一篇文章看懂模块化：区块链性能瓶颈的可插拔解决方案

作者： @暮光之城

导师： @CryptoScott_ETH

总结

1. 整体区块链 以其全面性而闻名，独立承担网络的各个方面，从数据存储到交易验证等。 模块化区块链， 通过将区块链的不同功能分离为独立的模块，可以为特定功能提供性能支撑和流畅的用户体验，一定程度上解决不可能三角问题。

2. 作为第一个支持智能合约的区块链平台， 以太坊 为模块化设计提供了肥沃的土壤。随着区块链技术的发展， 比特币生态系统 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，比如改进的隐私保护、更高效的交易处理，或增强的智能合约功能。

3. 模块化技术代表着一种更加基于灵魂的 可插拔产品理念 未来将会出现更加灵活、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插拔。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。

1.什么是模块化区块链？

来源：Celestia.org

当我们讨论模块化区块链时，我们必须首先了解 整体区块链 . 比特币、以太坊等单片链以全面性著称，独立承担了网络的各个环节，从数据存储到交易验证再到智能合约执行，在这个过程中，单片链扮演着多面手的角色，涉及到各个方面。

以以太坊为例，成熟的单一区块链一般可以分为四种架构：

• 执行层

• 结算层

• 数据可用性层

• 共识层

下图把区块链上的记账比喻成一场球赛，详细解释了架构中各层的作用：

通过这个类比，我们可以更清楚地理解区块链的各个架构是如何协同工作的。单片区块链是将所有功能集中在同一条链上执行，而 模块化区块链 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，每个组件或层负责处理共识、数据可用性、执行和结算等特定任务。模块化区块链就像一群专注于各自领域的深度挖掘和技术创新的专家。这种专注使得模块化区块链能够在特定功能上提供出色的性能和用户体验。例如，它们可以以更低的成本提供更快的交易处理速度。

按照 节点架构 相比之下，单片链依赖于全节点，全节点必须下载并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很高的要求，而且限制了网络扩展的速度。相比之下，模块化区块链采用轻节点设计，仅处理区块头信息，显著提高交易速度和网络效率。

模块化区块链的显著优势在于灵活性和协同性，可以将非核心功能外包给其他专家，形成协同效应，实现整体性能的大幅提升。这种设计理念类似于乐高积木，开发者可以根据项目需求自由组合不同的模块，打造多样化的解决方案。单片链虽然在全局管控、安全性、稳定性等方面具有优势，但也面临着可扩展性、升级难度大、适应新需求困难等挑战。模块化区块链具有高度的灵活性和可定制性，简化了新区块链的创建和优化过程。

但模块化区块链也面临着自身独特的挑战，其复杂的架构增加了开发人员在设计、开发和维护方面的工作量。作为新兴技术，模块化区块链尚未经过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。

2.为什么需要模块化区块链？

为何模块化区块链技术受到如此多关注，并被预测为未来趋势？这和区块链领域著名的不可能三角理论息息相关。

来源：chainlink

区块链的不可能三角，是指区块链网络很难同时在安全性、去中心化、可扩展性三个核心属性上达到最优状态。

• 可扩展性 关注网络处理大量交易的能力，以及在用户和交易数量增长的情况下维持高效低成本运营的能力。它通常通过 TPS（每秒交易数）和延迟（确认交易所需的时间）来衡量。

• 安全 指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机制需要攻击者拥有超过全网51%的算力，而以太坊的POS机制则需要超过⅓的节点串通。

• 去中心化 描述网络的运行不依赖于单一的中心节点，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。

不可能三角的核心思想是，一个区块链系统很难同时实现三个特性的最优。例如，在众多公链中，比特币和以太坊由于节点分布广、节点数量充足，在去中心化和安全性方面表现突出。但它们牺牲了一定的可扩展性，导致交易速度较慢、交易费用较高：比特币的出块时间约为 10 分钟，以太坊的 TPS 约为 13，当交易量激增时，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来解决传统公链的可扩展性和交易成本的挑战。例如比特币的闪电网络、以太坊的 Rollup 技术等都是模块化思维的体现。

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。这种分离不仅提高了性能和效率，还促进了不同区块链之间的互操作性，为构建开放和互联的生态系统提供了基础。

综上所述，模块化区块链技术为解决传统公链的局限性提供了一种新思路，在保持去中心化和安全性的同时，实现了更高的可扩展性和更低的交易成本，对于区块链技术的广泛应用和长远发展具有深远意义。

3. 模块化区块链赛道-项目分析

模块化区块链根据其架构特点可分为不同的类型。在这些类型中，数据可用性层和共识层由于紧密相互依赖，通常被设计为统一的整体。这是因为当一个节点接收交易数据时，它通常还会确定交易的顺序，这是区块链安全性和不可篡改性的核心。

基于这个设计原则，我们可以从执行层、数据可用层、共识层、结算层三个方面来理解模块化区块链的不同项目。

3.1 执行层

Layer 2技术作为区块链架构中执行层的延伸，是模块化区块链理念的一种体现，致力于通过在底层区块链之上构建链下网络、系统或技术来提高主链的可扩展性。

Layer 2 解决方案可以在保持底层区块链的安全性和去中心化的同时，实现更快、更经济的交易处理。根据@0x ning 创建的 dune 仪表板可以看出，以太坊生态系统中 Layer 2 验证和清算平均消耗的 gas 低于 10%，大大节省了用户的交易成本。

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

Rollup 技术是目前最主流的 Layer 2 解决方案，其核心理念是链下执行、链上验证，将计算等任务在链下进行，再将 calldata 上传回主网。

链下执行

在 Rollup 模型中，交易在链下执行，底层区块链只负责验证智能合约中的交易证明和存储原始交易数据。这种设计大大减轻了主链的计算负担并降低了存储要求，从而可以更高效地处理交易。

为了进一步降低成本，Rollup 采用了交易打包技术。这可以比喻为物流中货物的集装箱化。如果将每件物品分开发送，会产生高昂的运费。而 Rollup 技术通过将多笔交易打包在一起，只需要一次运输，大大降低了每笔交易的成本。

链上验证

链上验证是二层网络安全性的关键，二层网络必须提供密码学证明来解决底层区块链上的潜在分歧。目前主流的两种证明机制是欺诈证明和有效性证明，分别支持 Optimistic Rollups 和 ZK Rollups。

Optimistic Rollups 的错误证明

Optimistic Rollups 采用乐观假设，即除非有明显证据表明存在错误，否则所有交易默认有效。该模型依赖于挑战期间的错误证明（欺诈证明），任何网络参与者都可以提交证明来挑战智能合约的状态，从而确保网络的公平性和透明性。

根据 L2 BEAT 数据显示，目前共有 16 个 Layer 2 采用 Optimistic Rollups 机制，例如：Arbitrum、OP、Base、Blast 等。

资料来源：l2 beat.com

ZK Rollups 的有效性证明

与 Optimistic Rollups 不同，ZK Rollups 采取了更为谨慎的做法，要求所有交易在被接受之前都必须经过证明。这种证明机制类似于一个验证过程，确保第二层网络中的每个交易和计算都是准确的。简而言之，有效性证明是 ZK-Rollups 的基石，它要求每一批交易都附有相应的证明，从而确保底层区块链上的智能合约能够验证和批准状态变化。对于验证节点来说，ZK Rollups 提供了一种零错误结算机制，因为每笔交易都必须经过严格的有效性验证。

根据 L2 BEAT 数据显示，目前共有 11 个 Layer 2 采用 ZK Rollups 机制，例如 Linea、Starknet、zkSync 等。

资料来源：l2 beat.com

3.2 数据可用性层和共识层

3.2.1 塞拉斯蒂亚

作为模块化区块链领域的先驱，Celestia 本质上是一个数据可用性层，为 dApp 和 Rollups 的开发提供了坚实的基础。通过部署在 Celestia 的数据可用性层和共识层上，应用开发者可以专注于优化执行逻辑，将数据可用性和共识机制的复杂性留给 Celestia。

Celestia的架构设计提供了多种模块化扩展的解决方案，其架构主要包括以下三种类型：

1. 主权卷 ：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。

2. 结算汇总（ 如Cevmos项目）：基于Celestia提供的DA和共识层，Cevmos提供结算层服务，而应用链则承担执行层的角色。

3. 天青 ：数据可用性层由Celestia管理，共识层和结算层依托以太坊强大的网络，应用链继续专注于执行层。

Celestia 采用多项创新技术，大幅降低数据存储成本，优化存储效率。

擦除编码技术

Celestia 的创新之一是纠删码的应用，在 Mustafa Albasan（Celestia 创始人之一）和 Vitalik Buterin 合著的论文《Data Availability Sampling and Fraud Proofs》中提出了一种新的架构思路，即全节点负责区块生产，轻节点负责区块验证。纠删码技术在数据传输过程中引入冗余，确保即使在高达 50% 的数据丢失情况下，也能完全恢复原始数据区块。

这种机制意味着，为了保证区块数据的 100% 可用性，区块生产者只需要将 50% 的区块数据发布到网络即可。如果一个恶意生产者试图篡改 1% 的区块数据，那么他们实际上需要篡改整个 50% 的数据，这大大增加了恶意行为者的成本。

数据可用性抽样

Celestia 通过引入数据可用性采样（DAS）技术解决了区块链的可扩展性问题。DAS 工作流程包括以下关键步骤：

1. 随机抽样 ：轻节点对区块数据进行多轮随机采样，每次仅请求一小部分区块数据。

2. 逐渐增强信心 ：随着轻节点完成更多轮采样，其对数据可用性的信心逐渐增强。

3. 达到信心阈值 ：一旦轻节点通过采样达到了预先设定的置信度（比如99%），就认为该区块的数据可用。

这种机制使得轻节点无需下载整个区块数据即可验证区块数据的可用性，保证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，从而提高了区块生产率。每个区块拥有更多空间，可以容纳更多的采样数据，从而显著提高 TPS（每秒交易数）。

3.2.2 特征层

EigenDA 是一项安全、高吞吐量、去中心化的数据可用性服务，是 EigenLayer 上线的第一个主动验证服务（AVS）。AVS 可以理解为节点运营商，是以太坊上成千上万个节点运营商中的一部分。他们在主要工作（负责以太坊共识验证）的基础上，承担一些额外的私活（服务于 rollup 等有共识验证需求的网络）以获取额外收入。随着未来以太坊 re-stake 数量的增多，以及更多 AVS 加入 EigenLayer 生态，Rollups 可以在 EigenLayer 生态中获得更低的交易成本和更高的安全可组合性。

EigenLayer 是基于以太坊的重新质押协议，利用以太坊共识层的质押者作为验证者，利用以太坊的部分安全性规避中心化服务商或自身代币的信任风险，从而降低其他项目的开发门槛，同时也增强了以太坊的信任网络，提升了以太坊的价值和影响力。

从架构上看，EigenDA 采用 ZK 技术对 Layer 2 提交的状态数据进行验证，由 EigenDA 网络负责最终性，而 EigenDA 网络的共识安全性则由 Restaking ETH 来保证。最终将 Layer 2 的状态数据提交并保存到以太坊主网。因此，EigenDA 相当于以太坊主网 DA 服务验证和最终性的分包商，而非 Celestia 这样的竞争对手。

3.2.3 可用性

Avail 是 Polygon 团队于 2023 年 6 月宣布的模块化区块链项目，今年 3 月从 Polygon 拆分出来，作为独立实体运营。Avail 目前在测试网运行，刚刚完成由 Dragonfly 和 Cyber Fund 领投的 $4300 万美元 A 轮融资。

Avail 的核心架构主要由三部分组成：Avail DA、Avail Nexus、Avail Fusion。Avail DA 是一个模块化的数据可用性层，与 Celestia 类似，为各种区块链提供 DA 服务。Avail Nexus 是一种标准化的跨链消息传递协议，类似于 Cosmos IBC 协议，为各种跨链之间提供平等的互操作性。Avail Fusion 引入了多资产质押 POS 共识，目标是为整个 Avail 网络提供安全的共识保障。

从技术上来说，Avail DA 采用 Kate 多项式承诺来规避欺诈证明，不需要假设大多数节点是诚实的，也不依赖全节点来提供数据，这与基于欺诈证明的 Celestias 架构不同，因此两者在技术层面有着本质的区别。

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战争将会愈演愈烈，以太坊作为DA层的功能性也将被分流，未来很有可能出现一超多强的竞争格局。

3.3 结算层

3.3.1 动态

Dymension 是一个基于 Cosmos 的模块化区块链平台，通过内置的可扩展性 Rollup 技术为 RollApp 开发提供了简洁的框架。在 Dymension 架构中，开发者可以专注于业务逻辑的实现，并使用 Rollup 开发套件（RDK）和专用的结算层为特定应用快速部署 Rollups。

Dymension 的架构由两个核心组件组成：RollApp 和 Dymension Hub。

RollApp 是 Rollup 与 App 的融合，是 Dymension 上专用于特定应用的高性能模块化区块链。RollApp 可以呈现多种形式，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，Sequencer 在验证、排序和处理本地交易方面起着关键作用。区块打包后，数据将传递给对等全节点，并在链上发布到 RollApp 选择的数据可用性网络，例如 Celestia。在收到 Celestia 的响应后，Sequencer 将其状态根发送到 Dymension Hub 进行共识形成和结算。

Dymension Hub作为整个生态的中心，承担着共识层和结算层的功能，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。

通过这样的设计，Rollup 可以将共识和结算的任务委托给 Dymension Hub，将数据存储和验证的任务委托给 Celestia 等 DA 网络。这样，Rollup 可以共享这两个网络的经济安全，同时专注于提高应用程序本身的执行效率和用户体验。

3.3.2 Cevmos

Cevmos 的名字结合了 Celestia、EVMos 和 CosmOS，旨在为与 EVM 兼容的汇总提供结算层。

由于 Cevmos 本身是一个 rollup，因此在其上构建的所有 rollup 统称为结算 rollup。每个 rollup 通过与 Cevmos rollup 建立最小化的双向信任桥，重新部署以太坊上现有的 rollup 合约和应用程序，从而减少迁移的工作量。Cevmos 上的 Rollup 会将数据发布到 Cevmos，然后 Cevmos 将数据批量发布到 Celestia。与以太坊一样，Cevmos 将作为结算层执行 rollup 证明。

4. 比特币生态系统中的模块化区块链

随着Ordinals协议带来的铭文创富效应以及比特币ETF的获批，多重利好因素汇聚，为比特币生态注入新的活力，市场注意力迅速被吸引到比特币生态中，机构投资者资金也纷纷涌入该领域，展现出对比特币生态未来发展的信心与期待。

在此背景下，比特币Layer2技术蓬勃发展，众多技术方案不断涌现，形成了多元化、充满活力的技术生态，各类创新解决方案不断涌现，共同推动着比特币网络的扩展和优化。

虽然业界对于比特币Layer2的精准定义尚未达成统一共识，但本文将借鉴以太坊模块化区块链的理念，从模块化的角度探讨构建比特币Layer2的可能性和方法。

4.1 比特币为什么需要模块化？

以太坊网络以图灵完备的智能合约功能而闻名，可以存储和验证历史状态，从而支持复杂的去中心化应用（DApp）。而比特币网络是一个无状态、非智能合约的网络，其系统设计的不完善主要体现在两个方面：

1. UTXO账户体系的局限性

在区块链世界中，记录的保存方式主要有两种：账户/余额模型和UTXO模型。比特币使用的UTXO模型与以太坊使用的账户/余额模型形成了鲜明的对比。

在比特币系统中，虽然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没有余额的概念。所谓比特币余额，其实是基于 UTXO 而衍生于钱包应用的概念。UTXO 代表未花费交易输出，是比特币交易生成和验证的核心。每一笔比特币交易都由输入和输出组成。每笔交易都会消耗（花费）一个或多个输入，并生成新的输出。这些新生成的输出随后成为新的 UTXO，等待被未来的交易消耗。

UTXO模型作为一种极简的资产转移和结算技术架构，很难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，而且由于缺乏循环和条件控制语句，它不是图灵完备的。这一特性虽然有助于减少黑客攻击，提高网络安全性，但也限制了比特币执行复杂智能合约的能力。

由于比特币系统本身设计的不完善，需要依赖外部模块化扩展来实现更为复杂的功能。在这方面，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、跨链互操作层等都需要以模块化的方式进行封装和扩展。

4.2 比特币生态系统模块化项目分析

4.2.1 执行层——比特币第 2 层

梅林

Merlin Chain 目前是比特币 Layer 2 赛道中 TVL 最高的项目，达到数十亿美元，可以说是比特币生态中最具吸引力的项目。作为比特币 Layer 2 网络，Merlin Chain 在兼容 EVM 的同时，支持多种比特币原生资产，彰显了其对比特币生态和以太坊生态的双重考量。

来源：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欺诈预防展开。

ZK-Rollup 网络

ZK-Rollups 的核心是使用零知识证明，这是一种加密方法，允许一方（证明方）向另一方（验证方）证明某个陈述是正确的，而无需透露除了证明该陈述正确之外的任何其他信息。

Merlin Chain 将交易处理和计算放在链下，避免了比特币网络的高昂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，比特币主链只需验证一个打包多笔交易的单一证明，大大减少了主链的工作量，提高了交易效率。

去中心化预言机网络

Merlin 的去中心化预言机网络相当于 DAC（数据可用性委员会）的角色，检查并确保排序者在链下真实发布了完整的 DA 数据。预言机网络的去中心化在于它采用 POS 形式，任何人质押足够资产即可运行预言机节点。这种质押机制非常灵活，支持 BTC、MERL 等资产，以及类似 Lido 的代理质押。

链上欺诈预防

Merlin 引入了 BitVM 的思想，同样采用了乐观的 ZK-Rollup 机制。可以简单理解为假设所有的 ZK Proof 都是值得信任的，只在出现错误时惩罚操作者。因为验证是在比特币主网上进行的，在比特币链上，由于技术限制，无法对 ZK Proof 进行完全验证，在特殊情况下只能验证 ZK Proof 计算过程的某一步。因此人们只能选择在链下验证过程中指出 ZKP 的某一计算步骤存在错误，通过错误性证明来挑战它。

4.2.2 数据可用性层共识层

B² 网络

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）负责数据存储，B² Node 进行链下验证，最终的结算层为比特币主网。

B² Networks ZK-Rollup 层采用 zkEVM 方案，负责在第二层网络内执行用户交易并输出相关证明。Rollup 层负责提交和处理用户交易，DA 层负责存储聚合数据的副本并验证相关零知识证明。

来源： https://docs.bsquared.network

B² Hub 是一个链下构建的支持数据采样的 DA 网络，被认为是模块化比特币扩容方案的先驱。B² Hub 借鉴了 Celestia 的设计思想，引入了数据采样和纠删码技术，确保新数据能够快速分发到众多外部节点，最大程度降低数据被扣留的风险。此外，B² Hub 中的 Committer 将 DA 数据的存储索引和数据哈希上传到比特币链上，供公众访问。

来源： https://blog.bsquared.network

根据B² Network未来的规划，兼容EVM的B²Hub有望成为多个比特币Layer 2的链下验证层和DA层，形成比特币链下的功能扩展层。考虑到比特币本身无法支撑很多应用场景，链下搭建功能扩展层的方式将会成为Layer 2生态中越来越普遍的现象。

B²Hub作为比特币首个模块化第三方DA层，可以帮助其他比特币Layer 2使用比特币主链作为最终结算层，并继承比特币的安全性，有利于促进比特币网络的扩容，增强其应用的多样性。

5. 结论

“模块化就是未来”这一口号正逐渐从理念变成现实。模块化区块链技术凭借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。该技术允许开发人员根据特定需求选择和组合不同的模块，从而创建更高效、更安全、更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有灵魂的可插拔产品方式。在这种方式下，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。这种灵活性使开发人员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。

发源于以太坊生态，随后在比特币生态崭露头角的模块化技术已应用于加密货币行业的各个赛道。例如，在游戏领域，采用关系型数据库技术的模块化公链 Chromia 与 My Neighbor Alice、Chain of Alliance 等多款游戏展开合作；在 RWA 赛道，Chromia 独创 Ledger Digital Asset Protocol，并被多个项目采用。在 AI 领域，CARV 专注于为 AI 和 Web3 游戏构建模块化数据层，并利用可信执行环境 (TEE)、零知识证明等技术确保数据处理过程中的隐私安全。

随着模块化区块链技术的不断成熟和应用领域的不断拓展，我们有理由相信这项技术将为各行各业带来更多的创新可能。从比特币的诞生到如今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为支持复杂多样应用的生态系统。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、安全的数字世界奠定基础。

参考：

【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

【10】 https://web3caff.com/zh/archives/90232

【11】 https://www.theblockbeats.info/news/50536

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