详解模块化区块链设计:解决「不可能三角」关键

模块化将是解决区块链三难问题的关键,并带来一个安全、可扩展、去中心化的多链未来。由于对 L2 的使用,并且即将进行合并,目前以太坊的形式是半模块化的。

详解模块化区块链设计:解决「不可能三角」关键

关键见解

模块化将是解决区块链三难问题的关键,并带来一个安全、可扩展、去中心化的多链未来。

由于对 L2 的使用,并且即将进行合并,目前以太坊的形式是半模块化的。

当单片区块链在分解时,主要执行三个功能:执行、共识和数据可用性。另一方面,模块化区块链是为了容纳单片区块链的单一组件而建立的。例如,权益(PoS)共识链将会拥有自己独特的验证者集,而不被其他组件共享。

单片链面临着区块链的三难问题,当涉及到安全、可扩展性和去中心化时,它可以充分地优化 3 个中的 2 个。随着采用率的增加,让一个网络管理所有功能的做法严重限制了其中一个领域的增长,在以太坊的情况下,这就是可扩展性。在这个意义上,专门化带来了可扩展性。

当在一般的区块链架构和以太坊即将到来的更新之间划分说明时,就可以更好地理解模块化对话。本报告标志着一个系列的开始,该系列将通过模块化景观的所有组件和参与者展开。在这个系列中,我们将深入研究模块化堆栈的每个组件,以了解各项目如何为模块化多链的未来做准备。

区块链的组成部分

区块链的基本目的是保持一个诚实的、不可更改的交易或数据的账本。它由几个关键部分组成,并保持这个账本的验证和增长。将其抽离出来,有三个主要功能:共识、数据可用性和执行。

共识:区块链的状态是通过排序数据和防止双花(double-spend)来进行验证和保障的,这个过程称为共识。典型的共识机制包括权益证明(PoS),工作量证明(PoW),或 Solana 案例中的历史证明(PoH)。共识提供了安全性,因为它确保所有添加的交易都是有效的。

数据可用性:区块链的工作是确保在第一层(L1)上验证并附加到链上的数据现在是可用的,透明的,并且供整个节点网络查看(与存储层不同)。在模块方面的例子是 Polygon Avail 和 Celestia,它们正在建立独立的数据可用性和共识层,同时依靠其他链进行结算和执行。

执行:在交易发生时,执行层对智能合约进行操作,以更新链的状态。计算改变了区块链的状态,并以智能合约或签署的交易来提示。Rollups 是第二层(L2)链,继承了它所发布的 L1 的功能。它们执行执行层的工作,而共识和数据可用性则外包给其他网络。在这里面,有几种风味的 rollups,但 Optimistic 和 ZK-rollups 通常是最受欢迎的,它们是根据验证交易和存储数据回到父链的方式来进行分类的。

结算:这是验证有效性证明或解决争议的地方——它也是发生最终结果的地方,并被嵌入到单片模型中。对于带有 rollup 的模块化堆栈来说,这是一个可选的执行层,有一个信任最小化的桥来连接 rollup。这为 rollup 提供了一个桥接流动性的地方,同时保持代币的同质化性质。以太坊也可以作为 rollup 的结算层。

一点区块链历史

比特币引入了单片区块链模式,这是一个特定的应用网络。由于其区块大小限制和 PoW 共识机制,它每秒只能处理 7 笔交易(TPS)。在此之后,以太坊成为第一个通用的智能合约区块链,由于使用量突然达到峰值,随着对区块空间的需求增加,它面临着严重的拥堵。目前,它的上限为 15 TPS,由于其架构以及注重维护去中心化,它的区块空间受到限制。

随着更多的交易涌入网络,比特币也面临着可扩展性问题;在一个 PoW 网络中,费用被支付给产生新区块的矿工。比特币在实施支付批次处理后,费用开始下降,以帮助扩大网络规模。平均交易费是在矿工处理完一笔交易后计算的。

详解模块化区块链设计:解决「不可能三角」关键

然而,以太坊的交易费用随着其使用量的增加而持续增加,甚至飙升至每笔交易 200 美元的高位。虽然以太坊提供了一个安全的 L1,具有足够的去中心化,但它难以按照最初的架构进行扩展。随着我们接近合并,rollups 和 L2 已经为以太坊提供了某种程度的模块化,以便通过将交易转移到链下来尽可能地减少费用。

另一方面,Solana,一个单片链,以去中心化换取高吞吐量。它对运行验证者节点的硬件要求较高,从而引起了对安全和中心化的关注,因为较少人能够承担这种责任。另一方面,在理论上 Solana 可以处理 65,000 TPS。

为了给用户提供一个可用的、安全的体验,多链的未来迫在眉睫。在这种需求下,较新的链将选择模块化的结构来处理更高的、更安全的吞吐量。

模块化的景观

单片链以通用的方式在一个地方执行所有的功能,但模块化的组件将这些层分开。例如,L2 只执行计算,但它们从它们发布的基础层继承了安全性。以太坊有稳定的安全性,这是因为它的哈希率(hashrate),即衡量每秒总计算能力的 PoW 矿工的结果。摆脱这种结构意味着需要对模块化共识层的安全性给予极大的信任。模块化堆栈中共享结算层的另一个好处是,rollup 和其他专业链可以在同一个 L1 上结算,并分摊使用成本。

让我们来看看模块化堆栈的现状,以及它是如何胜过单片模式的。

执行

以太坊虚拟机(EVM)是一个通用的虚拟计算机。它的操作码,或指令,为了执行任务,能够计算几乎任何逻辑,这使得它成为智能合约链的理想选择。然而,EVM 在存储和预建功能方面有其局限性。为了赋予区块链开发者更多的可定制性,模块化的执行环境也正在被开发。

诸如此类的设置允许开发人员增加对执行环境的实验,如 FuelVM,以及对 EVM 进行创新的能力。

共识与数据可用性

Celestia 一开始是 LazyLedger,顾名思义,它是一个不验证交易的账本,但能存储任何发布到它上面的东西。它是一个独立的数据可用性和共识层,依赖于一个 rollup 的执行。他们的想法是,最终任何人都能开发自己的区块链,而不需要开发自己的共识网络的开销。

该团队还开发了 Celestium,这是一个 Ethereum L2 链,使用 Celestia 进行数据可用性,但使用 Ethereum 进行结算和争议解决。

以太坊的模块化状态

在我们接近合并的时候,以太坊目前的形式是半模块化的,因为在生态系统中引入了 L2s。L2s 提供了将计算转移到链下的能力,以增加基础层的吞吐量。作为 L2 的 Rollups,已经将执行推离以太坊,以达到更高的吞吐量。他们依赖于以太坊的安全性和数据可用性。

详解模块化区块链设计:解决「不可能三角」关键

Rollups 通过在 L1 之外执行交易,但又发布回 L1,来帮助扩展。这种批量交易包括把 rollup 的交易数据作为调用数据(发布到以太坊,但不直接执行)。Validiums 是 ZK-rollups,使用不同的链来提供数据可用性,而不是用于结算,这降低了结算层的预期带宽。

StarkWare 在此基础上进一步发展,并推出了 Volitions。Volition 使终端用户有权选择是在链下(validium)还是在链上(general rollup)发布数据。

详解模块化区块链设计:解决「不可能三角」关键
Source: Messari

这里也有一些误解,认为合并后,L2 将不再被利用。然而,合并将使以太坊转向 PoS 共识系统,这不会改善可扩展性,因此 L2 将继续被大量利用。ETH2 将提供数据可用性和共识层,而执行将由 rollups 处理。随之而来的是,通过分片对交易处理的横向扩展将提高数据的可用性。

讨论的其他内容

多链的未来意味着每个人最终都会想要建立和运营一个区块链。然而,围绕着采用多链的未来是什么样子,以及可能的用例是什么,仍有未解答的问题。例如,在多链的未来,独立的模块链将如何获取和捕获价值?

模块化的需求产生于以太坊有限的扩展能力。在未来,随着下一个 10 亿用户的加入,这将是其他区块链会感受到的相同痛点。当我们着眼于多链的未来时,模块化是至关重要的。模块化将是解决区块链三难问题的关键,并为我们带来一个安全、可扩展和去中心化的多链未来。

(声明:请读者严格遵守所在地法律法规,本文不代表任何投资建议)

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