模块化区块链:下一代Web3基础设施的演进

模块化区块链作为新一代区块链基础设施,正在推动Web3生态系统的进化。它通过重新定义区块链的分层架构,将不同功能划分为独立模块,实现了更高的性能和灵活性。尽管模块化区块链成为新的叙事热点,但这并不意味着传统的单体区块链将被取代。相反,两者将相互补充,共同支撑下一个十亿用户级的Web3生态系统。

要理解模块化区块链,可以从交易和区块数据的角度切入,将其分为执行层、数据可用层、共识层和结算层几个关键模块:

• 执行层负责交易的批量处理和计算,充当单体区块链扩容和计算外包的先行者。
• 数据可用层不仅降低了数据存储成本,还在共识层的保障下实现了数据的可用性验证。
• 共识层致力于复用去中心化的共识机制,构建全新的去中心化框架。
• 结算层则优化了账户资产与交易流水的匹配和关联。

单体区块链的发展与挑战

比特币的诞生标志着去中心化电子现金系统的出现,让人们认识到了区块链技术和工作量证明共识机制。随后以太坊作为智能合约平台,展现了区块链在金融、社交、游戏等领域的广阔前景。尽管区块链技术仍处于起步阶段,但其潜力是巨大的。

目前主流的公链都可称为单体区块链,它们以交易为载体,通过区块存储有效交易,并依靠特定共识机制实现去中心化、无需信任的分布式账本网络。单体区块链可以独立构建完整生态,但随着发展也会面临交易阻塞、成本上升、参与门槛高等问题。

为解决单体区块链的局限,业内进行了广泛探索,包括状态通道、侧链、Rollup、轻节点、分片、模块化等技术方案。这些研究不断优化区块链技术栈,提高了区块链的普及程度。

模块化区块链的定义与架构

模块化区块链通过聚合和组合的思想,重新定义区块链的分层架构,将其划分为独立且可组合的模块。这种架构不仅提升了各方面性能,还可以满足多样化的应用场景。

从用户视角看,以太坊二层网络Arbitrum可以帮助我们直观理解模块化区块链的架构:

• 用户交易由二层网络的定序器收集处理,而非直接与一层网络交互
• 定序器将批量交易数据压缩发送到一层网络
• 同时对交易进行排序,计算状态变化,将结果发送到一层网络结算

这样我们就可以清晰认识到执行层、数据可用层、共识层和结算层的功能:

• 执行层:定序器处理交易,包括数据压缩和状态计算
• 数据可用层:一层网络存储维护执行层的压缩交易数据
• 共识层:保障执行层在数据可用层和结算层的安全性
• 结算层:确认状态转变的最终性

执行层产品与发展

在执行层产品出现之前,业界一直在探索如何提升区块链的交易性能。除了优化单体链本身,以太坊生态发展出以Rollup为主的Layer2方案,如Optimism、Arbitrum等乐观Rollup,以及Starknet、zkSync等ZK Rollup。

随着Layer2的发展,执行层概念正式提出。不仅以太坊,其他公链也在开发自己的Rollup方案。这带来了多链多执行层并存的新局面,同时也产生了生态割裂、用户操作成本高等新问题。

为此,又出现了Rollup即服务的产品,如Sovereign Labs、Stackr Labs等。这些产品构建了单Hub多Rollup的树状执行层架构。

尽管执行层产品已取得重大进展,但仍有许多挑战需要解决,如去中心化定序器、zkEVM和并行交易等问题。

数据可用层的发展

随着区块链用户和智能合约的繁荣,链上数据呈指数级增长。以太坊全节点已需要800G+存储空间,Archive节点更需要13TB+。如何高效廉价地存储和处理海量区块链数据成为关键问题。

早期比特币通过Reclaiming Disk Space和SPV等方案应对数据膨胀。以太坊则探索了Stateless Ethereum等方案。随着执行层产品发展,数据可用性概念得到扩展,强调在不完全同步数据的前提下验证交易有效性。

以太坊作为主流执行层的数据可用层,存在操作成本高、容量有限等问题。为此提出了EIP-4844等改进方案。其他专门的DA产品如Celestia、Polygon Avail等,在采样、编码等方面有所突破。此外还有Greenfield、Arweave等存储层产品。

共识层的发展

区块链网络需要强大的共识机制来保障资产所有权。目前主流的PoW和PoS机制各有优劣,且难以跨链互操作。

PoW面临算力攻击风险,新链需长期积累算力或借助联合挖矿。但联合挖矿可能带来利益冲突,如Namecoin的案例。Quai Network等尝试原生多链联合PoW,但仍难以实现共识复用。

PoS机制依赖权益价值,但建立验证者集合成本高。Cosmos和Polkadot探索了安全共享和平行链等方案。以太坊合并后的PoS机制,为复用共识资源创造了条件。

EigenLayer等项目正在探索通过Restaking等方式,复用以太坊质押资产来保护其他网络。流动性质押衍生品也为共识层产品提供了潜在资源。

结语

模块化区块链借鉴了微服务架构的思想,将区块链功能解耦为独立模块。目前各层都在快速发展,未来有望通过灵活组合释放更多潜力。尽管仍面临挑战,但模块化区块链正成为推动区块链技术进步的重要方向,有望为Web3生态带来更多创新与机遇。