Delphi Digital 深度報告：區塊鏈擴容的終局_ROLL

注：原文來自DelphiDigital，作者是CanGurel。

報告要點：

單片鏈受限于單個節點可處理的內容，而模塊化生態則越過了這一限制，提供了一種更可持續的擴容形式；

模塊化背后的一個關鍵動機是有效的資源定價。模塊化鏈可通過將應用程序分成不同的資源池來提供更可預測的費用；

然而，模塊化引入了一種新的稱為數據可用性的問題，我們可以通過多種方式解決該問題。例如，Rollup可以批量處理鏈下數據，并將其提交到鏈上，通過在鏈上提供“數據可用”，它們克服了這個問題，并繼承了基礎層的底層安全性，建立了去信任的L1<>L2通信；

最新形式的模塊化鏈，稱為專用數據可用性層，其旨在用作Rollup的共享安全層。鑒于DA鏈具有可擴展性優勢，其有可能成為區塊鏈擴容的終局，而Celestia是這方面的先驅項目。

ZK-Rollups可提供比OptimisticRollups更多的可擴展性，我們已經在實踐中觀察到了。例如，dYdX的吞吐量大約是Optimism的10倍，同時消耗的L1空間僅僅是后者的1/5。

鏈上活動正在以極快的速度在發展，而隨之而來的是用戶對區塊空間的需求。

從本質上講，這是一場可擴展性戰爭，這涉及到了平行鏈、側鏈、跨鏈橋、zone、分片、rollup、數據可用性等技術術語。在這篇文章中，我們嘗試消除這種噪音，并詳細闡述這場可擴展性戰爭。所以，在你系好安全帶之前，請先喝杯咖啡或茶，因為這將是一段漫長的旅程。

尋求可擴展性

自從Vitalik提出著名的可擴展性三難困境以來，加密社區便一直存在著一種誤解，即認為三難困境是一成不變的，一切都必須權衡取舍。雖然這在大多數情況下是正確的，但我們時不時會看到三難困境的界限被拉升了。

當我們瀏覽不同的設計時，我們會重點介紹其中的一些示例。但在我們開始之前，定義可擴展性的含義是很重要的。簡而言之，可擴展性是在不增加驗證成本的情況下處理更多交易的能力。考慮到這一點，讓我們來看看當前各大區塊鏈的tps數據。在這篇文章中，我們將解釋實現這些不同吞吐量水平的設計屬性。重要的是，下面顯示的數字并不是它們能夠達到的最高水平，而是這些協議歷史使用情況的實際值。

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單片鏈VS模塊化鏈

單片區塊鏈

首先，讓我們來看單片鏈，在這個陣營中，PolygonPoS和BSC并不符合我們的可擴展性定義，因為它們只是通過更大的區塊來增加吞吐量。雖然這種權衡有其市場契合度，但它們并不是長期解決方案，因此并沒有那么引入注目。而Polygon認識到了這一點，并正在轉向以rollup為中心的更可持續的解決方案。

另一方面，Solana是對完全可組合的單片區塊鏈邊界的一次認真嘗試，Solana的秘密武器被稱為歷史證明(PoH)賬本，PoH的想法是創建一個全局時間概念，所有交易，包括共識投票，都帶有發行人附加的可靠時間戳。這些時間戳允許節點在不等待每個區塊上彼此同步的情況下取得進展。Solana通過優化其執行環境來并行處理tx，而不是像EVM那樣一次處理一筆tx，從而實現更好的擴容。

盡管Solana實現了吞吐量增益，但在很大程度上，它仍然歸功于更密集的硬件和網絡帶寬使用。雖然這降低了用戶的費用，但它將節點操作限制在有限的數據中心。這與以太坊形成了對比，以太坊雖然由于高昂的費用而無法為許多人所使用，但最終由其活動用戶管理，這些用戶可以在家中運行節點。

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單片區塊鏈如何會失敗？

單片區塊鏈的可擴展性，最終會受到單個強大節點可處理能力的限制。不管人們對去中心化的主觀看法如何，在將治理權限制在相對較少的行動者手中之前，只能大力推動這種容量。相比之下，模塊化鏈在不同節點之間拆分總工作量，因此可產生比任何單個節點可以處理的總吞吐量更多的吞吐量。

至關重要的是，去中心化只是模塊化圖片的二分之一。與去中心化一樣重要的是模塊化背后的另一個動機，即有效的資源定價。在單片鏈中，所有tx都爭奪相同的區塊空間并消耗相同的資源。因此，在區塊鏈擁堵的情況下，市場對單個應用的超額需求會對鏈上的所有應用產生不利影響，因為每個人的費用都在上漲。自從CryptoKitties在2017年造成以太坊網絡擁堵之后，這個問題一直就存在著。重要的是，額外的吞吐量從來沒有真正解決過問題，而是推遲了它。互聯網的歷史告訴了我們，每增加一次容量都會為新的、不可行的應用騰出空間，而這些應用往往會迅速消耗剛剛增加的額外容量。

最后，單片鏈根本無法針對具有不同優先級的、截然不同的應用進行自我優化。以Solana為例，Kin和SerumDEX就是一個例子。Solana的低延遲適用于像SerumDEX這樣的應用，然而，維持這樣的延遲也需要限制狀態增長，這是通過為每個賬戶收取狀態租金來強制執行的。反過來，這對像Kin這樣的賬戶密集型應用會產生不利影響，這些應用程序由于高昂的費用而無法向大眾提供Solana的吞吐量。

展望未來，期望單一資源池能夠可靠地支持各種crypto應用是天真的。雖然增加完全可組合鏈的吞吐能力很有用，但我們需要更廣泛的設計空間和更好的資源定價以供主流采用。這就是模塊化方法發揮作用的地方。

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區塊鏈的演進

在擴容的神圣使命中，我們見證了從“可組合性”到“模塊化”的趨勢轉變。首先，我們要定義這些術語：可組合性是指應用程序以最小化摩擦的方式相互無縫交互的能力，而模塊化是將系統分解為多個單獨部件的工具，這些部件可以隨意剝離和重新組裝。

以太坊Rollup、ETH2.0分片、CosmosZone、波卡平行鏈、雪崩Subnet、Near的Chunk以及Algorand的副鏈都可以被視為模塊。每個模塊在各自的生態系統中處理總工作負載的一個子集，同時保持跨通信的能力。當我們深入研究這些生態系統時，我們會注意到，模塊化設計因其跨模塊實現安全性的方式而大不相同。

Avalanche、Cosmos和Algorand等多鏈hub最適合獨立安全模塊，而以太坊、波卡、Near和Celestia則設想了最終共享或繼承彼此安全性的模塊。

多鏈/多網絡Hub

最簡單的模塊化設計稱為互操作性Hub，這是指通過標準協議相互通信的多條鏈/網絡。Hub提供了更廣闊的設計空間，因此它們可以在許多不同層面定制特定于應用的區塊鏈，這包括虛擬機、節點需求、費用模型以及治理。應用鏈的靈活性是通用鏈上的智能合約無法比擬的，讓我們簡要回顧一些例子：

Terra為價值超過80億美元的去中心化穩定幣提供了支持，它有一個特殊的費用和通脹模型，Terra針對其穩定幣的采用和穩定性進行了優化。

目前IBC處理量最大的跨鏈DEXOsmosis，其對tx進行了加密，直到它們最終確定以防止front-running搶先交易。

Algorand和Avalanche旨在在自定義網絡上托管企業用例。從政府機構運營的CBDC到由游戲公司委員會運營的游戲網絡，這些都是可行的。重要的是，這種網絡的吞吐量可通過更強大的機器來提高，而不會影響其他網絡/鏈的去中心化水平。

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Hub還提供了可擴展性優勢，因為它們可以更有效地使用資源。以雪崩Avalanche為例，C-Chain用于兼容EVM的智能合約，而X-Chain用于P2P支付。因為支付通常可以相互獨立，X-Chain可以并發處理某些tx。通過核心實用程序分離VM，雪崩Avalanche可以處理更多的tx。

這些生態系統還可以通過根本性創新進行垂直擴展。Avalanche和Algorand在這里尤其突出，因為它們通過減少共識的通信開銷實現了更好的擴容，Avalanche通過“二次抽樣投票”過程來實現這一點，而Algorand使用廉價的VRF節點來隨機選擇一個唯一的委員會來就每個區塊達成共識。

以上，我們列出了hub方式的優勢。然而，這種方法也遇到了一些關鍵的限制。而最明顯的限制，就是區塊鏈需要引導自己的安全性，因為它們無法共享或繼承彼此的安全性。眾所周知，任何安全的跨鏈通信都需要受信任的第三方或同步假設。在hub方式的情況下，受信任的第三方成為交易對手鏈的主要驗證者。

例如，通過IBC從一條鏈連接到另一條鏈的代幣，總是可以被惡意的大多數源鏈驗證者贖回。在今天只有少數鏈共存的情況下，這種多數信任假設可能會很好地工作，然而，在可能存在鏈/網絡長尾的未來，期望這些鏈/網絡信任彼此的驗證者以進行通信或共享流動性，遠非是理想的。這將我們帶到提供跨鏈通信的rollup和分片，并提供超越多數信任假設的更強保證。

數據可用性

經過多年的研究，人們普遍認為所有安全共享工作都歸結為一個非常微妙的問題，稱為數據可用性，要理解其中的原因，我們需要快速了解一下節點在典型區塊鏈中的運行方式。

動態 | 區塊鏈賽車游戲F1 Delta Time推出新加密收藏品:據coindesk報道，區塊鏈賽車游戲F1 Delta Time剛剛推出了一系列新的加密收藏品，包括汽車、驅動程序和組件。這些收集品基于ERC-271的非可替代令牌標準，該標準允許每個令牌具有不同的屬性。然而，基于ERC-20令牌標準的可互換代幣（FT）將在游戲中充當貨幣，并將用于交易，例如支付入場費和購買某些物品。[2019/5/28]

在典型的區塊鏈中，全節點下載并驗證所有的tx，而輕節點只檢查區塊頭。因此，雖然全節點可以獨立檢測和拒絕無效交易，但輕節點將大多數人提交的任何內容視為有效tx。

為了改進這一點，理想情況下，任何單個全節點都可以通過發布小的證明來保護所有輕節點。在這樣的設計下，輕節點可以像全節點一樣以類似的安全保證運行，而無需花費盡可能多的資源。但是，這引入了一個稱為數據可用性的新問題。

如果惡意驗證者發布了一個區塊header，但扣留了區塊中的部分或全部交易，則全節點將無法判斷該區塊是否有效，因為丟失的交易可能無效或導致雙花。如果沒有這些知識，全節點就無法生成無效欺詐證明來保護輕節點。總之，首先要使保護機制發揮作用，輕節點必須確保驗證者已提供所有交易的完整列表。

DA問題是模塊化設計中不可或缺的一部分，在涉及跨鏈通信時，它將超越多數信任假設。在L2中，rollup之所以特別，是因為它們不想回避這個問題。

Rollup

在rollup的環境中，我們可以將主鏈視為rollup(Arbitrum)的輕節點，Rollup在L1上發布其所有的交易數據，以便任何愿意將資源放在一起的L1節點都可以執行它們，并從頭開始構建rollup狀態。有了完整的狀態，任何人都可以將rollup轉換為新狀態，并通過發布有效性或欺詐證明來證明轉換的有效性。在主鏈上擁有可用數據，允許rollup在可忽略的單一誠實節點假設下運行，而不是在誠實多數的情況下進行。

考慮以下內容以了解rollup如何通過此設計實現更好的可擴展性：

由于具有當前rollup狀態的任何單個節點，都可以保護沒有該狀態的所有其他節點，因此rollup節點的中心化風險較小，因此可以合理地使rollup區塊更大。

即使所有L1節點都下載與其交易相關的rollup數據，但只有一小部分節點執行這些tx并構建rollup狀態，從而減少了整體的資源消耗。

rollup數據在發布到L1之前，使用了巧妙的技術進行了壓縮。

與應用鏈類似，rollup可以針對特定用例定制他們的VM，這意味著更有效地使用資源。

截至目前，我們都知道有兩大類的rollup：Optimisticrollup和ZK-rollup，從可擴展性的角度來看，ZK-rollup比Optimisticrollup更有優勢，因為它們以更有效的方式壓縮數據，從而在某些用例中實現了更低的L1占用空間。這種細微差別已經在實踐中可以觀察到了。Optimism將數據發布到L1以反映每筆tx，而dYdX將數據發布以反映每個賬戶余額。因此，dYdX的L1占用空間是Optimism的1/5，并且估計處理的吞吐量大約是10倍的差距。這種優勢自然會轉化成ZK-rollup二層網絡擁有較低的費用。

與Optimisticrollup上的欺詐證明不同，來自ZK-rollup的有效性證明還支持一種新的可擴展性解決方案，稱為volition。盡管volition的全部影響還有待觀察，但它們似乎非常有希望，因為它讓用戶可以自由決定是在鏈上還是在鏈下發布數據。這允許用戶根據其交易的類型決定它們的安全級別。zkSync和Starkware都將在接下來的幾周/幾個月內推出volition方案。

盡管rollup應用了巧妙的技術來壓縮數據，所有數據仍必須發布到所有L1節點。因此，rollup只能提供線性擴展性收益，并且在降低費用方面會受到限制，它們還會受到以太坊gas價格波動的高度影響。為了可持續擴展，以太坊需要擴展其數據容量，這解釋了以太坊分片的必要性。

分片和數據可用性證明

分片進一步放寬了所有主鏈節點下載所有數據的要求，而是利用一種稱為DA證明的新原語來實現更高的可擴展性。使用DA證明，每個節點只需下載一小部分分片鏈數據，知道其中的一小部分就可以共同重建所有分片鏈區塊。這實現了跨分片的共享安全性，因為它確保任何單個分片鏈節點都可以提出爭議，由所有節點按需解決。Polkadot和Near已經在他們的分片設計中實現了DA證明，這也將被ETH2.0所采用。

在這一點上，值得一提的是，ETH2.0的分片路線圖與其他路線圖有什么不同。盡管以太坊的最初路線圖是像Polkadot一樣，但它最近似乎轉向了僅分片數據。換句話說，以太坊上的分片將作為rollup的DA層。這意味著以太坊將像今天一樣繼續保持單一狀態。相比之下，Polkadot在每個分片具有不同狀態的基礎層上執行所有執行。

將分片作為純數據層的一個主要優點是，rollup可以靈活地將數據轉儲到多個分片上，同時保持完全可組合。因此，rollup的吞吐量和費用不受單個分片的數據容量的限制。有了64個分片，rollup的最大總吞吐量預計將從5KTPS增加到10萬TPS。相比之下，無論波卡整體產生多少吞吐量，費用都會受到單個平行鏈的有限吞吐量的約束。

專用的DA層

專用的DA層是模塊化區塊鏈設計的最新形式。它們使用了ETH2.0DA層的基本思想，但將其引導到不同的方向。這方面的開創性項目是Celestia，但諸如PolygonAvail等較新的解決方案，也在朝著這個方向發展。

與ETH2.0的DA分片類似，Celestia充當了基礎層，其他鏈可以插入以繼承安全性。Celestia的解決方案在兩個基本方面與以太坊不同：

它不會在基礎層執行任何有意義的狀態執行。這使rollup免于高度不可靠的基礎層費用，在有狀態的環境中，這些費用可能會因為代幣銷售、NFT空投或高收益農耕機會的出現而飆升。Rollup消耗相同的資源以用于安全性，并且僅用于安全性。這種效率允許rollup費用主要與該特定rollup而不是基礎層的使用相關聯。

由于DA證明，Celestia可以在不分片的情況下增加其DA吞吐量。DA證明的一個關鍵特性是，隨著更多節點參與采樣，就可以存儲更多數據。在Celestia的例子中，這意味著隨著更多的輕節點參與DA采樣，區塊可以變得更大。

與所有設計一樣，專用的DA層也有一些缺點。一個直接的缺點是缺少默認的結算層。因此，為了彼此共享資產，rollup必須實施方法來解釋彼此的欺詐證明。

總結

我們評估了不同的區塊鏈設計，包括單片鏈、多鏈hub、rollup、分片鏈以及專用的DA層。鑒于多鏈hub相對簡單的基礎設施、更廣泛的設計空間以及橫向擴展的能力，我們認為多鏈hub最適合解決區塊鏈行業的緊迫需求。而從長遠來看，考慮到資源效率和獨特的可擴展性，專用的DA層很可能會成為擴容的終局。

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