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模块化区块链的现状

个人专家

介绍

模块化区块链是区块链设计的一种新范式。与一个整体的区块链执行所有功能不同,模块化区块链的各个层面专注于特定的功能并进行优化。这种架构使得开发人员能够为大规模采用提供高度定制的用户体验。

模块化区块链领域在执行、结算、共识和数据可用性等层面上蓬勃发展,同时也打开了Rollup作为服务和意愿等新颖的类别。

区块链的四个主要层面是执行、结算、共识和数据可用性。

然而,这个定义低估了区块链的完全可组合性和可扩展性。更详细的分类法显示,事务发起、内存池、区块生成、状态转换、结算、共识、证明、终态和数据可用性,每个都是区块链的有意义的层面,可以单独重新设计、扩展和优化。

对于这些层面,模块化区块链提供了两个主要的好处:1) 通过专门化进行优化,和2) 可组合性。例如,中心化的顺序执行器可以提供更高的L2吞吐量;ZK-rollups可以在保持安全性的同时提供更快的结算终态;而EIP 4844 proto-dank分片技术可以扩展以太坊的数据可用性层面,并为L2提供数据存储的选择性[1]。

从整体到模块化区块链:历史押韵

历史不会重复,但会押韵。Web2面临着与整体服务器架构相似的挑战,直到2011年软件架构师的一个研讨会上引入了微服务的概念。十二年前,Web2服务器是整体式的——功能上不同的代码块位于同一个代码库中,并且是同时部署和更新的。这种紧密耦合导致了可维护性、可用性和可扩展性方面的问题。随着软件团队的扩大,如果一个团队犯了一个错误,整个服务都需要更新。它也迫使所有软件团队以相同的速度进行部署。

到了2014年,微服务已经足够流行,可以应用于大型企业。使用微服务,工程师可以启动多个实例来处理高负载。由于代码更新只影响特定的微服务,维护更简单。通过模块化优化,整体上可用性更高。现在,微服务已经成为技术行业的标准。

整体式区块链与整体式服务器问题相似。为了解决这个问题,一些一级区块链为了可扩展性而牺牲了去中心化,而其他人尝试改变共识算法来提高可扩展性。虽然这些努力在某些情况下取得了成功,但业界共识是通过模块化来解决——“分离不同区块链模块的关注点”。模块化区块链范式是解决区块链三难题的一个有意义的步骤,同时也为开发人员提供了可组合性和用户更好的体验。

执行

什么是执行?

执行是由虚拟机(VM)组成的,用于促进状态转换。状态转换由一系列交易块组成。通过底层的结算和共识层,模块化执行层提高了可扩展性,同时保持了相同的安全性和去中心化程度。

L2

在L2中,有四种类型的执行可扩展性解决方案:乐观Rollup、有效性Rollup(也称为ZK Rollup)、Plasma和Validum,它们与整体状态转换具有可比较的安全级别[2]。还有另外两种类似L2的执行可扩展性解决方案:侧链和状态通道,它们在安全性或范围上有限,因此不太理想。

L2 Rollup类似于Danksharding的概念[3],其中状态转换通过核心共识进行验证,并将状态存储在选择的DA层上。由于L2和danksharding之间的设计相似,以太坊社区通常欢迎采用L2(表格来源于Vitalik的推文和这篇文章)。

作为服务的Rollup

作为服务的Rollup(RaaS)注重可定制性、可组合性和兼容性。与启动智能合约不同,开发人员可以启动自己的Rollup,并自定义其执行环境。

一些RaaS项目甚至允许开发人员选择他们偏好的共识层和DA层,进一步扩展了可定制性,以适应特定的用例。

执行的现状

安全性

在执行层面的安全性是一个光谱,基于零知识证明的项目(如Scroll、Aztec和Matter Labs)具有最强的安全性保证,每个交易的有效性都依赖于密码学证明。乐观Rollup和一些具有自己共识层的RaaS从其自身的加密经济中获得安全性。从长远来看,基于零知识的项目可能在安全性方面占据优势。

最终状态的时间

最终状态的速度决定了用户确认其交易所需的时间。从理论上讲,乐观Rollup和乐观RaaS会继承其基础共识层的最终性。目前,以太坊的最终性约为15分钟,这是因为验证者代表网络上至少2/3的总ETH份额对区块进行投票,以使其被视为最终。在超过50万个验证者[4]的情况下,见证的传输会导致显著的延迟。这种长时间的最终性意味着OP Rollup的存款需要长达15分钟,而提款可能需要几天,因为需要进行欺诈证明。

兼容性

在当前碎片化的虚拟机和编程语言环境中,兼容性较低。流行的虚拟机(如EVM、Solana VM和Move VM)强制开发人员选择特定的运行环境。更糟糕的是,旨在与EVM兼容的zkEVM在执行环境上并非真正兼容,这可以从Starkware的Cairo和Aztec的Noir等特定领域语言(DSLs)的出现中看出,这加剧了开发人员的困扰。

RaaS旨在通过允许智能合约一次部署并在各处运行来解决这个问题。然而,一些RaaS实现进一步导致了流动性的碎片化和令人眼花缭乱的部署选择。

可定制性

随着Rollup-as-a-service的出现,区块链开发人员的可定制性快速提高。Caldera提供接近无缝的入门和Rollup设计服务。Saga允许创建链片,减轻了招募验证者的负担。Eclipse允许Solana合约轻松重新部署到与EVM兼容的环境中。

此外,现在还有新的类别,例如volition,允许开发人员在DA层面围绕燃气成本进行选择优化。项目团队现在可以选择从L1的安全性中获益,同时将其数据存储在所选择的DA层中。

DevEx(开发人员体验)

总体而言,执行层面的开发体验还有很大的改进空间。代码的可移植性差,重新部署成本高昂,因为智能合约在不同的虚拟机上部署时需要进行审计。审计是昂贵的,重新部署过程中可能存在潜在漏洞。

此外,zkEVM被分为Type I、Type II、Type III和Type IV(请阅读Vitalik的文章)[5]。然而,许多协议声称在EVM兼容性方面超出了实际情况,这让开发人员陷入了一个智能合约陷阱的雷区,他们的代码无法按预期运行。

接下来会发生什么?

zkEVM - 短期内,Type 2到Type 4的zkEVM将受益于更快的上市推广;然而,从长远来看,Type 1的zkEVM将提供最佳的开发体验、兼容性和安全性。由于Type 1 zkEVM的代码大部分是开源的,zkEVM的进展将惠及整个生态系统。

具有良好产品-市场适配度的RaaS - RaaS存在着极其多样化的选择,每种选择都有自己的设计模式和特定的权衡。一个优秀的RaaS提供L1的安全性、有意义的流动性和更好的开发体验,以实现更强的产品-市场适配度。

结算

什么是结算?

结算是Rollup的一个独特层面,在整体链中并不存在。该层面将Rollup锚定到基础链,确立安全性,并在其他链上发生争议时提供客观的最终性

结算层通常由L1上的智能合约(用于存储L2交易和状态根)、L1上的智能合约(用于桥接资产到L2和从L2提取资产)以及L2上的顺序执行器(处理区块生成和消息传递)组成。

在乐观Rollup的情况下,通常还需要额外的智能合约用于欺诈证明仲裁。对于zk rollup,zk证明通常存储在链下,但可以使用链上智能合约来检索zkp以验证消息和交易的包含性。

虽然这些可能难以理解,但结算层的关键是它为L2提供了L1的安全性和L1的最终性。结算层提供的安全性和最终性,以及L2上的执行扩展,使得模块化区块链成为解决区块链三难题的首选范式。

结算的现状?

最终性

在乐观Rollup的情况下,根据博弈论的安全性假设,最终性被认为是即时的。因为用户知道,不诚实的验证者最终会被削减奖励,所以他们可以在处理时假设交易是最终的,尽管交易只有在L1区块中结算后才真正最终。此外,当发生争议时,欺诈证明仲裁可以提供一周的时间来解决争议。

欺诈证明

更深入地说,欺诈证明分为两种类型:交互式和非交互式。虽然非交互式证明可以减少争议解决中的步骤,但交易的大小和智能合约调用L2账户状态的复杂性会增加非交互式证明的挑战和成本。

有效性证明

有效性证明的优势在于只需要证明一次并验证一次,而不像一个拥有数十万节点的大规模共识网络需要重新处理交易进行验证。有效性证明可以非常高效。这是因为有效性证明可以证明状态机执行的每个步骤,而链上验证者只需要验证证明而不必重复执行。目前,证明时间和证明成本仍然相当高,但证明效率正在以极快的速度提高。而且证明是非常可并行化的,因此可以聚合多个证明者并并行处理任务,从而提高整体速度。最终,有效性证明可以将L2结算的最终性在渐近于区块生成速度的速度上提高。

抗审查性

大多数L2都有一个单一的顺序执行器,这是潜在审查风险的源头。为了解决这个风险,L2实现了单独的交易队列,以便即使面对不诚实的顺序执行器,交易也必须得到处理。然而,这样的极端措施可能导致L1和L2状态之间的差异,因此并不是一个理想的解决方案。

去中心化的顺序执行器的挑战在于可能需要额外的加密经济激励来推动顺序执行器之间的共识,并且在过程中可能会丧失L2的性能优势。

接下来会发生什么?

去中心化的顺序执行器 - 已经进行了大量研究,以实现去中心化的顺序执行器,以消除审查风险并提高互操作性。去中心化的顺序执行器可以实现原子交换和碎片化L2之间的有效桥接。然而,为了采用去中心化的顺序执行器,L2可能需要放弃MEV激励和对本地桥接的主权。

L2桥接 - 虽然L2可以扩展交易吞吐量,但也会导致流动性的碎片化和链上状态的碎片化。L2桥接可以增加L2和L1之间的互操作性。然而,不同的信任假设和较长的最终性时间使得L2桥接难以实现。解决L2桥接难题(无需信任、可扩展性和通用性)的L2桥接将为模块化区块链领域提供非常需要的互操作性。

共识

我的目标是将以太坊的基础层与以太坊上/周围发生的复杂事物的集中化倾向隔离开来。”- Vitalik Buterin, mev.day

从另一个角度来看,模块化区块链的思维过程是将共识层扩展到极度去中心化,同时将其与其他复杂的模块化层隔离开来,以减少安全风险和审查风险。

什么是共识?

共识层位于区块链技术的核心。由于共识的创新,区块链才能成为无需许可、抗审查和去中心化的技术。如果没有共识,拜占庭容错的复制状态机将不会存在,区块链也将无法存在[6]。

共识

共识是一种机制,通过这种机制,状态机可以在对抗性环境中达成对单一真相的一致意见。共识的不同类型,如工作量证明、权益证明和历史证明,已经得到实施,以提高性能并减少外部性。其中最引人注目的是以太坊的成功合并(Merge),这相当于软件版的登月。通过合并,以太坊从PoW过渡到PoS,使以太坊具有通缩性、更节能高效和更加去中心化。在众多区块链中,PoS是最常见的共识机制。

共识协议

共识协议是处理不同验证者节点之间的区块提案和见证通信的层。

共识协议层面也经历了重大创新,从PBFT到Tendermint再到HotStuff [7]。这种演进使得通信复杂度从O(n2)减少到O(n)。复杂度的减少对于构建完全去中心化的计算机至关重要,因为全球节点数量在增加。

共识的现状

共识层展现出强大的网络效应。去中心化验证者网络构建了对抗合谋和审查的强大防御能力。在PoS中,高抵押价值可以阻止拜占庭攻击。这些防御能力是区块链安全性的核心。

我们可以将共识层基本等同于所谓的Layer 1,例如以太坊、Solana、币安链、Polygon、Sui、Aptos、Cosmos的所有区域和Polkadot的所有平行链。

去中心化

去中心化可抵御合谋和审查。根据协议的不同,攻击者需要控制网络节点的1/3+1到1/2+1才能覆盖共识。就去中心化程度而言,以太坊目前有50万多个验证者,Cosmos有175个,币安链有29个,Polygon有100个,这表明了不同程度的抗审查能力。

总抵押价值(TVS)

抵押提供了针对51%攻击的加密经济安全性。在PoS模型中,验证者必须抵押协议的原生代币才能成为验证者。因此,攻击网络需要大量资本。目前,约有380亿美元抵押在以太坊上以确保网络的安全。实际的攻击成本,出人意料地比当前抵押金额的1/3或1/2要高得多。因为当攻击者增加抵押来攻击网络时,整体网络的总抵押价值也会增加。

最终性和吞吐量

最终性和吞吐量与去中心化成反比,这就是为什么许多L1选择在性能上牺牲去中心化的原因。去中心化网络的通信复杂性导致最终性时间长、吞吐量低[8]。尽管公平地说,吞吐量还取决于区块大小和数据可用性,我们将在下一部分介绍。

最终性时间对用户体验有重要影响。还记得当你去星巴克买东西时,不得不站在那里等待信用卡终端完成交易的时候吗?对我来说,那总是购买过程中最烦人的部分。由于去中心化,加密领域也面临这个问题。

流动性

在PoS模型中,验证者会抵押原生代币以获得抵押回报。回报是为了承担削减风险以确保网络安全的奖励。然而,一旦锁定,抵押的代币就失去了流动性。

流动性抵押衍生品(LSD)是解决抵押流动性问题的一种新型基元。抵押服务提供商可以为抵押的代币铸造LSD。这些LSD可以用于交换或作为借款抵押品,使用户可以继续利用其流动性,尽管进行了抵押。

接下来会发生什么?

性能更高的共识协议 - 目前,以太坊设立了最低的32个ETH作为验证者的最低要求。这个最低要求是为了防止大规模去中心化对网络性能的伤害。新的共识协议可以通过减少网络中的通信复杂性来解决这个问题。

轻量级客户端 - 轻量级客户端可以在另一个协议上提供源自于一个协议的状态,从而保证区块链之间的通信安全。在目的链上可以访问来源链的状态对于增加互操作性非常有用。基于零知识证明的轻量级客户端在跨链通信中具有提供接近本机安全性的潜力。这是一个正在积极开发和进展的有趣领域。

LSD复利 - 流动性抵押衍生品为区块链带来了基本流动性。抵押利率已经成为区块链中的基础收益基础,类似于中央银行设定利率。持有LSD的持有者有权获得基础收益。将出现新的复利LSD收益方式。

去中心化的验证者技术(DVT)将进一步去中心化L1。通过DVT,验证者可以在低于验证者门槛的情况下抵押原生代币,同时享受自托管的好处。一旦门槛降低,我们可能会进一步提高抵押的采用率,从而进一步保护网络。

数据可用性

“区块链还可以确保政府机构或公司可验证地发布其数据,并允许公众访问和确认他们拥有的文件与创建者签署和时间戳的文件相同。”- Brian Forde,奥巴马白宫数据创新高级顾问[9]

什么是数据可用性?

数据可用性(DA)是区块链的持久化。结合去中心化,DA使得智能程序可以永久运行,因为任何节点都可以自由进入和退出网络,并追溯到整个历史交易记录的最新状态。

数据可用性指的是从最早的创世区块到最新区块的链的完整存储。与共识层相比,数据可用性更容易确保,因为只需要N=1个复制的机器即可恢复。换句话说,只要保留了一份链的副本,其他所有节点都可以从这个副本中恢复。

数据可用性的现状

成本

绝大部分的燃料成本用于在链上存储数据。EIP4844 proto-dank sharding旨在增加块的大小。最终,Vitalik设想的未来是只将状态根存储在链上,而详细的交易数据存储在专用的DA层上。ZK递归是解决DA成本问题的另一种方法。

可用性

可用性是审查的反面。通过公开可访问的DA,没有任何实体可以审查数据访问。然而,由于区块链是只追加的,数据的大小将无限增长,因此需要使用降采样技术和zk技术来控制存储需求。

完整性

数据验证很重要,以确保完整性。然而,由于网络只需要N=1个数据副本来确保DA,因此解决这个问题要比共识容易得多。

隐私

隐私必须在可访问性和正确性之间取得平衡。在这个领域中,硬件加密、零知识证明和全同态加密(FHE)被探索为确保在开放数据世界中的隐私解决方案。

正确性

在无信任环境中确立正确性是具有挑战性的。轻量级客户端技术的进展是在访问区块链数据时保证正确性的一个令人兴奋的领域。

接下来会发生什么?

Proto-danksharding - Proto-danksharding是Dankrad Feist和Proto Lambda提出的,目的是通过将以太坊的区块大小增加到约1MB来提高DA吞吐量。增加的区块空间用于存储状态,L2可以使用它来存储其状态,并将成本降低多达100倍。

Volitions和adamantiums - Volitions是L2的一种,允许用户选择将其数据存储在L1或其他DA层上。例如,用户可以选择将敏感交易详细信息存储在另一个DA上。进一步来说,adamantiums是一种L2,允许用户将交易详细信息存储在私人个人DA层上。目前adamantiums还不存在,但这是一个有趣的概念,可以让用户对其数据拥有更多的主权。

ZK-Recursion - zk递归技术可以大幅提高DA层的吞吐量,并降低数据存储的成本,同时保证安全性和可验证性。从理论上讲,一个L2可以托管L3、L4等层,将所有层的交易汇总到一个块中,在L1上进行结算。这种递归技术在扩展区块链可扩展性方面非常强大。

结论

从单体到模块化,区块链已经向着解决区块链三难题迈进。模块化的区块链范式为开发者提供了各种优化的区块链层,以为大众提供出色的用户体验。

通过各个层之间的组合性,开发者可以选择众多的区块链架构。上述表格(来自此处)将结算和共识合并为单个安全层,通过数字1、2、3或N来表示链的选择,通过术语和类型演示了多样的架构组合。

模块化并未止步于执行、共识和数据可用性,堆栈的其他部分,如交易启动、排序和区块生成,都正在进行优化和去中心化。这种去中心化将进一步保护区块链免受合谋和审查的伤害。此外,新的互操作性手段、架构设计和密码学进展不断拓宽了区块链的能力。

基于模块化区块链的视角,新的技术正在以极快的速度引入,使得区块链准备好以出色的用户体验进行大规模采用。

References

[1] https://eips.ethereum.org/EIPS/eip-4844

[2] https://ethereum.org/nl/developers/docs/scaling/

[3] https://ethereum.org/en/roadmap/danksharding/

[4] https://ethereum.org/en/staking/

[5] https://vitalik.ca/general/2022/08/04/zkevm.html

[6] https://en.wikipedia.org/wiki/Byzantine_fault

[7] https://decentralizedthoughts.github.io/2019-06-23-what-is-the-difference-between/

[8] https://pontem.medium.com/a-detailed-guide-to-blockchain-speed-tps-vs-80c1d52402d0

[9] https://hbr.org/2017/03/using-blockchain-to-keep-public-data-public

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