模塊化區塊鏈：數據可用的重要性

DODO 研究院

特邀专栏作者

2022-10-26 12:00

本文約9295字，閱讀全文需要約14分鐘

這篇文章將分析專注於數據可用性的模塊化區塊鍊和解決方案- 工作機制以及在設計上的取捨。

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Web 3.0 裡被青睞的名詞。但是可組合性並不只是敘事方法，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。那麼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。那麼單體區塊鏈（monolithic）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願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於數據的累積，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採用（mass adoption)，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（throughput）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（Sharding）的初步實施就是要讓分片出來的鏈來執行一級標題。

一級標題

這篇文章將分析專注於數據可用性的模塊化區塊鍊和解決方案- 工作機制以及在設計上的取捨。

模塊化區塊鏈：定義，特點與優勢

總體來說，一旦一個區塊鍊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鍊網絡將於2023 年正式上線主網。

10 月20 日，Celestia 完成5500 萬美元融資，由Bain Capital Crypto 和Polychain Capital 領投。據透露，5500 萬美元是Celestia A 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。

去中心化

去中心化：

去中心化：既然Celestia 上的共識層只專注於數據可用性，網絡中的輕節點可以利用數據可用採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。
此外，安全性
安全性此外，

此外，模塊化區塊鏈具有以下幾點優勢：

可插拔，靈活性：首先，用戶可以基於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 對於“執行層無感知”的狀態開放了虛擬機的設計空間- 它並不需要與EVM 兼容，這賦予了VM 的後起之秀充足的展示和競爭機會，比如LLVM, MoveVM, CosmWasm, FuelVM 等。
來源：來源：

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。硬分叉相當於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。但是由於Celestia 提供了通識的數據可用層，基於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

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，那麼它就不存在。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並讓驗證節點下載它。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 採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)均採用這種方式。

具體實現方式：區塊提議者(Block Proposer) 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，並驗證block proposer 發布的信息與節點下載全部數據時還原的信息相同。由於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“data withholding attacks”。

目前，有以下4 種方式來避免“data withholding attacks”：

Data Availability Committees：Pure Validium 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-stake data availability committees：任何人都可以成為驗證者並在鏈下存儲數據。但是，他們必須提供“保證金”，並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。
Data Availability Sampling(DAS)：在DAS 機制中，節點通過對小塊多輪隨機採樣，以驗證數據可用性。由於許多節點同時對塊的不同部分進行採樣，達到統計意義上對確定性以驗證其可用性。 DAS 不僅適用於輕客戶端數據可用性，也廣泛用於模塊化DA 方案。
Data Availability Proofs: 將DAS 與糾刪碼（erasure coding）結合，由於DAS 並沒有驗證全部的數據，區塊提議者仍有可能實行“data withholding attack”。糾刪編碼是通過在數據本身上增加冗餘數據，以此實現用更少的數據還原交易。由於要求區塊提議者發布的數據更少了，那麼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餘片段（erasure code）將數據集加倍的技術，可用於重建原始數據。從CD-ROM 到衛星通信再到二維碼，它在信息技術中無處不在。 Mustafa Al-Bassam 在什麼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，然後將其“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鬆恢復這些字節。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。

一級標題

來源：

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

一級標題

解讀：模塊化項目/解決方案

Danksharding

Danksharding 是以太坊模塊化解決方案。不同於簡單的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 引入合併市場費用(Merge Fee Market) 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-carrying Transaction)。 Blob 的特點是相同數據大小，比calldata 要便宜很多，且數據容量大於calldata。

圖片描述

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。

為了更好地理解Validium，不得不提採納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，可被應用於加密貨幣交易所。 StarkEx 於2019 年夏天上線，它採用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。在這個方案裡，數據的安全性由數據可用委員會（DAC）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鍊而付費，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 類似於一個名譽證明的網絡（Proof-of-Authority），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。他們可以改變哈希後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。這是因為對於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（藍狐筆記，2020）。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，然後再把結果同步給以太坊上的全節點- 具有鏈上數據可用性。

任何人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佔用區塊空間的。

來源：

zkPorter by zkSync @ ETH Global

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

來源：100來源：

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

Eigenlayer

來源：

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10 MB/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330 TX/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，並不能斷言其擴展能力和安全性。

Polygon Avail

Polygon Avail 是一個模塊化的數據可用性區塊鏈。旨在為其他的獨立鏈、側鍊或鏈下數據可用性擴展。採用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。 Polygon 8 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2 MB 的數據。假設平均事務大小為250 字節，現在每個Polygon Avail 塊可以容納大約8,400 個事務（每秒420 個事務）。

除了用於數據可用性的Polygon Avail，Polygon 生態的擴容解決方案還包括：

Polygon PoS： 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；Polygon Hermez，基於zk-rollup的以太坊layer2；
Polygon Edge：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；Polygon Nightfall, 是一個Optimistic Rollup，旨在降低私下轉移ERC20、ERC721 和ERC1155 代幣的成本;
Polygon Miden一級標題
Polygon Zero免責聲明
來源：https://polygon.technology/solutions/polygon-avail/