學生作者@暮光之城介紹了關於模組化區塊鏈技術的文章，指出區塊鏈技術的發展開始探索新的模組以實現更好的服務。模組化設計使區塊鏈技術的應用範圍更廣，包括基礎架構、儲存和資料庫管理等。文章提到了幾個模組化區塊鏈項目，如Celestia、EigenDA、Avail和Dymension，以及Merlanchain和B² Network的特徵和功能。未來，模組化區塊鏈技術將持續推動技術進步，為各行各業帶來更多創新的可能性。文章引用了一些參考文獻來支持觀點。
學生作者| @暮光之城
指導老師| @CryptoScott_ETH
首發時間| 2024.6.13
單體區塊鏈以全面性著稱，獨立承擔網路交易驗證，同時多個區塊鏈應用功能分離成Installation模組，可以在特定功能上支援和操作系統的交互，並編程解決「問題」。 區塊鏈技術的發展，也開始探索區塊鏈潛力，透過新的模組來實現更好的服務，從而保護我們的隱私、改進我們的業務或增強我們的區塊鏈功能。 模組化設計使區塊鏈技術的應用範圍更加廣泛，包括區塊鏈基礎架構、區塊鏈應用的分散式架構、區塊鏈應用的分散式儲存和分散式資料庫管理等。
來源：Celestia.org
在此過程中，單體鏈扮演著一個多面手（通用主義）角色，面臨著許多領域的涉足。單體鏈，如比特幣、以太坊等，以其全面性而著稱，獨立承擔網路權威排行榜，從探討到交易驗證，再到智能合約執行。在這過程中，單體鏈扮演著一個多面手（通用主義）角色，面臨著許多領域的涉足獵
以以太坊為例，新興的單體架構大致分為四個部分：
執行層(Execution Layer) 結算層資料可用性層/ DA 層(Data Availability Layer) 共識層(Consensus Layer)
下圖透過把在區塊鏈上帳本比喻成一場世界賽，詳細闡述了每一層架構的作用：
透過這種類型比較，我們可以更清楚地了解區塊鏈權威架構如何協同運作。單體區塊鏈的核心功能是將區塊鏈系統分解為多個專門的組件或層次，每個組件負責處理特定的任務，如共識、數據可用性、結算和數據可用性。
模組化是區塊鏈技術的一個分支，它由區塊鏈專家組成，致力於為區塊鏈產業提供創新的解決方案。
在節點架構方面，客戶端依賴全節點，這些節點必須能夠處理整個區塊鏈的數據，這不僅對區塊鏈來說是很低效的，而且也降低了區塊鏈的安全性和效率。
該產品能夠提供多種功能，包括出色的性能和出色的可重複性。這種功能對於初學者來說非常有用。
儘管單體鏈在全局控制、安全性和穩定性方面具有優勢，但它們也滿足了可擴展性和升級難度，並適應了新需求。模組化區塊鏈則以其高度的靈活和可自訂性，簡化新區塊鏈的創建和優化。
然而，區塊鏈也滿足了特定的要求。 其架構比其他區塊鏈更複雜，在設計、維護和維護方面的工作量也更大。區塊鏈經歷了全面的安全測試和市場考驗，長期和安全性仍需進一步驗證。
為何模組化區塊鏈技術受到廣泛關注，並被預言為「未來趨勢」？在區塊鏈領域著名的「不可能三角」理論密切相關。
來源：chainlink
區塊鏈的「不可能三角」指的是一個區塊鏈網路難題，在安全性、去中心化和可擴展性這三個核心屬性上都達到最優狀態。
安全性重點是網路處理大量交易的能力，它在用戶和交易量成長時保持高效、均衡的運作能力。通常會透過TPS（每秒交易量）和延遲（交易確認時間）來管理。 安全性涉及的是保護區塊鏈網路不受攻擊的付出和努力。例如，比特幣的POW 機制被要求掌握超過全網路51% 的算力，而以太坊的POS 機制則需要超過1/3 的節點合謀。 去中心化性改造是網路可參與的不依賴單一中心節點，而是分佈在眾多節點上，節點數量越多、地理分佈越廣，網路的去中心化程度越高。
「萬能三角」的核心觀點在於，一個區塊鏈系統很難在這三個特性上都實現，最優化的闡述。 例如，在眾多公鏈中，比特幣和以太坊區塊鏈的分佈，以及在區塊鏈技術、安全性和安全性方面突出的表現。
然而，它們的犧牲了確定可拓展性，導致交易速度較慢和交易費用較高：比特幣的出塊時間約為10 分鐘，以太坊的TPS 大約為13，在交易量大幅上漲時，以太坊項目費用可能僅為數百萬美元。
正是在這樣的背景下，人工智慧技術的發展，以及其應用到區塊鏈技術的應用，都是為了實現區塊鏈技術的普及和應用成本的降低。
當今區塊鏈技術的主要特點是分層架構，允許每一層針對特定需求進行最佳化。資料層可以拓展和驗證，而執行層可以處理智慧合約邏輯。這種分層不僅提升了效能和效率，還促進了不同區塊鏈間的互通性，為建立開放和互聯的區塊鏈基礎。
綜上所述，新興區塊鏈技術提供了解決傳統區塊鏈技術的新途徑。 該領域目前主要採用分散式帳本技術和安全性，實現了更高的可擴展性和較低的交易成本，因此，新興區塊鏈技術的廣泛應用和發展具有深遠的意義。
模組化區塊鏈根據其架構特點，可以劃分為不同的類型。 在潛力類型中，資料可用性層和共識層的緊密相互依賴性，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，通常也同時確定交易的順序，這是區塊鏈安全性和不可竄改性的核心。
這種設計的原則，可以追溯到公元前1500 年，當時的統治者認為它可以在議會層、數據可利用層和共識層、結算層這三個方面進行幹預。
Layer 2 技術，作為區塊鏈架構中執行層的延伸，是主流區塊鏈概念的一種體現。它透過建構在底層區塊鏈之上的鏈下網路、系統或技術，致力於提升主鏈的可擴展性。
Layer 2 解決方案可以更快速、有效率地處理交易，同時保持與底層區塊鏈的安全性和去中心化特性。根據@0xning 製作的dune看板，可以看到在以太坊上Layer 2 驗證和清算所消耗的Gas 佔比平均低於10%，大大節省了用戶的交易成本。
來源：https://dune.com/0xning/ethereum-gas-war
Rollup 技術是目前Layer 2 的一個最主流的解決方案，其核心理念是“鏈下執行，鏈上驗證”，在鏈下執行計算等工作，建議您調用數據上傳回主網。
下執行
在Rollup 模型中，交易在執行底層區塊鏈基礎驗證智能合約中的交易，並儲存原始交易資料。這種設計顯著減輕了主鏈的計算負擔，從而允許更輕鬆地創建一個交易處理平台。
為了進一步降低成本，Rollup 原料交易打包技術。可以將其比作物流轉中的貨物集裝，單獨發送每件貨物產生高昂的運費。而Rollup 技術透過多交易打包，一次產生“運輸費”，從而大幅降低每件交易的成本。
鏈上驗證
鏈上驗證是Layer 2網路安全性的關鍵。 Layer 2網路必須提供加密貨幣證明，以解決底層區塊鏈上的核心差異。目前，兩種主流的證明機制是錯誤性證明和充分利用證明，它們分別支撐著Optimistic Rollups和ZK Rollups。
樂觀總結錯誤性證明
Optimistic Rollups採用我們的樂觀假設，即所有交易的預設為有效，除另有明確證據表明錯誤。這種模型依賴於挑戰內的缺陷性證明（詐欺證明），任何網路參與者都可以提交證明以挑戰智慧合約的狀態，確保了網路的公正和簡單性。
根據L2BEAT 數據，目前採用Optimistic Rollups 機制的Layer 2 一共有16 條，如：Arbitrum, OP, Base, Blast 等等。
資料來源：l2beat.com
ZK Rollups 的節能證明
與Optimistic Rollups 不同，ZK Rollups 採用了一種更謹慎的方法，它要求所有交易在被接受之前必須經過節省資金的證明。這種證明機制類似於一種驗證流程，確保第2 層所設定的每筆交易和計算都是準確的無誤的。
謙虛，充分利用證明是ZK-Rollups的基石，它要求每批交易都附帶相應的證明，從而確保了底層區塊鏈的智能合約能夠驗證並批准狀態變更。 對於驗證節點而言，ZK Rollups提供了一種零錯誤結算機制，因為每筆交易都必須透過嚴格的充分利用驗證。
根據L2BEAT 數據，目前採用ZK Rollups 機制的Layer 2 一共有11條，如：Linea, Starknet, zkSync 等等。
資料來源：l2beat.com
Celestia 作為區塊鏈領域先驅，本質是一個資料可用性層，為dApps 和Rollup 的開發提供了堅實的基礎。 我們在Celestia 的資料可用性層和共識層上部署，應用程式開發者可以遵循邏輯上的最佳化，同時將資料的可用性和共識機制的難度交給Celestia 來處理。
Celestia 的架構設計為模組化擴充功能提供了價格解決方案，其架構主要包含以下類型：
主權Rollup：Celestia提供資料可用性層和共識層，而結算層和執行層則由各自的主權鏈獨立實現。 結算Rollup（例如Cevmos計畫）：在Celestia提供的DA和共識層基礎上，Cevmos提供結算層服務，同時應用鏈則承擔執行層的角色。 Celestium：資料供應層由Celestia負責，共識層和結算層則依賴以太坊的強大網絡，應用鏈繼續致力於執行層。
Celestia 採用了多項創新技術，顯著提高了財務成本，並優化了儲存效率。
糾碼技術
Celestia 的創新十一糾刪碼（Erasure Codes）應用。在Mustafa Albasan（Celestia 的創始人之一）和Vitalik Buterin 共同撰寫的論文《數據可用性採樣和欺詐證明》中，他提出了一種新的架構思想，即全節點負責區塊的生產，而輕節點則負責區塊的驗證。糾刪碼技術接下來的工作流程引入擦除，確保即便在高達50%的資料遺失的情況下，也能完整恢復原始資料塊。
這項機制意味著，為了確保區塊資料的100% 可用性，區塊生產者僅需發佈區塊資料的50% 至網路。若存在惡意生產者試圖利用改區塊數據的1% ，他們實際上需要利用改整個50% 的數據，立即大幅增加了作惡者的作惡成本。
資料安全性樣本
Celestia 透過引入資料可用性抽樣（Data Availability Sampling, DAS）技術來解決區塊鏈的擴展性問題。 DAS 的審核包括以下幾個關鍵步驟：
隨機抽樣：輕節點對區塊資料執行多輪隨機抽樣，每次僅要求少量區塊資料。 逐步增強置信度：隨著輕節點完成更多輪次的抽樣，其對資料可用性的信任逐漸增強。 達到信賴閾值：一旦輕節點透過抽樣達到預設的置信水準（例如99%），它便認為該區塊資料被消耗。
這種機制使得輕節點能夠在不下載整個區塊資料的前提下，驗證區塊資料的可用性，並確保了區塊鏈資料的可用性。 Celestia 在全球提供數據可用性而非執行狀態，使得區塊生產率得以提升，每個區塊擁有更多空間，能夠容納更多的抽樣數據，從而提高了TPS（每秒交易處理量）。
EigenDA是一個安全、高吞吐量和去中心化的資料可用性服務，是EigenLayer上啟動的第一個主動驗證服務（AVS）。 AVS可以理解為是節點運維商，是以太坊上成千上萬個節點運維商中被挑出的一部分，在本職工作（負責以太坊共識驗證）的基礎上額外接一些私活（服務有共識的驗證需求的rollup等網路），隱私獲得額外的利益。
隨著再質押的以太坊區塊鏈規模不斷增加，以及未來將有更多AVS 加入EigenLayer 生態系統，Rollups 可以在EigenLayer 幾何中獲得更低的交易成本和更高的安全可組合性。
EigenLayer是一個基於以太坊的再質押協議，它利用以太坊共識的質押者作為驗證者，即利用以太坊的部分安全性，避免了中心化服務商或自有代幣的信任風險，因此降低了發展中國家的基礎建設開發門檻。同時，央行增強了以太坊的信任網絡，增加了以太坊的價值和影響力。
在架構方面，EigenDA 使用ZK 技術驗證Layer 2 提交的好數據，以及由Restaking ETH 保障公認的安全的EigenDA 網路負責最終確定性，最後Layer2 的好數據提交和保存到以太坊主網。因此，EigenDA 相當於以太坊主網的DA 服務中驗證和最終確定階段的分包商，而不是Celestia 那樣的競爭對手。
Avail 是Polygon 團隊於2023 年6 月宣布推出的模組化區塊鏈項目，今年3 月從Polygon 拆分出來，作為獨立實體運作。目前Avail 目前在測試網路運行，前些時間剛完成4,300 萬美元A 輪融資，由Dragonfly 和Cyber Fund 共同投。
Avail 的核心架構主要由Avail DA、Avail Nexus、Avail Fusion三部分所構成。 Avail DA 是模組化資料可用性層，和Celestia 一樣為各條區塊鏈提供DA 服務。 Avail Nexus 是一套標準化的跨鏈訊息傳遞協議，類似Cosmos 的IBC 協議，提供各個跨鏈之間的等可交互操作。 Avail Fusion 引入了多元資產質押的POS共識，目標是為整個Avail 網路提供安全共識的保障。
在技術方面，Avail DA 使用Kate 多項式承諾，避免欺詐證明，並且不需要假設大多數節點是誠實的，並且不依賴全節點來獲得資料可用。由於Celestia 的架構不同，Celestia 基於詐欺證明，因此技術層面兩者存在本質差異。
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之爭會越來越激烈，以太坊作為DA層的功能也會被分流，未來第一天會呈現「一超多強」的競爭格局。
Dymension 是一個基於Cosmos 的模組化區塊鏈平台，它透過內建的可擴展性匯總技術，為Rollup 的開發提供了簡潔的框架。在Dymension 的架構中，開發者可以圍繞業務邏輯的實現，利用Rollup 開發工具包（RDK）和專門的結算層，快速部署針對特定應用程式的Rollup。
Dymension 的架構由兩個核心組成：RollApp 和Dymension Hub。
RollApp 是Rollup 與App 的融合體，它是Dymension 上專用於特定應用程式的高效能模組化區塊鏈。 RollApp 可以呈現為多種形式，包括但不限於DeFi 平台、Web3 遊戲、NFT 交易市場等去中心化應用的專用Layer 2 解決方案。
在RollApp 中，排序器（Sequencer）扮演關鍵角色，負責本地交易的驗證、排序與處理。完成區塊打包後，我將把這些區塊傳遞給對等全節點，並在鏈上發佈到RollApp 選擇的資料可用性網絡，例如Celestia。得到Celestia 的回應後，排序器將其狀態根發送至Dymension Hub，透過共識形成和結算。
Dymension Hub 作為整個體系的核心，承擔共識層和結算層的功能。它接收來自RollApp 的立場，為RollApps 提供最終的平台確認和結算服務。
透過這個設計，Rollup 能夠將共識和結算的任務交給Dymension Hub，而將資料的儲存和驗證任務交給Celestia 等DA 網路。這樣，Rollup 可以分享這兩個網路經濟安全保障，同時將精力中心化在提升應用程式本身的執行效率和人際關係上。
Cevmos 的名字結合了Celestia、EVMos 和CosmOS，旨在為EVM 相容的rollups 提供結算層。
由於Cevmos本身就是一個rollup，因此在其上建構的所有rollup被統稱為結算rollup。每個rollup都透過與Cevmos rollup之間的最小化雙向信任橋樑，實現以太坊上現有的rollup合約和應用的重新部署，減少遷移工作量。 Cevmos 上的rollup會將資料發佈到Cevmos，然後Cevmos 對資料進行批次處理，再發佈到Celestia。就像以太坊一樣，Cevmos 將作為結算層執行rollup 證明。
隨著Ordinals協議的生效，ETF的獲批，以及ETF的多重利好因素的聚集，ETF的融資被迅速推進，機構投資者的資金也向金融領域湧現，並向未來發展信心與期待。
在這樣的背景下，比特幣Layer 2技術專題一興起，眾多技術方案相湧現，她在這個領域探索、充滿活力的技術。創新方案紛紛登場，共同推動比特幣網路的擴展與優化。
儘管目前業界對於比特幣第2 層標準的共識尚未達成，但未來將如何利用這一標準構建比特幣第2 層標準仍是一個亟待解決的問題，從眾多學者的角度出發，提出了構建比特幣第2 層標準的可能性與方法。
以太坊網路以其智能合約的功能和能夠儲存並驗證歷史數據，從而支援日益複雜的去中心化應用（DApps）。相較之下，比特幣網路則是一個無狀態的非智慧合約網絡，其係統設計並不完善，主要有兩個面向：
1. UTXO 帳戶系統
在區塊鏈世界中，主要存在兩種記錄保存方式：帳戶/餘額模型和UTXO模型。比特幣採用的UTXO模型，與以太坊採用的帳戶/餘額模型形成鮮明對比。
: 在比特幣系統中，儘管用戶在錢包中已經有了帳戶餘額，但實際上，中本設計的比特幣系統並不包含餘額概念。所謂的「比特幣餘額」其實是由基於UTXO衍生的概念。 UTXO代表損失的貨幣系統輸出，它是比特幣交易產生驗證的核心。
比特幣的每筆交易由輸入和輸出組成，每一筆交易都會消耗（spend）一個或多個輸入，並產生新的輸出。這些新產生的輸出隨即成為新的UTXO ，等待未來的交易來消耗。
憑藉極簡資產轉移和結算技術架構，UTXO 模型難以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
比特幣的腳本語言並不支援所有啟動計算，因為缺少循環和條件控制語句，導致它並不是圖靈完備的。這項特性雖然有助於減少駭客攻擊，網路的安全性，但同時也限制了比特幣智慧合約的能力。
因為系統設計並不完善，對於功能來說，它需要依賴外部的模組化擴展，這對企業來說無疑是巨大的挑戰。此外，該系統還需要更多的基礎設施來支援其發展。此系統中的資料可用性層、共識層、跨平台操作層等功能，因此企業需要透過模組化和擴充來滿足這些要求。
梅林
目前在比特幣二層的目標中，Merlin Chain 的TVL 最高，已經達到數十載，可以說是比特幣中最吸引人們關注的項目。第一款比特幣Layer 2 網絡，Merlin Chain 在支援多種原生比特幣資產的過程中，也相容於EVM，展現對比特幣和以太坊的雙重關注。
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防詐騙。
ZK-Rollup 網路
ZK-Rollups 的核心在於使用零知識證明。零知識證明作為密碼學的一個加密貨幣方法，允許一方（證明者）向另一方（驗證者）證明某個陳述是正確的，而無需透露證明該陳述正確之外的任何資訊。
Merlin Chain 將交易在鏈下進行處理和計算，避免網路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壓縮成批次，並根據需要打包多份交易證明，大幅提升了檔案系統的工作量。
去中心化預言機網絡
Merlin 的去中心化預言機網路相當於DAC (資料可用性委員會)的角色，來檢查排序器如實地在鏈下部署的完整DA 資料。預言機網絡的去中心化性在於其採取了POS 形式，任何人只要質押足夠的資產，就可以運行一個預言機節點。這個質押機制十分靈活，支援BTC、MERL 等資產，也支援類似Lido 的代理質押。
鏈上防詐欺
Merlin 引入BitVM 的想法，同樣地採用「樂觀的ZK-Rollup 」機制，可以簡單理解為先所有的ZK Proof 都是可信的，只有在出現錯誤時才對運行者進行懲罰。因為驗證是在比特幣主網上進行，在比特幣鏈上，由於技術限制無法完整驗證ZK Proof，只能在特殊情況下驗證ZK Proof 的某一步計算過程。因此，人們只能選擇指出ZKP 在鏈下驗證過程中，某一個計算步驟有錯誤，並以詐欺證明的方式進行挑戰。
B² 網路
B² Network採用模組化設計，由Rollup層（ZK-Rollup）負責執行、資料可用性層（B² Hub）負責儲存資料、B² Nodes進行鏈下驗證，最終的結算層是比特幣主網。
B² Network 的ZK-Rollup 層採用zkEVM 解決方案，負責執行二層網路內的使用者交易並輸出相關證明。 Rollup 層負責提交和處理使用者交易，而DA 層則負責儲存匯總資料的副本並驗證相關的零知識證明。
資料來源：https://docs.bsquared.network
B²Hub 是一個在鏈下建立的、支援數據採樣功能的DA 網絡，被視為比特幣擴展解決方案的先驅。 B²Hub 採用了Celestia 的設計思路，引入了資料採樣和糾刪技術，以確保新資料能夠迅速分發給眾多外部節點，並在很大程度上減少資料扣留風險。此外，B²Hub 中的提交者將DA 資料的儲存索引和資料哈希值上傳至比特幣網絡，供公眾存取。
資料來源：https://blog.bsquared.network
根據B²網路未來目標，與EVM相容的B²Hub有望成為多個比特幣Layer 2的下驗證層和DA層，它是一個比特幣下的功能擴充層。鑑於比特幣本身無法支援許多應用場景，透過下方建構功能擴展層的方法通常稱為Layer 2生態系統中非常普遍的現象。
B² Hub 作為首個比特幣模組化的DA 層，可以探索第二層利用比特幣主網作為最終結算層，並繼承比特幣的安全性，有利於推動比特幣網路的擴展和增強其應用能力。
“模組化就是未來”，這句話口號正在從理念變成現實。模組化區塊鏈技術，其靈活性和可擴展性，為建立下一代去中心化應用提供了第四大基礎。這種技術允許開發者特定需求，選擇和組合不同的模組，從而創建更高效、安全且易於維護的區塊鏈解決方案。
模組化區塊鏈的誕生進一步激發了人們的「插花」熱情。在這種想法下，區塊鏈不再被視為一個封閉的系統，而是一個開放、可擴展的平台，服務和功能可以像樂高積木一樣插入機密和出借。這種靈活的機制使得開發者能夠在需要特定應用的場景中，快速部署區塊鏈解決方案。
於以太坊基金會，再到比特幣基金會，比特幣挖礦工具和區塊鏈技術已經在加密貨幣產業的各個架構中處於領先地位。
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My Neighbor Alice、Chain of Alliance 等多個遊戲合作；在RWA領域，Chromia創建了Ledger數位資產協議(Ledger數字資產協議)，已經有數個項目採用該協議。
在AI領域，CARV致力於為AI和Web3遊戲建立模組化資料層，透過利用可信任執行環境（TEE）和零知識證明等技術，確保了資料處理過程中的隱私和安全性。
隨著模組化區塊鏈技術的成熟和應用領域的拓展，我們堅信這種技術將為各行各業帶來更多創新的可能性。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，發展成為一個支援複雜、完成應用的生態系統。未來，模組化區塊鏈將繼續推動技術進步，為建構更加開放、活躍在數位世界基礎之上。
參考文獻
[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=1&ref=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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