模块化区块链和汇总：以太坊及其未来

模块化区块链简介

在我们深入讨论之前，您需要认识到为什么区块链汇总和模块化总是一起被提及。这里最重要的是要意识到这两个概念都旨在解开不同的区块链功能，以提高性能。您会理解我在说什么，请再耐心一点。

让我们从像最初的以太坊这样的单体区块链开始。这些区块链在一个层级框架内处理所有关键组件——共识、智能合约、数据可用性、交易执行和结算。虽然这种集成设计可以正常运作，但它也带来了可扩展性挑战，因为所有内容都在一个层级中处理，依赖于同一组节点，这导致了瓶颈。

与现代模块化区块链相比，它们采用不同的机制，通过将关键功能分解为专业层，在不同的节点上执行不同的任务。例如，结算层最终确定交易结果，形成一个信任最小化的账本，通常与汇总上的执行结合使用。它的主要目的是为汇总提供证明验证和争议解决。数据可用性层和共识层确保交易的数据可用于链下验证和处理，因为为了让网络对区块链的状态达成共识，这是至关重要的。智能合约是在执行层上执行的代码，处理去中心化应用程序（dApps）的交易。而执行层处理交易和智能合约，并确保所有计算工作高效地执行。汇总是一种扩展解决方案，在链下执行交易并将数据发布到链上的执行层。

单体区块链与模块化区块链的比较

综上所述，像Arbitrum和Optimism这样的Rollup通过在链外执行，演变成了单体区块链（如以太坊）的扩展解决方案。

然而，在这种模块化方法中，它们变得至关重要，通常作为一个独立层来处理交易并将数据发布回第一层。这种Rollup与模块化架构之间的紧密关系是它们在探讨区块链可扩展性未来时经常一起讨论的原因。我们将在接下来的部分深入探讨这个话题！敬请期待。单体区块链与模块化区块链因此，你现在已经知道单体区块链和模块化区块链是构建区块链的两种不同架构形式，各自都有其优缺点。但与其谈论理论，不如明确差异，并将一些实际使用的模块化区块链与其单体等价物进行比较。

在以太坊等单体区块链开始时，由于燃气费用过高和网络拥堵导致交易速度较慢，它面临着可扩展性问题。在以太坊增长的过程中，由于它是单体形式，每个节点处理和存储每笔交易，这限制了吞吐量并使扩展变得更加困难。

自那时以来，为了进行这些改进，已经进行了许多更新。向以太坊2.0的过渡引入了权益证明（PoS）共识机制，我们看到像Optimism、Arbitrum和zkSync这样的二层扩展解决方案激增，然而，模块化区块链范式相对较新，是截至2024年的最新发展之一。模块化区块链，如Celestia，将区块链功能分为多个层次，例如执行、共识和数据可用性。这导致了一个方面，即并不是每个节点都必须做所有事情。节点可以专注于一个层次，通常网络的负载较低。

理解Rollups

Rollups通常提供强大的扩展解决方案，而不会与主区块链断开，以确保安全性和数据可用性。基本上，它们将多个交易“汇总”成一个批次，减少了共识和数据可用性所需的基础层负载。

Rollups的工作原理：

如果您正在进行小额加密货币转账，并且有时间等待几分钟或几小时以验证您的交易，您可能不需要Rollup。但如果您需要大额交易、更快的确认时间，或者进行大量交易，Rollups将是一个很大的优势。
 

截至2024年10月7日，像Optimism、Arbitrum和zkSync这样的以太坊扩展解决方案的燃气价格通常在0.001到0.02 ETH、0.0015到0.015 ETH和0.001到0.005 ETH之间。

因此，如果您在以太坊上持有加密货币并希望节省费用或时间，使用扩展解决方案是明智的选择。

通常发生的情况是：您打开您的钱包，例如MetaMask或WalletConnect，如果您的余额在以太坊主网中，您将其桥接到像zkSync这样的扩展解决方案上。

然后，您可以简单地在zkSync账户之间发送交易。简单高效！但扩展解决方案的后台是如何工作的呢？ 

1. 链外处理：在像Celestia这样的模块化区块链中，大多数链外计算工作，例如交易执行和智能合约处理，发生在扩展层上，从而减轻主链的拥堵。扩展解决方案不是直接在主区块链上执行每一笔交易，而是将数百万笔交易聚合成一个单一的包，从而减少计算开销。 
2. 批量提交：一旦链外处理完成，它们会一起以批量提交的方式发送到主链。提交的大小最小，仅包含与验证相关的数据，相比于在基础链上单独处理每笔交易要小得多。 
3. 链上数据可用性：执行是在链外完成的，但数据必须可用以进行验证并达成共识。扩展解决方案发布压缩数据的证明，合法性或欺诈证明，以便在主链上进行公开交易验证。可用两种类型的扩展证明：合法性证明（由ZK-Rollups使用）和欺诈证明（由乐观扩展使用）。
4. 对第一层安全性的依赖：扩展解决方案仍然依赖于第一层链的安全性和共识。如果扩展解决方案是乐观的，任何人都可以通过欺诈证明挑战交易的有效性。在ZK-rollups中，合法性证明确保只有有效的交易被接受。我们马上就会讨论这个，请稍等！
5. 交易最终性：一旦交易批次在第一层区块链上结算，批次内的交易就是最终的。根据扩展解决方案是乐观的还是基于ZK的，最终性几乎可以瞬间发生。

是时候谈谈不同类型的扩展解决方案了，因为我相信您有问题。

乐观扩展解决方案解释

Optimism和Arbitrum是乐观扩展解决方案的热门实现，但还有一些其他显著的解决方案，如Base、Metis和Cartesi。 

还有一些其他显著的解决方案，如Base、Metis和Cartesi。 

乐观扩展解决方案是一类旨在通过链外执行交易来提高以太坊吞吐量的第二层扩展解决方案。

乐观扩展解决方案默认将交易视为有效，因此称为“乐观”以指代这种验证方法。

乐观扩展解决方案不是在链上验证所有交易，而是仅向以太坊第一层报告交易的批量摘要，从而减轻第一层的计算负担和存储负担，减少第一层的计算和存储压力。这与依赖密码学证明来验证交易有效性的zk-rollups大相径庭。乐观扩展解决方案的安全模型基于欺诈证明，用户可以在争议期内对欺诈交易提出异议。在链外结算交易后，通常会有一个时间窗口——通常是几周——在此期间任何人都可以通过提供欺诈证明来对不明确的交易提出异议。一旦发现欺诈，系统会重新执行交易以检查其是否合法。它通过允许大多数交易在没有直接验证的情况下进行，同时具备撤销恶意活动的手段，平衡了可扩展性和安全性。像Arbitrum和Optimism这样的乐观扩展解决方案通过降低燃气费用和增强交易能力提供可扩展性优势，因此非常适合优化以减少燃气费用和扩展交易能力的dApp。缺点在于由于挑战期导致的较长最终性时间，使其在时间敏感的操作中不太理想。

ZK扩展解决方案：深入探讨 

零知识（ZK）扩展解决方案为扩展提供了高端解决方案，利用密码学证明进行交易验证和效率，特别是针对以太坊。与乐观扩展解决方案假设交易有效直到另行确定不同，ZK扩展解决方案使用密码学证明确保批次内的所有交易实际上都是有效的。使用密码学证明使ZK扩展解决方案成为一种强大安全的选择，特别适用于即时性和高信任最终性至关重要的场合。ZK扩展解决方案的操作涉及一系列关键步骤。首先，类似于乐观扩展解决方案，ZK扩展解决方案在链外执行交易。然而，区别在于它们验证这些交易的方式：ZK扩展解决方案生成交易的合法性证明（zk-SNARKs），以批量的方式生成，确保在提交到主链之前的完整性经过验证。然后，对于一个交易批次，ZK扩展解决方案生成一个称为zk-SNARK（零知识简洁非交互式知识论证）的简短密码证明。该证明验证批次内所有交易的正确性，而不暴露任何底层信息，也不要求主区块链验证每笔交易。

一旦生成 zk-SNARK，只需将证明和一小段特定于批次的数据发送到主区块链。

这减少了数据量和处理交易的燃气费用。

发布后，主区块链会根据提供的数据检查 zk-SNARK 证明。

如果检查通过，整个批次将被视为有效，无需进一步检查，从而实现几乎即时的最终性。

这种快速验证机制极大地增强了用户体验，特别是对于那些时间至关重要的用例。

在安全性和信任方面，ZK rollups 继承了基础 Layer 1 区块链（例如以太坊）的安全性，并由于加密证明享有对交易正确性的高度信心。这种方法减少了在乐观 rollups 的挑战期内可能发生的欺诈可能性。

ZK rollups 的优势是显著的。它们通过将多个交易有效地压缩为一个证明，显著提高了可扩展性，同时降低了燃气成本。由于 zk-SNARKs 实现的近乎即时的最终性，它们特别适合需要立即确认交易的应用，如支付和交易。此外，ZK rollups 加强了用户匿名性，因为特定交易的细节被隐藏在呈现给主区块链的证明中，因此非常适合具有保密要求的应用。像 zkSync 和 StarkWare 这样的流行 zk rollup 产品由于其高效性，已成为以太坊生态系统的一部分。这些产品因其高效性和采用新一代零知识技术而在以太坊生态系统中获得了关注。截止到 2024 年 10 月，像 zkSync 这样的 zk-rollups 的燃气费用在 0.001 ETH 到 0.005 ETH 之间，这对希望在更快的交易速度下节省资金的用户来说是一个巨大的卖点。

L2-MEV 概念

MEV，或最大可提取价值，是从区块链网络中重新排序交易获得的利润。自 2019 年在“Flash Boys 2.0”论文中正式定义以来，MEV 一直是一个热门话题，特别是在 L2 解决方案如 rollups 出现之后。MEV 是套利机器人在 DEX 交易中试图提取的内容，矿工和验证者可以从重新排序的交易中获得利润。序列化者在 rollups 中也在 MEV 提取中发挥着主导作用，管理交易排序和提交到 Layer 1 的区块。问题在于，大多数现有的以太坊 L2 rollups 只有一个集中式序列化者主导交易排序。集中式序列化者对 MEV 提取有很大的控制权，影响交易排序和利润。但可提取的 MEV 大小因排序机制而异。在 Arbitrum 的先到先服务系统中，交易的排序按收据顺序进行，MEV 操作的空间较小。

然而，Optimism 的序列化者具有更高的交易排序控制权，允许更大的 MEV 提取灵活性。

尽管如此，Optimism 确实有检查，即发布交易的时间窗口，这限制了序列化者最大限度地行使这种权力。

随着以太坊的 rollup 导向路线图，展望未来，当 99% 的所有事务最终发生在 L2 上时，rollups 完全成型，部署具有缩减 MEV 提取竞赛机制的 rollups 将对确保网络的公平性和效率至关重要。

L2-MEV 对以太坊的影响

Layer 2 的采用改变了以太坊生态系统，特别是最大可提取价值（MEV）动态的发生。随着以太坊通过 rollups 向前扩展，交易排序和 MEV 提取动态转移到这些 L2 网络中，序列化者，无论是集中式还是去中心化，控制交易的顺序。这为整个以太坊带来了一系列影响： 

1. 可扩展性与权衡

像 Optimism 和 Arbitrum 这样的 L2 解决方案通过减轻其 Layer 1 区块链显著增强了以太坊的可扩展性。然而，序列化者的集中化导致了一个瓶颈，其中 MEV 提取潜力可能增加。以太坊的 rollup 重点路线图必然会提供更大的可扩展性，但会破坏交易的公平排序平衡。

不受限制的集中式序列化者可以利用交易排序，代价是以太坊的去中心化精神，可能推高价格或偏向某些交易——牺牲以太坊的去中心化精神。

2. 序列化者的去中心化

对抗 MEV 提取的现有努力之一是去中心化序列化者功能。部署去中心化的排序协议或竞争序列化者系统可以中和 MEV 攻击，并与以太坊的去中心化目标保持一致，rollups 可以潜在地减少 MEV 滥用。这一点尤其重要，因为以太坊越来越开放于 L2 技术。去中心化将与以太坊的长期去中心化目标保持一致，并提高网络的整体安全性。

3. 经济激励与 MEV 拍卖

随着 MEV 的普遍存在，已经有一些 L2 在测试 MEV 拍卖，其中 MEV 提取的利润归还给验证者或最终用户，而不是被序列化者获取。该协议可以重新部署经济激励，以降低 MEV 的不良影响，从而使价值回归到整体以太坊生态系统，而不仅仅是集中在少数人手中。

4. 用户体验与燃气费用 

L2-MEV 提取可能导致更高的交易费用和延迟的最终性，特别是在可以为利润重新排序交易的集中式序列化者的 rollups 上。相比之下，更去中心化或更具工程设计的 rollups 可以最小化 MEV 提取，从而提供更低成本、低延迟和更安全的体验。

L2 上更低的燃气价格也可能使以太坊实现更广泛的采用，但挑战在于如何确保这些解决方案之间交易排序的公平性。

5. 安全考虑

在 Layer 2 上处理的交易越多，以太坊的安全性就越依赖于 Layer 2 rollups 中的 MEV 管理技术。恶意构建的 rollups 可能促进过度的 MEV 提取，从而降低对网络的信任，而具有欺诈/有效性证明、去中心化序列化者和 MEV 限制的 rollups 将提高以太坊的安全性和去中心化。

具体而言，虽然像 rollups 这样的 L2 解决方案为以太坊的可扩展性提供了一个引人注目的前进道路，但它们也创造了以太坊 L2-MEV 的新问题。以太坊基于 rollup 的未来的成功取决于通过去中心化、开放性和经济再平衡来解决这些问题，从而使以太坊既可扩展又公平。