一文说透模块化：关于 Rollups 扩展问题

　　模块化区块链通过功能模块化和按需扩展各模块，比传统汇总式设计实现扩展性更佳。

　　作者：zerokn0wledge / 来源：https://chronicle.castlecapital.vc/p/modular-thesis-scaling-

　　翻译：白话区块链

　　在模块化有关文章中提到，我们将共同改变构建和利用区块链的方式。此外，当我们进入牛市的炒作和活动加剧时，以模块化为中心的设计可实现可扩展且安全的执行层！

　　在整体网络（例如以太坊和Solana）中，执行、结算和共识/数据可用性（DA）都统一在一层中：

　　1）数据可用性：所有网络参与者（至少在一定时间内）都可以访问和检索发布到网络的任何数据的概念。 2）执行：定义区块链上的节点如何处理交易，并在状态之间转换它们。 3）结算：最终性（概率性或确定性）是提交到链上的交易保证。只有当链确信交易有效性时才会发生这种情况。因此，结算意味着验证交易、验证证据和仲裁争议。 4）共识：节点同意区块链上哪些数据可以被验证真实和准确的机制。

　　整体区块链架构（来源：Celestia）

　　虽然整体设计方法有其自身的一些优点（例如降低复杂性和提高可组合性），但它不一定能够很好地扩展。这就是为什么模块化设计将这些功能分开，让它们在单独的专用层上执行。

　　因此，模块化设计空间包括： -执行层（汇总） -结算层（例如以太坊） -共识/DA 层（例如Celestia）

　　模块化区块链架构（来源：Celestia）

　　更广泛地说，模块化区块链还包括：%20-测序解决方案，%20-证明解决方案，%20-互操作性解决方案，%20-专注于订单流抽象的项目%20-各种基础设施提供商（汇总框架、汇总即服务解决方案和其他工具）

　　在这篇简短的介绍性文章中，重点在于我们如何获得基于汇总（又称模块化）的扩展解决方案，然后我们将在接下来的几周的新系列中深入探讨模块化区块链系统的细微差别。

　　自区块链诞生以来，扩展区块链的吞吐量一直是该领域研究和开发的主要焦点。毫无疑问，要实现真正的“大规模采用”，区块链必须能够扩展。简单定义，可扩展性是网络快速、低成本处理大量交易的能力。因此，这意味着随着更多用例的出现和网络采用的加速，区块链的性能不会受到影响。根据这个定义，以太坊缺乏可扩展性。

　　随着网络使用量的增加，以太坊上的%20Gas%20价格飙升至不可持续的高水平，最终导致许多小用户完全无法与去中心化应用程序进行交互。例子包括BAYC%20land%20mint（导致gas费飙升至8000%20gwei）或artblocks%20NFT下降（导致gas费飙升至1000%20gwei以上）——作为参考，当时gas费为6%20gwei写作。诸如此类的实例为替代性的、更具“可扩展性”的%20L1%20区块链（即Solana）提供了蚕食以太坊市场份额的机会。然而，这也刺激了围绕增加以太坊网络吞吐量的创新。

　　然而，这些%20Alt-L1%20所采取的扩展方法通常是以去中心化和安全性为代价的。例如，像Solana这样的%20Alt-L1%20链选择使用较小的验证器集，并增加了验证器的硬件要求。虽然这提高了网络验证链并保持其状态的能力，但它减少了可以自己验证链的人数，并增加了网络参与的进入壁垒。这种冲突也称为区块链三难困境（如下图所示）。该概念基于这样的想法：区块链无法同时达到任何区块链网络应努力具备的所有三个核心品质（可扩展性、安全性和去中心化）。

　　区块链三难困境（来源：SEBA Research）

　　当我们考虑上述硬件要求的增加时，这一点就变得很清楚。为了扩展吞吐量，Alt-L1 链必须利用更加中心化的网络结构，用户必须信任少量具有高规格机器的验证器。为了可扩展性，这牺牲了区块链三难的两个方面：去中心化和安全性。此外，由于需要更强大的硬件，运行节点也变得更加昂贵（不仅是硬件本身，还包括带宽和存储）。这极大地损害了网络的去中心化，因为运行节点的进入壁垒急剧增加，因此可以参与验证网络的人越来越少。

　　由于去中心化和包容性是以太坊社区的两个核心价值观，因此用一小组高规格节点运行链并不是一条合适的前进道路也就不足为奇了。Vitalik Buterin 甚至认为“让普通用户能够运行节点对于区块链去中心化至关重要”。因此，其他扩展方法受到了关注。以太坊社区已经尝试使用侧链、等离子和状态通道来解决可扩展性问题，所有这些都具有某些缺点，导致它们不是最佳解决方案。许多 Alt-L1 区块链选择采用的一种扩展方法就是所谓的同质执行分片。在相当长的一段时间里，这似乎也是以太坊最有前途的解决方案（在旧的 ETH 2.0 路线图的背景下）。

　　同类执行分片是一种扩展方法，旨在通过将事务处理工作负载划分为多个称为分片的较小单元（验证器子集）来提高区块链网络的吞吐量和容量。每个分片独立且并发地运行，处理自己的一组事务并维护单独的状态。目标是实现事务的并行执行，从而提高整体网络容量和速度。Harmony 和以太坊 2.0（仅限旧路线图！）是扩展计划的两个示例，它们已采用或至少考虑将同构执行分片作为其扩展策略的一部分。

　　执行分片的简化可视化

　　Harmony 是一个 Alt-L1 区块链平台，旨在为去中心化应用程序 (dApp) 提供可扩展、安全且节能的基础设施。它使用基于分片的方法，将网络分为多个分片，每个分片都有自己的一组验证器，负责处理交易和维护本地状态。验证者被随机分配到分片，确保资源的公平和平衡分配。

　　跨分片通信是通过一种称为“收据”的机制来促进的，该机制允许分片将有关事务导致的状态更改的信息发送到其他分片。这使得驻留在不同分片上的 dApp 和智能合约之间能够无缝交互，而不会影响网络的安全性和完整性。

　　以太坊 2.0 是对以太坊网络的持续升级，旨在解决原始基于工作量证明 (PoW) 的以太坊版本所面临的可扩展性、安全性和可持续性问题。旧的以太坊 2.0 路线图提出了多阶段部署，将网络过渡到权益证明 (PoS) 共识机制（我们最终在去年秋天看到了这一点），并引入执行分片以提高可扩展性。根据这个最初的计划，以太坊 2.0 将由一条信标链和 64 条分片链组成。信标链旨在管理 PoS 协议、验证者注册和跨分片通信。

　　另一方面，分片链是单独的链，负责处理交易并并行维护单独的状态。验证者将被分配到一个分片，定期轮换以维护网络的安全性和去中心化。信标链将跟踪验证者分配并管理最终确定分片链数据的过程。计划通过一种称为“交叉链接”的机制来促进跨分片通信，该机制会定期将分片链数据捆绑到信标链中，从而允许状态更改在整个网络中传播。

　　但是，虽然同质执行分片承诺了巨大的可扩展性，但它确实以安全权衡为代价，因为验证器被分成更小的子集，因此网络去中心化受到损害。此外，在分片上提供加密经济安全性的风险价值也降低了。

　　然而，以太坊 2.0 路线图此后不断发展，执行分片已被一种称为数据分片的方法所取代，该方法旨在为称为汇总的更复杂的扩展技术提供可扩展的基础。

　　异构执行分片是一种扩展方法，它将具有不同共识机制、状态模型和功能的多个独立区块链连接到一个可互操作的网络中。这种方法允许每个连接的区块链保持其独特的特性，同时受益于整个生态系统的安全性和可扩展性。采用异构执行分片的两个突出项目示例是Polkadot和Cosmos。

　　Polkadot是一个去中心化平台，旨在实现多个区块链之间的跨链通信和互操作性。其架构由中央中继链、多个平行链和桥接器组成。

　　Polkadot 网络架构的简化可视化（来源：Polkadot Docs）

　　中继链： Polkadot生态中的主链，负责提供安全、共识和跨链通信。中继链上的验证器负责验证交易并生成新块。

　　平行链：连接到中继链的独立区块链，可从其共享的安全性和共识机制中受益，并实现与网络中其他链的互操作性。每个平行链都可以有自己的状态模型、共识机制和针对特定用例定制的专用功能。

　　桥梁：将 Polkadot 连接到外部区块链（如以太坊）并实现这些网络和 Polkadot 生态系统之间的通信和资产转移的组件。

　　Polkadot 使用称为提名权益证明 (NPoS) 的混合共识机制来保护其网络。中继链上的验证者由社区提名来验证交易并生成区块。相反，平行链可以根据其要求使用不同的共识机制。Polkadot 网络架构的一个重要特点是，在设计上，所有平行链都与中继链共享安全性，从而继承了中继链的安全保证。

　　Cosmos是另一个去中心化平台，旨在创建“区块链互联网”，促进不同区块链网络之间的无缝通信和互操作性。它的架构类似于 Polkadot 的架构，由一个中心 Hub、多个 Zone 和 Bridge 组成。

　　Hub： Cosmos 生态系统中的中央区块链，可实现跨链通信并很快实现链间安全（类似于 Polkadot 的共享安全）。Cosmos Hub 使用称为 Tendermint 的权益证明 (PoS) 共识机制，可提供快速最终确定和高吞吐量。理论上，可以有多个集线器。然而，随着 ATOM 2.0 和链间安全性的出现，Cosmos Hub 很可能仍然是 Cosmos 支持的“区块链互联网”的中心。

　　区域：连接到中心的独立区块链，每个区块链都有自己的共识机制、状态模型、功能和验证器集（通常）。区域可以使用称为区块链间通信（IBC）的标准化协议通过集线器相互通信。

　　桥梁：将 Cosmos 生态系统连接到外部区块链的组件，允许 Cosmos 区域和其他网络之间的资产转移和通信。

　　Polkadot 和 Cosmos 都是异构执行分片的例子，因为它们将具有不同功能、共识机制和状态模型的多个独立区块链连接到一个可互操作的生态系统中。这种方法允许每个连接的链保持其独特的特性，同时通过将特定于应用程序的执行层彼此分离来实现可扩展性，同时仍然受益于整个网络的跨链通信和安全功能。

　　Cosmos 和 Polkadot 方法之间的主要区别在于安全模型。Cosmos 采用的方法是特定于应用程序的链（异构分片）必须启动并维护自己的验证器集，而 Polkadot 选择了共享安全模型。在这种共享安全模型下，应用程序链继承了位于生态系统中心的中继链的安全性。后者更接近以太坊希望采用的基于汇总的扩展方法来实现扩展。

　　Rollups