模塊化區塊鏈：數據可用的重要性_ROLL

專精和可拆解：模塊化的概念起源

從編程語言到DeFi協議，「可組合性」是Web3.0里被青睞的名詞。但是可組合性并不只是敘事方法，當一種工作模式發展到一定程度勢必要變得專精和可拆解。那么區塊鏈在擴容這一令人頭痛的問題上在逐漸向模塊化推進也是必然。

我們知道區塊鏈的主要堆棧有數據可用層，共識層，結算層和交易執行層。那么單體區塊鏈就是使四層的工作都在一個網絡完成。網絡中的每一個節點都需要處理數據的驗證到交易的執行。

然而可想而知，隨著交易量上升，單體區塊鏈逐漸遇到瓶頸。目前用戶秉承著去中心化愿景包容著以太坊高額交易費用和遠比不過Visa的每秒轉賬速度。

究其核心，單體區塊鏈的瓶頸的核心源于數據的累積，因為區塊鏈的不可篡改性，數據可用是擴容不可以犧牲的前提。

但是為了推動大規模采用（massadoption)，單體區塊鏈勢必要向模塊化演進。

在考慮到以太坊的發展進程上，Vitalik曾說過以太坊將會呈現以rollup為重心的生態狀態。Rollup是一種將執行層分離出去的擴容解決方法，在鏈下處理計算，但還是將每筆交易的一部分數據放在鏈上。Rollup的吞吐量呈線性增長，因為如果交易量越大，也就意味著越多的數據需要被廣播至主網。這樣一來，Rollup吞吐量的瓶頸還是落在了底層網絡的數據帶寬上。

為了跨過這個瓶頸，以太坊的最終擴容計劃-分片的初步實施就是要讓分片出來的鏈來執行數據可用。

顯而易見，單體區塊鏈的發展方向不僅要向模塊化推進，專注于做數據可用性的模塊化區塊鏈或者方案格外的值得關注。以太坊的目標是在不權衡去中心化和安全性的情況下擴展計算。由于整體區塊鏈架構的限制，數據可用性對于實現去中心化的可擴展性至關重要。

這篇文章將分析專注于數據可用性的模塊化區塊鏈和解決方案-工作機制以及在設計上的取舍。

模塊化區塊鏈：定義，特點與優勢

總體來說，一旦一個區塊鏈網絡把它的工作任務之一外包出去，就可以被稱為模塊化區塊鏈，這可以是交易執行/結算，共識，或者數據可用。

在文章的這部分，我們將以Celestia為例展示模塊化的特點與優勢。自五月啟動測試網以來熱度高漲，不少文章就它自身的機制和與以太坊的對比進行了解讀和分析。這個第一個專注與模塊化的區塊鏈網絡將于2023年正式上線主網。

10月20日，Celestia完成5500萬美元融資，由BainCapitalCrypto和PolychainCapital領投。據透露，5500萬美元是CelestiaA輪和B輪的融資總額，而最新一輪融資使得Celestia成為了估值達到10億美元的獨角獸。

Celestia是一個可插拔的共識和數據可用性層，它利用Tendermint作為共識協議，僅負責交易背后數據的排序和可用而不管交易的有效性。看似Celestia負責的工作減少了，數據可用其實是區塊鏈確保安全性的核心任務。

DeFi資管平臺Yield App與英國支付網關Volt達成合作:5月16日消息，DeFi資管平臺Yield App宣布與英國實時支付網關公司Volt達成合作，集成了Volt的泛歐開放銀行解決方案，打通英鎊和歐元入口，Yield App客戶能夠直接通過銀行即時購買加密貨幣。（thepaypers）[2023/5/16 15:06:54]

Celestia具有以下特點：

去中心化：既然Celestia上的共識層只專注于數據可用性，網絡中的輕節點可以利用數據可用采樣的方法確認可用性，而無需下載整個區塊。而這個輕客戶節點可以直接在手機上運行，極大地降低了運行節點的門檻。擴容性：首先我們來回顧區塊鏈擴容的瓶頸-狀態膨脹：隨著交易量增加，需要執行交易的信息大幅增加，這意味著運行全節點的難度越來越大。Celestia把區塊有效性的問題簡化為數據可用的問題-這意味著Celestia網絡只需要輕節點可以保證數據可用性，當越來越多的節點加入數據可用性采樣時，區塊空間呈線性增長。安全性：Celestia的安全性同樣取決于網絡中的輕節點，只要網絡中存在足夠的節點進行采樣則說明數據被隱藏的可能越小，由此安全性越高。上面提到，Celestia的輕節點運行門檻足夠低，這樣的去中心化程度賦能了更高的安全性。此外，模塊化區塊鏈具有以下幾點優勢：

可插拔，靈活性：首先，用戶可以基于Celestia部署自己的執行層，從而依靠Celestia的數據可用作為安全保障。此外，Celestia對于“執行層無感知”的狀態開放了虛擬機的設計空間-它并不需要與EVM兼容，這賦予了VM的后起之秀充足的展示和競爭機會，比如LLVM,MoveVM,CosmWasm,FuelVM等。費用便宜：在吞吐量增長的情況下，Celestia的驗證費用呈下面右圖次線性增長。這是因為數據可用采樣的工作原理只需要輕節點隨機下載區塊中的一小部分數據，所以即使隨著數據量增大到特別大，用來驗證的數據也不會呈線性增長，所以費用相對便宜且是有上限的。

來源：https://rainandcoffee.substack.com/p/the-modular-world

主權性（sovereignty)：在以往的L1中，硬分叉通常被避免因為這涉及到很大的風險。硬分叉相當于網絡的共識層發生了分歧，底層的安全性被稀釋，網絡需要召集更多的節點加入來維持原先的安全性。但是由于Celestia提供了通識的數據可用層，基于Celestia所搭建的Rollup可以自主的決定節點的升級，代幣的供應量，或者定義自己的有效性準則。這樣的主權行賦予Rollups極大的自由和實驗空間。解決擴容問題：數據可用的原理和重要性

數據：澳大利亞加密ATM安裝量世界第三:1月25日消息，近來，受熊市影響，全球新比特幣ATM機安裝量創歷史新低。澳大利亞加密ATM機數量仍在快速上漲，澳大利亞目前擁有234臺加密atm，在全球排名第三，僅次于美國和加拿大。

美國擁有33387臺加密atm機，加拿大擁有2556臺，二者合計擁有的加密ATM占世界總量的94.4%。(Cointelegraph)[2023/1/25 11:29:31]

去信任化是區塊鏈思想的前提，通過驗證而不是信任來傳遞數據。如果我們不能用現有的數據重現某些東西，從區塊鏈的角度來看，那么它就不存在。**用部分數據還原全部數據，這一過程被稱為數據可用性證明。**單體區塊鏈實現數據可用性的方式，是將全部數據下載到全節點(full-node)，這種方式擴展性較差，對節點的要求也很高。模塊化擴容解決方案，則是將數據可用性跟共識和執行層分開。這也被認為是最理想化的方案，因為這不要求對節點升級。

數據可用性分為鏈上和鏈下兩種方式：

鏈上：強制區塊生產者在鏈上發布所有交易數據并讓驗證節點下載它。這通常為單體區塊鏈所用，支持全節點和輕客戶端兩種方式。另外，Danksharding采用了全新的方式實現了鏈上DA。鏈下：區塊生產者不會在鏈上發布交易數據，而是提供加密承諾來證明數據的可用性，以太坊的匯總(rollups)解決方案，以及模塊化(Modular)均采用這種方式。具體實現方式：區塊提議者(BlockProposer)需要將每一個區塊的信息發布，節點(Validator)根據可用數據還原交易信息，并驗證blockproposer發布的信息與節點下載全部數據時還原的信息相同。由于區塊提議者只發布部分數據，不排除其隱藏或篡改數據，而對交易發起攻擊。這種攻擊被稱為“datawithholdingattacks”。

目前，有以下4種方式來避免“datawithholdingattacks”：

DataAvailabilityCommittees：PureValidium通過區塊生產者將交易數據存儲在鏈下，這在一定程度上集中化。DAC離線記錄鏈下數據的副本，但需要在發生爭議時使其可用。DAC成員還發布鏈上證明，以證明上述數據確實可用。Proof-of-stakedataavailabilitycommittees：任何人都可以成為驗證者并在鏈下存儲數據。但是，他們必須提供“保證金”，并將其存放在智能合約中。權益證明數據可用性委員會比常規DAC安全得多。它們不僅無需許可和無需信任，而且還具有精心設計的激勵機制來鼓勵誠實的行為。它一定程度解決了DAC的中心化風險的問題。DataAvailabilitySampling(DAS)：在DAS機制中，節點通過對小塊多輪隨機采樣，以驗證數據可用性。由于許多節點同時對塊的不同部分進行采樣，達到統計意義上對確定性以驗證其可用性。DAS不僅適用于輕客戶端數據可用性，也廣泛用于模塊化DA方案。DataAvailabilityProofs:將DAS與糾刪碼結合，由于DAS并沒有驗證全部的數據，區塊提議者仍有可能實行“datawithholdingattack”。糾刪編碼是通過在數據本身上增加冗余數據，以此實現用更少的數據還原交易。由于要求區塊提議者發布的數據更少了，那么如果區塊提議者想實施攻擊，就需要保留至少50%的區塊數據，而未使用糾刪碼時只需保留1%便可實施攻擊。糾刪碼是一種允許通過添加冗余片段將數據集加倍的技術，可用于重建原始數據。從CD-ROM到衛星通信再到二維碼，它在信息技術中無處不在。MustafaAl-Bassam在*什么是數據可用*一文解釋，糾刪碼允許用戶獲取一個塊，例如1MB大，然后將其“放大”到2MB大，其中額外的1MB是稱為糾刪碼的特殊數據。如果塊中的任何字節丟失，用戶可以通過代碼輕松恢復這些字節。即使多達1MB的塊丟失，您也可以恢復整個塊。相同的技術可以讓計算機讀取CD-ROM中的所有數據，即使它已受損。

數據：Paxos已將2000萬枚BUSD轉移至Crypto.com:11月22日消息，據派盾PeckShield監測顯示，Paxos已將2000萬枚BUSD轉移至加密交易所 Crypto.com。[2022/11/22 7:55:20]

目前最常用的是Reed-Solomon編碼。實現方式是，從k個信息塊開始，構造相關的多項式，并在不同的x坐標處對其進行評估，以獲得編碼塊。使用RS糾刪碼，隨機采樣丟失大塊數據的可能性非常小。KZG多項式承諾(KZGPolynomialCommitment)允許基于對未編碼信息塊的承諾直接驗證Reed-Solomon編碼塊，因此不會為無效編碼留下空間。

Reed-Solomon編碼過程如下：

來源：https://www.paradigm.xyz/2022/08/das

下面我們將通過比較數據可用性，對模塊化解決方案進行分析。

解讀：模塊化項目/解決方案

Danksharding

Danksharding是以太坊模塊化解決方案。不同于簡單的Sharding，Danksharding使用DAS驗證數據可用性，解決了Sharding的單個分片上驗證者隱藏數據作惡的問題。Sharding將區塊和區塊提議者分散在不同的分片上，而Danksharding引入合并市場費用(MergeFeeMarket)的概念，唯一的區塊提議者將處理所有的交易數據。同時，將區塊建設者和區塊提議者分離(PBS)，避免了提升節點要求的問題。

Proto-danksharding(EIP-4844)是實現完整分片路線圖的途徑。其提出了一種新的交易類型“Blob攜帶交易”(Blob-carryingTransaction)。Blob的特點是相同數據大小，比calldata要便宜很多，且數據容量大于calldata。

不同于使用簡單的KZG多項式承諾，Proto-danksharding采用的是哈希后的KZG多項式承諾，以實現EVM兼容和未來容量兼容。

不同于EIP-4488試圖大幅降低gas成本，Blob并不會降低gas費用，但會降低layer2協議的交易費用。目的不同，EIP-4488只是作為臨時解決方案，分片將是最終的擴容解決方案。

來源：Ethereum.org

Validium

簡單來說，Validium是以以太坊為中心的L2擴容方案，Validium類似zkRollup，唯一的區別是它會把數據可用性放在鏈下。由此，Validium極大程度的實現擴容-達到每秒9000筆交易的速度。

數據：FTX的USDT儲備降至約2180萬美元:11月7日消息，Nansen數據顯示，加密交易所FTX內的USDT儲備數量降至約2180萬美元。[2022/11/7 12:27:06]

為了更好地理解Validium，不得不提采納Validium實現數據可用性方案的項目-StarkEX。StarkEX是由StarkWare開發的、STARK支持的可擴展性引擎，可被應用于加密貨幣交易所。StarkEx于2019年夏天上線，它采用zk-STARK有效性證明的獨立式定制化擴容解決方案。目前有dYdX、Sorare、Immutable和Deversifi四款產品。

StarkEX的數據可用性有三種可選擇的模式：zk-Rollup，Validium和Volition。其中Validium是一種鏈下的數據可用性方案。在這個方案里，數據的安全性由數據可用委員會的八個節點來維護。

這個方案的好處是降低的交易費用和隱私性：首先用戶不再需要為數據上鏈而付費，因為大部分的gas費用都用在更新鏈上的狀態性上。此外，Validum把用戶的賬戶額度信息放在鏈下，由DAC來保管維護保證了隱私性。

但是用戶需要權衡的是雖然Validium使交易費用降低且擁有相對的隱私性，但是他們需要信任DAC成員。這也是Validium方案中最大的弱點。

首先，DAC的簽名鑰匙存儲在鏈上，這意味著這些鑰匙很容易被攻擊。比如攻擊者可以把Validium轉換成只有他們才知道的狀態，由此來凍結資產，要求贖金。僅僅由八個成員組成的DAC類似于一個名譽證明的網絡，安全性相對較弱。

此外，StarkEX的Validium也相對中心化，因為Validium的操作者，或稱數據可用性管理者，完全可以凍結用戶的資產。他們可以改變哈希后的狀態而不向用戶披露。然而缺少了這一信息，用戶則無法為其賬戶創建所有權證名。

相比之下，zkRollup的解決方案不會發生凍結用戶資金的問題。這是因為對于zkRollup來說重建狀態所需的信息必須調用以太坊的交易數據，否則zkRollup就會拒絕改變狀態。換句話來說，在zkRollup的安全性和狀態性均由以太坊主網所保證。只要用戶向以太坊上的zkRollup合約提交申請即可提取他們的資產。然而，向以太坊主網提交的信息驗證請求以及驗證的過程均伴隨著一小筆gas費用，而這筆費用隨著交易數量增加而線性增加。所以相比Validium的方案，zkRollup只能實現每秒2000筆的交易。

值得一提的是StarkEX還有第三種數據可用方案Volition，但是理解起來相對簡單。它是一種混合的數據可用性制度，即讓用戶來選擇把數據可用放在鏈下或鏈上，權衡利弊。

zkPorter

之前已經提到，zkRollup的擴容方案是讓交易在鏈下處理，然后再把結果同步給以太坊上的全節點-具有鏈上數據可用性。

BTC供應百分比最近活躍1年以上達到1個月高點:金色財經報道，Glassnode數據顯示，BTC供應百分比最近活躍1年以上剛剛達到65.672%的1個月高點。[2022/8/15 12:25:16]

具體來說，如果一個zkRollup賬戶的用戶想證明她/他在此賬戶擁有資產，用戶則可以自己提供一個MerklePath并把狀態的改變或者最終狀態廣播至以太坊網絡的每一個全節點。這樣即使zkRollup的操作者作惡想要隱藏某個數據，用戶都可以直接從以太坊的網絡提取數據。雖然這個方案賦予了用戶對數據可用的自主掌握權，或是說“任何人可以自行重建Layer2的狀態，以確保抗審查”。但是這伴隨而來的是擴容上的瓶頸，因為以太坊網絡驗證狀態改變的這一動作是占用區塊空間的。

而zkPorter是zkRollup的進階擴容方案，這個方案與前者的區別是，zkPorteraccount的用戶將不會把狀態改變作為calldata更新至以太坊主網上，而是發送至由守護者組成的網絡。

注意這里，與StarkEX方案中的Validium不同的是，zkPorter的數據可用性是由守護者來維持和保護的。通過權益證明的方式，守護者質押zkSync的代幣并且跟蹤數據可用性的狀態。一旦漏掉任何一筆交易，守護者的質押都將被銷毀，相比Validium的DAC依靠信譽實現安全，zkPorter則從加密經濟上保證安全去掉了需要信任的假設。

zkPorterbyzkSync@ETHGlobal

來源：https://www.youtube.com/watch?v=dukgSVE6fxc&ab_channel=MatterLabs

雖然zkRollup和zkPorter是兩種擴容方案，但這并不妨礙著兩側的合約和賬戶無縫交互。此外，從用戶體驗上來看，zkPorter賬戶的交易費用減少了100倍。zkPorter能夠實現便宜的交互費用是因為它不像rollup那樣向以太坊上的全節點發布數據，從而導致成本的增加。

來源：https://twitter.com/zksync/status/1381955843428605958

Eigenlayer

Eigenlayer是建立在以太坊POS基礎上的再質押協議(Re-staking)。通過將權益證明質押的ETH、包含ETH的LP代幣，或者包含stETH的LP代幣進行二次質押，來運行節點驗證服務。這些服務可以包括：中間件、預言機、側鏈、二層網絡等協議。它提供了一個統一的質押平臺，使得其他協議可以直接采用，而不用建立自己的驗證器和池子，從而可以將更多精力放在開發核心協議和用戶體驗上。Eigenlayer不僅為其他協議的節點驗證服務帶來了統一標準，也提高了ETH質押者的收益。

來源：https://messari.io/report/eigenlayer-to-stake-and-re-stake-again

Datalayr是建立在Eigenlayer之上的數據可用性協議中間件。Datalayr使用KZG多項式承諾和糾刪碼，結合欺詐證明和強制披露為節點提供誠信保證。它們在測試網擁有10MB/s的吞吐量，這是在不考慮歷史數據的情況下。隨著節點數量增多，可用的吞吐量就越多，驗證也越便宜。擁有1,000個節點將使以太坊能夠處理330TX/s。

Datalayr的缺點是，尚不知道能激勵多少ETH質押者提供數據可用性服務。因此，并不能斷言其擴展能力和安全性。

PolygonAvail

PolygonAvail是一個模塊化的數據可用性區塊鏈。旨在為其他的獨立鏈、側鏈或鏈下數據可用性擴展。采用KZG多項式承諾，數據可用性抽樣(DAS)和糾刪碼，使得輕客戶端也能作為數據可用性驗證，而不依賴欺詐證明。Polygon8月30日發布的測試數據顯示，目前，Avail的出塊時間為20秒，每個塊能夠保存大約2MB的數據。假設平均事務大小為250字節，現在每個PolygonAvail塊可以容納大約8,400個事務。

除了用于數據可用性的PolygonAvail，Polygon生態的擴容解決方案還包括：

PolygonPoS：EVM兼容的以太坊側鏈，通過一系列無需許可的PoS節點確保安全；PolygonHermez，基于zk-rollup的以太坊layer2；**PolygonEdge：**提供可定制的模塊化框架，支持私有或公有的以太坊兼容的區塊鏈；PolygonNightfall,是一個OptimisticRollup，旨在降低私下轉移ERC20、ERC721和ERC1155代幣的成本;**PolygonMiden：**是基于zk-STARK的以太坊二層擴容解決方案，其核心是MidenVM：一個圖靈完備的基于STARK的虛擬機，它提供了一定程度的安全性并支持目前在以太坊上不可用的高級功能；**PolygonZero：**使用Polygon自己開創的Plonky2零知識證明系統，Plonky2支持高效的遞歸證明生成，允許PolygonZero水平擴展，這意味著協議的吞吐量不受網絡上最弱節點的限制，而僅受可用的總計算量限制。

來源：https://polygon.technology/solutions/polygon-avail/

項目對比圖：

參考資料：

https://medium.com/@Jon_Charbonneau/celestia-the-foundation-of-a-modular-blockchain-world-95900fe2cfb0

https://twitter.com/ptrwtts/status/1509869606906650626

https://mp.weixin.qq.com/s/mpHSH-L48jJebtFZQrg3kw

https://rainandcoffee.substack.com/p/the-modular-world

https://twitter.com/apolynya/status/1517137608253485059

https://twitter.com/zksync/status/1381955843428605958

https://www.tuoluo.cn/article/detail-10012090.html

https://coinmarketcap.com/alexandria/article/what-is-data-availability

https://www.chaincatcher.com/article/2077770

https://messari.io/report/rollups-execution-through-the-modular-lens

https://ethereum.org/en/developers/docs/data-availability/

https://www.paradigm.xyz/2022/08/das

https://messari.io/report/progression-of-the-data-availability-problem?referrer=author:eshita-nandini

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