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。

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。