详解区块链分层结构：不同开发框架的核心特征与价值

原文标题：《A&T View：Danksharding, Celestia 以及区块链分层结构》

撰文： Todd

前言 

区块链分层结构 = Disaggregated Blockchain Layers = DBL

当前的市场中，关于 DBL 的叙事，不仅有 Celestia，更有 Danksharding，而后者标志着 Ethereum 正式进入模块化时代。

TL,DR;

• 相较于 Monolithic Blockchain，DBL 是一种更优秀的范式，也是当前区块链底层架构的主流趋势；

• 虽然都是 DBL，但 Danksharding 和 Celestia 的设计理念存在着本质的区别：Danksharding 最大程度的延续了以太坊的「安全性」V.S. Celestia 用一定的安全性交换到了一些极为重要的 「自由度」；

• 众所周知，基于 DBL 搭建的链通常在扩容和可定制两方面具备显著的优势，但这里还想强调「Sovereignty」（自定义特性的一种进阶特性，链的运行方对链的状态拥有独立的控制权），这个特性对那些大社区型项目很重要；

• 不同的 DBL 设计在扩容性（Scalability） / 安全性（Security） / 主权性（Sovereignty） / 工程量（Ease of Development） 方面有不同的表现（详见图 1）；

• Celestia 的架构更适合大项目&大社区，他们有能力支撑 Sovereignty；以太坊的各种架构对于新&工具类项目来说是最好的选择，因为有最强的安全支撑和大量的用户流量。

什么是区块链分层结构？

区块链分层结构（感谢@polynya，个人认为这个说法比模块化区块链更准确）意味着将计算 / 存储 / 共识这区块产生的三大基本步骤拆分成相对独立的三层，当前主流区块链架构为非分层结构，即计算 / 存储 / 共识三部分均有同一批节点来执行。

•  计算层（又名 Execution Layer）：负责执行用户提交的交易，理论上这一层可支持任意的执行架构；

•  共识层（又名 Consensus Layer）：负责对运行了一段时间后区块链的状态进行确认；

•  存储层（又名 Data Availability，DA）：确保相关数据的可用性&正确性。

区块链分层结构价值何在？

扩容能力 YYDS！

如果不想在不可能三角上做出任何妥协，但又要提升 Monolithic Blockchain 的性能，那只能寄希望于更好的硬件支持。

不幸的是，现在的硬件好像还无法支持这样的要求（ 建议阅读 Vitalik 的阐述 ）

Celestia Co-Founder Mustafa Al Bassam 对扩容性极其深刻的解释

而 DBL，作为一种新的范式，让我们可以在不妥协 / 尽可能少的妥协情况下实现对区块链的扩容，其背后的逻辑如下：

DBL 结构下的节点只需要专注于存储 / 计算 / 共识三项中的一部分，工作量大幅下降，所以更多的硬件设备可以支持节点运行，即在面临更大的区块容量时，仍能保证网络的安全性。

可定制能力也很重要，甚至比扩容能力更有价值！

zkVM、uVM，我们已经看到在以太坊 L2 这个层面，有项目突破了 EVM 限制并进行了各自的定制！

而 Celestia 无疑在可定制化这条路上走的更远：节点可以通过单方面分叉的方式来升级他们的版本，并用他们自认为合理的方式来解读底层交易数据。

 DBL 汇总与比较

图 1，1~5 分的评分越高代表着该方案在此项的表现越好

考虑到 Celestia 进一步细化了分层架构，这里将以太坊的共识层进一步拆分：

•  Txs Sequence Consensus（交易顺序共识层）：这一层负责对整个 P2P 网络中所有已支 付 Gas Fee 的交易进行先后排序；

•  Global State Consensus（全链状态共识层）：这一层负责对执行所有有效交易后的链的状态进行共识；

这两部分在以太坊中是在一层内完成的，被称为 Consensus Layer（共识层）。

在这样的一套分析框架之上，我们对每一个开发框架的核心特征与价值进行了一些阐述：

Ethereum 系列

目前主流的 Rollup 模式（Current Rollup）

代表项目：Optimism, Arbitrum, StarkNet, Zk-Sync, Scroll, Fuel

此类方案可以称之为是分层扩容的开端（Nervos 的确是更早的，但在市场普及方面较弱）：外置一个 Execution Layer，并将这 Execution Layer 最终的共识交付给 Ethereum 一层来完成；

设计的好处：通过分摊固定成本 以及 一些压缩技术，来降低存储交易数据的成本。

目前的 Validium（Current Validium）

代表项目：Anytrust (by Offchain-labs), ZkPorter (by Matter Labs)

作为 Rollup 的一种变体，Validium 方案的 DA 层不再交由 Ethereum 负责，而是通过一些链下的结构来提供 DA 支持。

较 Rollup，Validium 拥有更高的扩容性（区块有限的空间不再需要存储 DA 相关的数据），但同时也舍弃了一定的安全性（毕竟 DA 层的安全性不再由 Ethereum 来保障）；

目前市面上的 Validium 在 DA 层的选择上有不少方案（DA 委员会，监督者等），均不同程度上的削弱了安全性，但整体上的安全性较 Rollup 是显著削弱。

Danksharding

代表项目：难度太大，目前只此一家，别无分号

作为目前 ETH 2.0 最新的设计方案，Danksharding 在「DBL」这条路上走的比 Rollup 和 Validium 更远：

 将 DA 独立成一层（比 Rollup 更高效），但又仍在 Ethereum 的安全范围内（比 Validium 更安全）；

Txs Sequence Consensus 和 Global State Consensus 已分拆成先后两步骤来进行（虽然仍放在一层内去执行），从而大幅降低了 Global State Consensus 的门槛；

设计的好处：能够在不降低整个区块链网络安全性的情况下推行大区块（代表着更高的扩容能力）。其逻辑在于让验证节点能够只验证所有交易中的一部分（即区块大一些不会给验证节点带来额外负担）

如果对 Danksharding 的细节感兴趣，可以参阅 Delphi Digital 的阐述

Celestia 系列

作为彻底带火 DBL 概念的设计，Celestia 的基础理念极为新颖：Celestia 只负责 DA 层和 Txs Sequence Consensus

Sovereign Chain

代表项目：暂无

这是 Celestia 最原始（你也可以称为基础）的架构，即 Celestia 只管 DA 和 Txs Sequence Consensus ，而再往上的两层 Global State Consensus 和 Execution 则可自由发挥。

之所以称之为 「Sovereign Chain」 ，源于链（当然也可以是个 Rollup）的运行者能够在 Global State Consensus 上自由发挥，即网络在某个时刻的最终状态由链的运行方独立说了算（而不是像 Ethereum 的 Rollup 的最终状态由 Ethereum L1 的节点共识决定）：我们把这种对链的最终状态拥有独立决定权的情形称为拥有主权，Sovereign。

当然，你需要注意到主权链的最终安全性其实不完全享受 Celestia 的保护，例如这样的情形：

当 Sovereign Chain 的运行方只执行了被 Celestia 记录交易中一部分的时候，Celestia 是无法强制要求主权链进行修正的；

即便 Sovereign Chain 能够通过欺诈证明 / 有效性证明来尽可能避免链运行者的作恶行为，但这样的设计依然完全依赖于 Sovereign Chain 这一层的执行者来实现，即 安全性很大程度上取决于 Sovereign Chain 自身，无法完全依赖于 Celestia，更不会像 Ethereum 框架下的 Rollup 能够沿袭 Ethereum 极强的安全性。

但我依然很推崇这样的架构，即便是与其他 Celestia 系列的架构相比：

•  链的节点可以自由地选择以不同的方式来解析底层数据，包括在不分叉的情况下升级他们的客户端，例如： 如果一个链的社区中两个团体对区块大小有不同的想法，这两个团体完全可以独立更新成不同的客户端到以达到独特的需求，但这两个团体仍可以得到唯一正确的结果；

•  更重要的是链的社区能够对链的情况拥有绝对的话语权，作为对比，Ethereum 框架下的 Rollup 的行为受制于 Ethereum L1 社区的共识。

Execution Rollup

代表项目：Cevmos, dYmension, Eclipse

Execution Rollup 的设计是在 Celestia 的基础之上搭建了一个通用的 Global State Consensus 层（这里称为 Hub，前述 Cevmos 等几个代表项目均是此层的表达），而开发者可以以这个 State Consensus Hub 作为基础来搭建多个 Rollup；

这套设计某种意义上和以太坊现在的 Rollup 框架有些类似：

 Rollup（Execution Rollup）绑定 Ethereum（Cevmos, dYmension, Eclipse）来实现 Txs Sequence Consensus & Global State Consensus （Cevmos 等提供 Global State Consensu，Txs Sequence Consensus 由 Celestia 提供）；

相较于前面的一些方案，这套进一步降低了开发&运营一个 Rollup 的工作量：

•  比 Sovereign Chain 少开发&运营一个 Global Consensus Layer；

•  比 Currnet Rollup 少支付一个费用高昂的 DA 层；

但需要注意的是这个方案相较于 Sovereign Chain 缺失了很大一部分可定制化能力，即基于此框架打造的 Rollup 通常只能选择其下层的 State Consensus Hub 给定的几个开发框架，且主权性并不具有。

这样一套有些 「中间」 味道的设计，某种意义上给区块链领域补充了一种选项，就让我们拭目以待。

Celestium

代表项目：暂无

Celestia 和 Ethereum 的梦幻联动：Celestia 作为 Ethereum Validium 的 DA 层，比 Data Availability Committes 以及 Guardians 等方案更为安全。

如果想要了解不同 DA 层选项的详细解析，可以查 看 这里

Ethereum V.S. Celestia —— 不同的 DBL 设计理念

你可能已经发现了：Danksharding（包括其他的 Ethereum 系列产物）都是让 Ethereum Becon Chain ( 也可以说是 L1 结构 ) 来负责 Global State Consensus，而 Celestia 系列的任意框架中并不会由 Celestia 自身来负责这部分。

以下是我个人归纳的一些可能的原因：

•  Danksharding：作为最去中心化的区块链（暂不考虑 BTC 网络），Ethereum 拥有全网最棒的安全性&鲁棒性，所以我们看到 Danksharding 在尽快的延续这部分价值。

•  Celestia：考虑到现在（大概率也包含未来）已几乎不可能再有网络能够积攒到与 Ethereum 匹敌的去中心化节点数量，且市场也并不需要第二个 Ethereum，Celestia 选在在安全性上作出了一定的妥协，以换取了更多的自定义能力以及主权性。

Ethereum & Celestia 之外的 DBL 方案

Nervos 系列

作为 DBL 方向比 Rollup 更早的先行者，Nervos 在 2018 年便发布了分层架构宣言：

The Nervos Network has a layered architecture, with a single Layer 1 blockchain, the Nervos Common Knowledge Base (CKB), and many Layer 2 systems. Layer 1 is focused on providing security and decentralization, while developers can construct layer 2 systems (focused on functionality and performance) that are securely rooted in and interoperable with the Layer 1 CKB.

虽然从图上来看与 Current Rollup 极为相像，但 Nervos 在 L1 层面选择了 UTXO（而非以太坊的账户模型）：

•  众所周知在 UTXO 之上开发智能合约十分困难，这也的确拖慢了整个生态的发展进程，但好在近期 Nervos 推出了第一个支持 EVM 兼容智能合约的 L2；

•  也不是只有缺点，UTXO 在并行计算层面相较账户模型有显著优势：以 UTXO 为基础的 L2--Fuel 对外展现了不错的可能性；

Arweave 系列

代表项目：SmartWeave，Ever.Finance

P.S. 这里的 DA 比较特别：Arweave 不仅会存储交易信息，同时也会存储应用最新版本的代码

这个设计利用了 Arweave 来作为源生的 DA 层，从而带来了一个很特别的点：永久存储的存储链上面搭 DA = 一直存在的 DA！

但此方案也存在着明显的缺失：

Arweave 作为存储链，只会确保信息能够正确存储，而不会查验被存储信息的真实与否，而这意味着 Arweave 并不会提供 Txs Sequence Consensus，即基于 Arweave 搭建的智能合约链需要自己负责 Txs Sequence Consensus，Global State Consensus 以及 Execution 这三部分。

SmartWeave 作为 Arweave 官方推出的智能合约开发框架，让开发者可以进行智能合约级别的开发；

而 Ever.Finance 则是 SmartWeave 的抗 DDoS 优化版本。

Polygon 系列

代表项目：暂无

Polygon 也在 DBL 方向提出了 Avail，作为一种对 Polygon 生态开发者的可选项的补充：

 架构与 Execution Rollup 类似，Avail 提供 Celestia 的功能，而 State Consensus Hub 则由 Polygon 来承担，开发者可在其上建立自己的 Execution Rollup。