数据可用性问题。这一解决方案就是 Dank sharding。

Danksharding 与以太坊的集成将其转变为一个既能完成结算也能提供数据可访问性的高效平台。

Danksharding 的创新之处在于将这些功能融合成一个统一的体系。通过在同一个区块内同时验证 rollup 证明和数据，Danksharding 构建了一个既无缝又高效的系统。然而，作为正常运作的一环，rollups 需要大量空间来存储其压缩后的数据。Danksharding 提出了一个方案，通过碎片化网络活动以增加数据块（blobs）的容量，从而能够跨多个 rollups 支持每秒数百万次交易的可能性。它通过“数据可用性抽样”技术，允许节点仅通过检查数据的一小部分便能验证大量数据，为构建更经济、更快速的第二层网络铺平了道路，同时也让在以太坊上直接执行交易成为可能。

Danksharding 之所以卓越，还因为它继承了以太坊本身的所有安全性和去中心化特点。然而，这也意味着一个缺点：由于以太坊开发的相对缓慢，可能还需几年时间才能在以太坊中正确部署 Danksharding。EIP-4844 计划引入 Proto-Danksharding，标志着实现 Danksharding 的初步步骤。EIP-4844 旨在通过引入一种新型交易类型——专门用于存储数据的交易类型，从而为 rollup 数据提供一个更具成本效益的费用市场，增强以太坊的功能。

对于那些期望拥有一个快速的数据可用性层但不愿意等待 Danksharding 正式发布的用户来说，Celestia 提供了一个值得考虑的协议。从围绕以太坊的模块化视角转变，探索 Celestia 如何阐述模块化区块链的概念，无疑是一件值得做的事情。

以 Celestia 为核心的生态系统

Celestium是一种结合了Celestia的数据可用性特点与Ethereum的结算与共识机制的独特方案。它凭借与Ethereum的集成、去中心化特性和强大的健壮性，使Danksharding成为目前最安全的选项。尽管如此，一些Rollups项目更愿意立即追求可扩展性，而不是等待Danksharding集成进Ethereum。

对于那些不想等待Danksharding的项目，一种可能的选择是采用链下数据可用性方案，例如Validiums。这些方案通过一个称为“数据可用性委员会”（DAC）的机构来确保数据的可用性。然而，这种方式的去中心化和安全性不如多签方式，因为无法验证DAC是否当前或历史上一直保持诚实。

Celestium提出了一个相比DAC更安全的替代方案。通过Celestium，数据可用性的证明得到了Celestia验证器集合的质押支持，这意味着如果超过三分之二的验证器提供错误信息，它们将面临惩罚，可能会损失大量资金。这样的机制提供了严格且立即的反应措施，与DAC不同，DAC并没有设定任何惩罚措施。

用户可以通过对区块进行数据可用性抽样（Data Availability Sampling）和检查量子引力桥（Quantum Gravity Bridge，这是从Celestia到Ethereum的无需信任的单向消息传递桥梁）来验证Celestia的诚实性。通常情况下，桥接在任何解决方案中都是最脆弱的环节，因此建立冗余措施是必要的。

Celestium与Danksharding结合使用数据可用性抽样（DAS）技术，以验证所有数据的完整性。DAS使节点能够通过下载区块的随机片段来确保数据的可用性，并在发现任何部分缺失时立即发出警报。这种警报机制是DAS机制（如Celestia所采用的）的一个组成部分，其中采用了欺诈证明。而在采用了有效性证明的DAS机制中，如Danksharding，就无需警报系统，因为有效性证明已经确保了擦除编码和数据承诺的正确性。这些机制有效降低了隐藏区块数据的风险，并保证了众多节点能够随机检查区块数据的可用性。

节点通过随机抽样检查区块可用性的方式（来源：Vitalik Buterin）

数据采样是Celestia和Danksharding安全性高的原因之一。至少用户可以放心，如果数据被篡改，他们能够迅速发现问题。相对而言，在一个数据可用性抽样的黑盒系统中，可能存在长达一年的数据篡改而未被发现的情况。

示例：Fuel

与传统的以太坊Rollups相比，主权（Sovereign）Rollup的运作机制有显著差异。不同于依靠以太坊第一层的一系列智能合约来验证和将区块添加到规范链的标准Rollups，主权Rollup采用不同的策略：它们将区块作为原始数据直接发布到链上，而验证工作则由Rollup上的节点通过本地分叉选择规则来执行，以确定正确的链版本。这种设计将结算责任从以太坊第一层转移到了Rollup本身。与传统Rollups不同，主权Rollup没有与Celestia建立最小信任桥接，这一点可能被视为缺点，因为理想情况下桥接应尽可能信任最小化。然而，这种设计为主权Rollup提供了通过分叉独立升级的灵活性，从而简化了协调过程，并提供了比非主权Rollup更高的升级安全性。技术上，这些Rollups不应被称为传统意义上的Rollup，因为Rollup通常意味着存在统一的结算和数据可用性层。因此，主权Rollup有时也被称作主权链。

为了便于开发者在Celestia上创建主权Rollups，Celestia推出了Rollmint，这是一种新的共识机制，用以取代Tendermint。Rollmint的引入使得Rollups可以直接向Celestia发布区块，无需经历Tendermint的处理过程。这种设计让背后的社区拥有了完全的自治权，不受其他任何状态机的影响。这一点与以太坊上的智能合约或Rollups背后的社区形成鲜明对比，后者的行动受到以太坊社区社会共识的限制。

结算链（Settlement Chain）示例：Fuel、Cevmos、dYmension

创建一个独立且模块化的结算组件，这一概念被称为Settlement Rollup。目前，大多数Rollup技术都依赖以太坊主链来完成结算过程。然而，除了以太坊之外，还有其他解决方案可供选择。由于以太坊链同时服务于其他非Rollup应用的智能合约交易，这种设计不可避免地导致了处理能力的降低和缺乏专业化。

理想中的rollup结算层（Settlement layer）应该仅支持rollup智能合约之间以及rollup之间的简单资金转移，同时对非rollup应用的交易施加限制或增加交易成本。

Celestia采用的设计为开发者提供了一个标准化的全球状态共识层，旨在构建一个最小化信任需求的执行rollup群。此外，Celestia还支持在同一全球状态共识层上进行rollup之间的最小化信任桥接，这一功能在现有的架构中是前所未有的新概念。开发者是否会接受这种跨rollup的新范式，目前还不得而知。

结算链的示例包括Cevmos、Fuel和dYmension。Polygon通过其模块化架构的构建，与Celestia展开竞争。在Polygon的模块化设计中，Polygon Avail扮演着数据可用性和共识模块的角色，而Polygon区块链则充当结算层。

单体链的案例

很多讨论模块化区块链的文章倾向于宣称，与新兴的模块化解决方案相比，单体Layer1技术似乎已经成为过时的象征。但目前，这种论断难以得到全面支持，主要是因为这些扩容方案引入了更多的信任假设，从而为整个系统带来了额外的问题。尽管我们已经讨论过大部分DAC和validium的安全性不足，但这种问题甚至可以延伸到执行层（即rollups）。

许多关于模块化区块链的讨论往往将传统的单体Layer1技术视为与新兴的模块化解决方案相比较落后。然而，目前阶段难以完全认同这种观点，主要是因为这些扩展性解决方案引入的问题之一便是它们对系统整体增加了额外的信任假设。尽管普遍认为大部分DAC和validium存在安全隐患，但这种担忧甚至可以扩展至执行层，即Rollups。

当前，一些广泛使用的Rollups尚未实现真正的去中心化，尽管它们正保护着价值数十亿美元的资产。截至撰写本文时，Optimism还没有实现有效的欺诈证明机制，而Arbitrum的合约可以通过单一的多重签名进行更改。这两个协议都在积极解决这些问题，作为它们未来发展计划的一部分。但重要的是要认识到，一个协议采用了特定的架构，并不意味着它就能自然而然地实现去中心化。此外，模块化组件之间的桥梁，尤其是主权Rollups，可能面临与跨链桥梁相似的安全风险。最终，模块化技术栈的开发增加了复杂性，对一些开发者而言，这可能构成挑战。我们期待Rollups能够解决这些问题并实现高度的去中心化。但在此过程中，传统的单体Layer1也有可能达到同等级别的去中心化。

我们之前的报告中已经讨论过，一些单体Layer1是如何通过DAG架构实现内部扩展的。这只是众多例证之一，显示了单体区块链正通过创新，而非依赖外部组件，来努力提升性能。我们不应轻易否定那些旨在全面解决区块链可扩展性难题的新设计思路。

结论

正如过去有过模块化手机的尝试，现在区块链领域也出现了模块化区块链的概念。然而，基于Danksharding技术的展望揭示了Rollup中心化未来的巨大潜力，表明模块化区块链架构不太可能像模块化手机那样未能普及。特别是，专注于提升速度和引入新功能的执行层，如Kindelia和Fuel，由于能够支持创新性应用的构建，预计将吸引更多用户。

不过，许多这类模块化设计尚未经过充分测试，有些模块化区块链设计可能永远无法实现广泛应用。随着Celestia和Danksharding技术的广泛采用，Validiums可能会被完全淘汰。Celestia的独立升级可能面临与现有Layer1区块链相似的桥接问题，这些问题由于安全性和复杂性的考量，可能会成为采用的障碍。

尽管分散式、模块化区块链的未来看似遥不可及，单体区块链仍将保持其相关性并继续进行创新。当我们最终迎来广泛采用模块化区块链的未来时，单体区块链的生态也可能呈现出完全不同的面貌。尽管如此，我们仍需扩展解决方案，为现有区块链提供必要的流动性和用户基础，在长远来看，模块化区块链架构可能是实现这一目标的最佳路径。

作者

Robert McTague是Amber Group旗下Eco Fund的投资助理，该基金专注于初期阶段的加密货币创业投资。他最近在ETHSF活动中与朋友们共同在Fuel平台上开发应用，并荣获第三名。他对模块化区块链的未来持乐观态度。

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