撰寫者: @暮光_momo
導師: @CryptoScott_ETH
長話短說
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整體區塊鏈 以全面性著稱,獨立承擔網路的各個方面,從資料儲存到交易驗證等。 模組化區塊鏈, 透過將區塊鏈的不同功能分離成獨立的模組,可以為特定功能提供效能支援和流暢的用戶體驗,在一定程度上解決不可能三角問題。
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作為第一個支援智能合約的區塊鏈平台, 以太坊 為模組化設計提供了肥沃的土壤。隨著區塊鏈技術的發展, 比特幣生態系統 也開始探索模組化的可能性,透過添加新模組來實現更高級的功能,例如改進的隱私保護、更有效率的交易處理或增強的智慧合約功能。
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模組化技術代表著更有靈魂的 可插拔產品理念 。未來將會出現更靈活、可自訂的區塊鏈解決方案,各種服務和功能可以像樂高積木一樣輕鬆插拔。這種靈活性使開發人員能夠根據特定應用場景的需求快速建立和部署區塊鏈解決方案。
1.什麼是模組化區塊鏈?
資料來源:Celestia.org
當我們討論模組化區塊鏈時,我們首先要理解的概念 整體區塊鏈 . 比特幣、以太坊等單體鏈以其全面性著稱,獨立承擔網路的各個環節,從資料儲存到交易驗證再到智慧合約執行。在這個過程中,單片鏈扮演了多面手的角色,涉及各個方面。
以以太坊為例,成熟的單一區塊鏈一般可分為四種架構:
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執行層
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沉澱層
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資料可用性層
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共識層
下圖透過將區塊鏈上的記帳比喻為一場球賽,詳細解釋了架構各層的作用:
透過這個類比,我們可以更清楚地理解區塊鏈的各種架構是如何協同工作的。單體區塊鏈是將所有功能集中在同一條鏈上執行,同時 模組化區塊鏈 是一種新型的區塊鏈架構,它將區塊鏈系統分解為多個專門的組件或層,每個組件或層負責處理共識、資料可用性、執行和結算等特定任務。模組化區塊鏈就像一群專家,專注於各自領域的深度挖掘和技術創新。這種關注使得模組化區塊鏈能夠在特定功能上提供出色的性能和用戶體驗。例如,它們可以以更低的成本提供更快的交易處理速度。
按照 節點架構 ,單片鏈依賴完整節點,它必須下載並處理整個區塊鏈資料的副本。這不僅對儲存和運算資源提出了很高的要求,而且限制了網路擴展的速度。相較之下,模組化區塊鏈採用輕節點設計,僅處理區塊頭資訊,顯著提高交易速度和網路效率。
模組化區塊鏈的一個顯著優勢是其靈活性和協作性。他們能夠將非核心職能外包給其他專家,形成合力,實現整體績效的顯著提升。這種設計理念類似樂高積木,讓開發者可以根據專案需求自由組合不同的模組,打造多樣化的解決方案。雖然單體鏈在全局控制、安全穩定等方面具有優勢,但也面臨可擴展性、升級困難、適應新需求等方面的挑戰。模組化區塊鏈以其高度靈活性和可自訂性而脫穎而出,簡化了新區塊鏈的創建和優化過程。
然而,模組化區塊鏈也面臨其獨特的挑戰。其複雜的架構增加了開發人員設計、開發和維護的工作量。模組化區塊鏈作為一項新興技術,尚未經過全面的安全測試和市場波動的考驗,其長期穩定性和安全性仍需進一步驗證。
2. 為什麼需要模組化區塊鏈?
為什麼模組化區塊鏈技術受到如此多的關注並被預測為未來趨勢?這與區塊鏈領域著名的不可能三角理論密切相關。
來源:鏈聯
區塊鏈的不可能三角是指區塊鏈網路在安全性、去中心化和可擴展性這三個核心屬性上同時達到最優條件的難度。
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可擴展性 重點關注網路處理大量交易的能力,以及隨著用戶和交易數量的成長保持高效、低成本運作的能力。通常用TPS(每秒交易數)和延遲(交易被確認所需的時間)來衡量。
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安全 指保護區塊鏈網路免受攻擊的成本和難度。例如,比特幣的POW機制要求攻擊者擁有全網51%以上的算力,而以太坊的POS機制則需要⅓以上的節點進行串通。
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去中心化 描述網路的運作不依賴單一中心節點,而是分佈在許多節點上。節點越多、地理分佈越廣,網路的去中心化程度越高。
不可能三角的核心思想是,區塊鏈系統很難同時實現這三個特性中最好的。例如,在眾多公鏈中,比特幣和以太坊因其節點分佈廣泛、節點數量充足,在去中心化和安全性方面表現突出。但它們犧牲了一定的可擴展性,導致交易速度較慢,交易費用較高:比特幣出塊時間約為10分鐘,以太坊TPS約為13,當交易量激增時,以太坊交易費用可能高達數百美元。
正是在這樣的背景下,模組化區塊鏈技術應運而生。它透過將不同的功能分配給專門的模組來解決傳統公鏈的可擴展性和交易成本的挑戰。例如比特幣的閃電網路和以太坊的Rollup技術都是模組化思維的體現。
模組化區塊鏈的優勢在於其分層架構,允許每一層針對特定需求進行最佳化。資料層可以專注於資料儲存和驗證,而執行層可以處理智慧合約邏輯。這種分離不僅提高了效能和效率,還促進了不同區塊鏈之間的互通性,為建構開放互聯的生態系統提供了基礎。
綜上所述,模組化區塊鏈技術為解決傳統公鏈的限制提供了新的途徑。它在保持去中心化和安全性的同時實現了更高的可擴展性和更低的交易成本,這對於區塊鏈技術的廣泛應用和長期發展具有深遠的意義。
3. 模組化區塊鏈賽道-專案分析
模組化區塊鏈根據其架構特點可分為不同類型。其中,資料可用性層和共識層由於緊密的相互依賴關係,往往被設計為一個統一的整體。這是因為當節點接收到交易資料時,它通常也會決定交易的順序,這是區塊鏈安全性和不可竄改的核心。
基於這個設計原則,我們可以從執行層、資料可用層、共識層、結算層三個面向來理解模組化區塊鏈的不同項目。
3.1 執行層
Layer 2技術作為區塊鏈架構中執行層的延伸,是模組化區塊鏈概念的體現。它致力於透過在底層區塊鏈之上建立鏈外網路、系統或技術來提高主鏈的可擴展性。
第 2 層解決方案允許更快、更具成本效益的交易處理,同時保持底層區塊鏈的安全性和去中心化。根據@0x ning創建的dune儀表板可以看出,以太坊生態中第2層驗證和清算平均消耗的gas小於10%,大大節省了用戶交易成本。
來源: https://dune.com/0xning/ethereum-gas-war
Rollup技術是目前Layer 2最主流的解決方案,其核心概念是鏈下執行、鏈上驗證。它在鏈外執行計算和其他任務,然後將通話資料上傳回主網路。
鏈下執行
Rollup模型中,交易是在鏈下執行的,底層區塊鏈只負責驗證智能合約中的交易證明並儲存原始交易資料。這種設計顯著減輕了主鏈的運算負擔並降低了儲存需求,從而實現更有效率的交易處理。
為了進一步降低成本,Rollup 採用了交易打包技術。可以比喻為物流中貨物的貨櫃化。單獨發送每件物品將產生高昂的運費。 Rollup技術透過將多筆交易打包在一起並且只需要一次傳輸來大幅降低每筆交易的成本。
鏈上驗證
鏈上驗證是二層網路安全的關鍵。第 2 層網路必須提供加密證明來解決底層區塊鏈上的潛在分歧。目前兩種主流的證明機制是詐欺證明和有效性證明,分別支持 Optimistic Rollups 和 ZK Rollups。
樂觀匯總的詐欺證明
樂觀總結採用樂觀假設,即預設情況下所有交易都是有效的,除非有明確的錯誤證據。該模型依賴於挑戰期間的錯誤證明(詐欺證明),任何網路參與者都可以提交證明來挑戰智慧合約的狀態,保證了網路的公平性和透明度。
根據L2 BEAT數據,目前使用Optimistic Rollups機制的Layer 2有16個,如:Arbitrum、OP、Base、Blast等。
來源:l2beat.com
ZK Rollups 的有效性證明
與 Optimistic Rollups 不同,ZK Rollups 採取更謹慎的方法,要求所有交易在被接受之前必須被證明有效。這種證明機制類似於驗證過程,確保二層網路中的每筆交易和計算都是準確的。簡而言之,有效性證明是 ZK-Rollups 的基石,它要求每批交易都附有相應的證明,從而保證底層區塊鏈上的智能合約能夠驗證和批准狀態變更。對於驗證節點,ZK Rollups 提供了零錯誤結算機制,因為每筆交易都必須經過嚴格的有效性驗證。
根據L2 BEAT數據,目前有11個Layer 2使用ZK Rollups機制,例如Linea、Starknet、zkSync等。
來源:l2beat.com
3.2 資料可用層和共識層
3.2.1 塞拉斯蒂婭
作為模組化區塊鏈領域的先驅,Celestia本質上是一個數據可用性層,為dApp和Rollups的開發提供了堅實的基礎。透過部署在Celestias資料可用性層和共識層上,應用程式開發人員可以專注於優化執行邏輯,將資料可用性和共識機制的複雜性交給Celestia。
Celestias架構設計提供了多種模組化擴充的解決方案。其架構主要包括以下三種:
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主權匯總 :Celestia 提供資料可用性層和共識層,而結算層和執行層由各自的主權鏈獨立實現。
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結算總結 ( 例如Cevmos計畫):基於Celestia提供的DA和共識層,Cevmos提供結算層服務,而應用鏈承擔執行層的角色。
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天界 :資料可用層由Celestia管理,共識層和結算層依託以太坊強大的網絡,應用鏈繼續聚焦執行層。
Celestia採用多項創新技術大幅降低資料儲存成本並優化儲存效率。
糾刪碼技術
Celestias 的一項創新是糾刪碼的應用。在 Mustafa Albasan(Celestia 創始人之一)和 Vitalik Buterin 合著的論文《Data Availability Sampling and Fraud Proofs》中,提出了一種新的架構思想,即全節點負責出塊,輕節點負責出塊用於塊驗證。糾刪碼技術在資料傳輸過程中引入冗餘,保證即使在高達50%資料遺失的情況下也能完全恢復原始資料區塊。
這種機制意味著,為了確保 100% 的區塊資料可用性,區塊生產者只需要向網路發布 50% 的區塊資料即可。如果惡意生產者試圖篡改1%的區塊數據,實際上需要篡改整個50%的數據,這大大增加了作惡者的成本。
數據可用性抽樣
Celestia透過引入數據可用性採樣(DAS)技術解決了區塊鏈的可擴展性問題。 DAS 工作流程包含以下關鍵步驟:
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隨機抽樣 :輕節點對區塊資料進行多輪隨機採樣,每次只請求一小部分區塊資料。
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逐漸增強信心 :隨著輕節點完成更多輪的採樣,其對資料可用性的信心逐漸增加。
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達到置信閾值 :輕節點一旦透過採樣達到預設的置信度(如99%),就認為該區塊的資料可用。
該機制使得輕節點無需下載整個區塊資料即可驗證區塊資料的可用性,保證了區塊鏈資料的完整性和可用性。 Celestia 專注於提供數據可用性而不是執行狀態,這提高了區塊生產力。每個區塊有更多的空間,可以容納更多的採樣數據,從而顯著提高TPS(每秒交易數)。
3.2.2 特徵層
EigenDA是一種安全、高吞吐量、去中心化的資料可用性服務,也是第一個在EigenLayer上推出的主動驗證服務(AVS)。 AVS可以理解為節點營運商,是以太坊上數千個節點營運商的一部分。他們在主要工作(負責以太坊共識驗證)的基礎上,承擔一些額外的私密工作(服務rollup等有共識驗證需求的網路)以獲得額外收入。未來隨著restake以太坊數量的增加以及更多AVS加入EigenLayer生態系統,Rollups可以在EigenLayer生態系統中獲得更低的交易成本和更高的安全可組合性。
EigenLayer 是基於以太坊的重質押協議。它利用以太坊共識層的stakers作為驗證者,利用以太坊的部分安全性來規避中心化服務商或自身代幣的信任風險,從而降低其他項目的開發門檻。同時,也增強了以太坊的信任網絡,增加了以太坊的價值和影響力。
在架構上,EigenDA使用ZK技術來驗證Layer 2提交的狀態數據,由Restake ETH保證共識安全的EigenDA網路負責最終性。最後,將Layer 2的狀態資料提交並儲存到以太坊主網。因此,EigenDA相當於以太坊主網DA服務驗證和終結的分包商,而不是像Celestia這樣的競爭對手。
3.2.3 可用性
Avail是Polygon團隊於2023年6月宣布的模組化區塊鏈專案。 Avail目前正在測試線上運行,並剛完成由Dragonfly和Cyber Fund領投的$43百萬A輪融資。
Avail的核心架構主要由三個部分組成:Avail DA、Avail Nexus、Avail Fusion。 Avail DA 是一個模組化的資料可用性層,為各種區塊鏈提供 DA 服務,就像 Celestia 一樣。 Avail Nexus 是一個標準化的跨鏈訊息協議,類似於 Cosmos IBC 協議,它提供了各個跨鏈之間平等的互通性。 Avail Fusion引入多元資產質押POS共識,目標是為整個Avail網路提供安全的共識保障。
在技術方面,Avail DA 使用凱特多項式承諾來避免欺詐證明,不需要假設大多數節點是誠實的,並且不依賴全節點來提供資料。這與基於詐欺證明的 Celestias 架構不同,因此兩者在技術層面上存在本質區別。
隨著Celestia、Avail等模組化資料可用性區塊鏈專案的出現,模組化DA戰爭將會越來越激烈,以太坊作為DA層的功能也將被挪用。未來,很可能會出現一超多強的競爭格局。
3.3 結算層
3.3.1 動態
Dymension 是一個基於 Cosmos 的模組化區塊鏈平台,透過內建的可擴展性 rollup 技術為 RollApp 開發提供簡潔的框架。在Dymension架構中,開發者可以專注於業務邏輯的實現,並使用Rollup開發套件(RDK)和專用結算層快速部署針對特定應用的Rollups。
Dymension的架構由兩個核心元件組成:RollApp和Dymension Hub。
RollApp是Rollup和App的融合。它是專用於 Dymension 上特定應用的高效能模組化區塊鏈。 RollApp可以以多種形式呈現,包括但不限於去中心化應用程式的專用Layer 2解決方案,例如DeFi平台、Web3遊戲、NFT交易市場等。
在RollApp中,Sequencer在驗證、排序和處理本地事務方面發揮關鍵作用。區塊打包後,資料將傳遞到對等全節點,並在鏈上發佈到 RollApp 選擇的資料可用性網絡,例如 Celestia。收到 Celestia 的回應後,Sequencer 將其狀態根發送到 Dymension Hub 進行共識形成和結算。
Dymension Hub作為整個生態的中心,承擔著共識層和結算層的功能。它接收來自RollApp的狀態根,並為RollApps提供最終的交易確認和結算服務。
透過這樣的設計,Rollup可以將共識和結算的任務委託給Dymension Hub,將資料儲存和驗證的任務委託給Celestia等DA網路。這樣,Rollup 可以共享這兩個網路的經濟安全,同時專注於提高應用程式本身的執行效率和使用者體驗。
3.3.2 塞夫莫斯
Cevmos 的名字結合了 Celestia、EVMos 和 CosmOS,旨在為 EVM 相容的總和提供結算層。
由於Cevmos本身就是一個rollup,因此所有建立在其之上的rollup都統稱為結算rollup。每個 rollup 都會透過與 Cevmos rollup 的最小化雙向信任橋重新部署以太坊上現有的 rollup 合約和應用程序,從而減少遷移的工作量。 Cevmos 上的 Rollups 會將資料發佈到 Cevmos,然後 Cevmos 將資料批量發佈到 Celestia。就像以太坊一樣,Cevmos 將作為結算層執行總結證明。
4. 比特幣生態系中的模組化區塊鏈
隨著Ordinals協議帶來的銘文創富效應以及比特幣ETF的獲批,多重利好因素匯聚,為比特幣生態注入新的活力。市場注意力迅速被比特幣生態吸引,機構投資者資金也紛紛湧入該領域,顯示出對比特幣生態未來發展的信心和期望。
在此背景下,比特幣Layer 2技術蓬勃發展,眾多技術方案不斷湧現,形成了多元化且充滿活力的科技生態系統。各種創新解決方案不斷湧現,共同推動比特幣網路的擴展和優化。
儘管業界對於比特幣 Layer 2 的精確定義尚未達成統一共識,但本文將藉鏡以太坊模組化區塊鏈的概念,從模組化的角度探討建構比特幣 Layer 2 的可能性和方法。
4.1 為什麼比特幣需要模組化?
以太坊網路以其圖靈完整的智慧合約功能而聞名,它可以儲存和驗證歷史狀態,從而支援複雜的去中心化應用程式(DApp)。相較之下,比特幣網路是一個無狀態、非智慧合約的網絡,其在系統設計上的不完美主要源自於兩個面向:
1、UTXO帳戶體系的局限性
在區塊鏈世界中,保存記錄的方式主要有兩種:帳戶/餘額模型和UTXO模型。比特幣使用的 UTXO 模型與以太坊使用的帳戶/餘額模型形成鮮明對比。
在比特幣系統中,雖然用戶在錢包中看到帳戶餘額,但實際上,中本聰設計的比特幣系統並沒有包含餘額的概念。所謂比特幣餘額,其實是基於UTXO的錢包應用程式衍生出來的概念。 UTXO代表未花費的交易輸出,是比特幣交易產生和驗證的核心。每筆比特幣交易都由輸入和輸出組成。每筆交易都會消耗(花費)一個或多個輸入並產生新的輸出。這些新產生的輸出然後成為新的 UTXO,等待被未來的交易消耗。
UTXO模型作為資產轉移和結算的極簡技術架構,很難擴展以支援智慧合約等複雜功能。
2. 非圖靈完備的腳本語言
比特幣腳本語言不支援所有類型的計算,並且由於缺乏循環和條件控制語句,它不是圖靈完備的。雖然這項功能有助於減少駭客攻擊並提高網路安全性,但它也限制了比特幣執行複雜智慧合約的能力。
由於比特幣系統設計的不完善,需要依賴外部模組化擴充來實現更複雜的功能。就這一點而言,比特幣對於模組化的需求無疑比以太坊更為迫切。其生態系中的執行層、資料可用層、共識層、跨鏈互通層都需要以模組化的方式進行封裝與擴展。
4.2 比特幣生態系統模組化專案分析
4.2.1 執行層-比特幣第2層
梅林
Merlin Chain目前在比特幣Layer 2賽道中TVL最高,達到數十億美元,可以說是比特幣生態系統中最具吸引力的項目。 Merlin Chain作為比特幣二層網絡,支援多種原生比特幣資產,同時也相容於EVM,體現了其對比特幣生態和以太坊生態的雙重考慮。
資料來源:https://defillama.com/chain/Merlin
Merlin 的功能圍繞著 ZK-Rollup 網路、去中心化預言機網路和鏈上詐欺預防。
ZK-Rollup 網路
ZK-Rollups 的核心是使用零知識證明,這是一種加密方法,允許一方(證明者)向另一方(驗證者)證明某個陳述是正確的,除了證明該陳述之外,不透露任何信息。
Merlin Chain 在鏈外處理和計算交易,以避免比特幣網路上的高額交易費用和網路擁塞。同時,ZK-rollup可以將多個交易證明批量壓縮,比特幣主鏈只需要驗證打包多個交易的單一證明,大大減少了主鏈的工作量,提高了交易效率。
去中心化預言機網絡
Merlins去中心化預言機網路相當於DAC(資料可用性委員會)的作用,檢查並確保排序者已將完整的DA資料如實發佈到鏈下。預言機網絡的去中心化之處在於它採取了POS的形式。任何承諾足夠資產的人都可以運行預言機節點。這種質押機制非常靈活,支援BTC、MERL等資產,也支援類似Lido的代理質押。
鏈上詐欺預防
Merlin引入了BitVM的思想,同時也採用了樂觀的ZK-Rollup機制。可以簡單理解為假設所有的ZK Proof都是可信的,只在出現錯誤時懲罰操作者。由於驗證是在比特幣主網上進行的,在比特幣鏈上,由於技術限制,無法完全驗證ZK Proof,特殊情況下只能驗證ZK Proof計算過程中的某一步驟。因此,人們只能選擇在鏈下驗證過程中指出ZKP的某個計算步驟有錯誤,並透過詐欺證明來挑戰。
4.2.2 資料可用層共識層
B²網絡
B²網路採用模組化設計,Rollup層(ZK-Rollup)負責執行,資料可用性層(B²Hub)負責資料存儲,B²節點進行鏈下驗證。最終結算層是比特幣主網。
B² Networks ZK-Rollup 層採用 zkEVM 解決方案,負責在第二層網路內執行使用者交易並輸出相關證明。 Rollup層負責提交和處理用戶交易,而DA層負責儲存聚合資料的副本並驗證相關的零知識證明。
來源: https://docs.bsquared.network
B² Hub 是一個鏈下構建的 DA 網絡,支援數據採樣,被認為是模組化比特幣擴容解決方案的先驅。 B²Hub借鑒了Celestia的設計思想,引入了資料採樣和糾刪碼技術,保證新資料能夠快速分發到眾多外部節點,最大限度地降低資料被扣留的風險。此外,B² Hub 中的 Committer 將 DA 資料的儲存索引和資料哈希上傳到比特幣鏈上供公眾存取。
來源: https://blog.bsquared.network
根據B² Network的未來規劃,相容於EVM的B² Hub有望成為多個比特幣Layer 2的鏈下驗證層和DA層,形成比特幣鏈下的功能擴展層。鑑於比特幣本身無法支援許多應用場景,鏈下建立功能擴展層的方法將成為 Layer 2 生態中越來越普遍的現象。
作為比特幣第一個模組化的第三方DA層,B²Hub可以幫助其他比特幣Layer 2使用比特幣主鏈作為最終結算層並繼承比特幣的安全性,有利於促進比特幣網路的擴展和增強其應用的多樣性。
5. 結論
「模組化是未來」的口號正逐漸從想法變成現實。模組化區塊鏈技術以其靈活性和可擴展性,為建立下一代去中心化應用程式提供了堅實的基礎。該技術允許開發者根據具體需求選擇和組合不同的模組,從而創建更有效率、安全且易於維護的區塊鏈解決方案。
模組化區塊鏈的興起代表了一種更基於靈魂的可插拔產品方法。在這種方法中,區塊鏈不再被視為一個封閉的系統,而是一個開放的、可擴展的平台,可以像樂高積木一樣輕鬆地插入和拔出各種服務和功能。這種靈活性使開發人員能夠根據特定應用場景的需求快速建立和部署區塊鏈解決方案。
模組化技術起源於以太坊生態,後來在比特幣生態中嶄露頭角,已應用於加密貨幣產業的各個賽道。例如,採用關聯式資料庫技術的模組化公鏈 Chromia,在遊戲領域與《我的鄰居愛麗絲》、《聯盟鏈》等多個遊戲合作;在 RWA 軌道上,Chromia 創建了 Ledger 數位資產協議,該協議已被多個專案採用。在AI領域,CARV專注於為AI和Web3遊戲建立模組化資料層,並利用可信任執行環境(TEE)和零知識證明等技術確保資料處理過程中的隱私和安全。
隨著模組化區塊鏈技術的不斷成熟和應用領域的不斷拓展,我們有理由相信這項技術將為各行各業帶來更多的創新可能。從比特幣的誕生到今天模組化區塊鏈的廣泛應用,我們見證了區塊鏈技術如何從單一的數位貨幣應用演變為支援複雜多樣應用的生態系統。未來,模組化區塊鏈將持續推動技術進步,為建立更開放、靈活、安全的數位世界奠定基礎。
參考:
【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=1ref=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
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