Bankless丨以太坊模块化的设计架构：PoS、分片和Rollup

注：原文作者为Bankless联合创始人David Hoffman，以下为全文编译。

以太坊的发展正在达到一个新的成熟度。目前，以太坊所处的位置和其定义的路线图之间的差距正在迅速缩小。

现在我们处于这个阶段，清楚的是，以太坊正在开发一个模块化的设计架构。使区块链成为“区块链”的属性正在被区分和分割，以使每个区块链变得独立而最大化。

在这篇文章中，我们将探讨权益证明、分片和rollup是如何实现模块化的区块链设计，从而实现以太坊的长期愿景，并为区块链的未来发展设定标准。

区块链不可能三角决定了你只能对区块链三个属性中的两个进行优化。由于技术限制，必须牺牲掉一个。区块链的这三个属性是：

那么，为什么会出现这种情况？为什么区块链不能一次性实现足够的去中心化、安全性和可扩展性？

因为区块链是单体的。它们试图在主链上实现所有三个目标。然而，当你将这些组件模块化时，区块链不可能三角的限制就会消失。

举个例子吧，想想劳动分工。这一经济原则将一项复杂的任务划分为较小的组成部分，个人可以专门从事这些工作，使整个系统的产出远远超过相同数量但单独工作的工人。

那么，一个模块化的区块链是什么样子的，它是如何工作的？在这之前，我们需要了解区块链的三个组成部分，它们构成了上述的三个属性。

去中心化、可扩展性和安全性是区块链的所有属性。它们是区块链可以体现的特质，但有一些底层组件可以实现这些属性。模块化的区块链将这些组件分成独立的部分，并将其最大化。那么这些组件是什么呢？

在深入研究之前，让我们用一个比喻来熟悉这些术语。这是一个星期三的早晨，你正前往你当地的富国银行分行办公室，准备存入一张100美元的支票。

用区块链的术语来说，则是：

共识定义了存储在区块链上的数据的规范真理。

在这些类别中，我们发现了工作量证明和权益证明。这些是定义区块如何被添加到链上，以及参与者如何同意区块是正确的系统。

有了这些，区块链可以在时间上向前发展，而不会分裂成一百万个不同的链，每个链都有自己的真实版本。

区块链的执行属性是指区块链的状态被带入下一个区块。

区块N有一些特定的状态，代表数据从区块N-1开始的变化情况（账户余额、合约代码等）。然后验证者从mempool中抓取一堆交易，并通过产生区块N+1来创建区块N的状态更新，该区块N的状态已经根据从mempool中提取的交易而改变（mempool就像排队等待银行出纳的人数）。

当验证器使用选定的mempool交易作为输入与共识机制一起计算下一个区块的新状态时，交易被执行。

数据可用性指的是每个区块链节点上托管的数据。如果节点上有数据，它对使用该区块链的任何人和所有人都是可用的；对这些数据没有依赖性。它是可用的，完整的。

这也使得这些数据非常珍贵。这种数据的可用数量极其有限（我们称之为区块空间！）。当你把一些数据添加到区块链上时，你就把这些数据添加到所有运行该链的节点的计算机上（现在和永远）。区块链的目的是不可改变的；这意味着这些系统中的数据是人类有史以来最宝贵的数据。

每个人都希望他们的数据（交易）是不可改变的，所以人们出高价来获取这些属性，这就是为什么我们在以太坊L1上看到非常高的gas价格的原因。

单片式区块链是试图在同一地点完成所有三件事的区块链，即共识、执行和数据可用性：即在L1上。基本上，迄今为止的大多数区块链，包括目前的以太坊，都是单片式区块链。

单片式区块链的问题是，它们会受到区块链不可能三角的影响。因为同一层负责使区块链成为 "区块链 "的所有三个组成部分，对区块链的一个属性进行优化会对其他属性造成制约。

单片式区块链已经让我们走到了这一步，但它们现在遇到了规模的限制。

单片式区块链的时代即将结束。

模块化区块链的时代正在到来。

模块化区块链采用了单片式区块链目前在L1上的三个组件，并将它们分割开来。就像劳动分工一样，将每个组件拆分后，我们可以优化每个组件，生产出更好的产品，使整体大于部分的总和。

Rollups处理交易的速度要比主链快很多。

通过创建一个独立于以太坊的交易执行环境，并在对L1的状态进行更新之前处理交易，Rollups可以免除共识和数据可用性的责任。

Rollups不必像高度去中心化的L1那样关注共识或数据可用性；它们可以自由地在这些属性上做出任何和所有的牺牲，因为rollups与Ethereum有加密的联系。换句话说，rollup是通过在以太坊上进行交易来创建的，而该rollup承诺遵守一套规则。

当rollup被初始化的那一刻，它向以太坊做出了一个加密承诺，它将遵循这些规则。

这种 "初始承诺"的Rollup设置了自己对交易管理方式的限制（即Rollup承诺显示所有交易都是合法的数学证明），这也是以太坊的L1安全性与Rollup的衔接方式，同时也没有移植其缓慢共识和有限数据可用性的包袱。

包含在这个Rollup初始化交易中的，是任何用户从rollup中退出他们所有资金的能力。这被称为 "逃生舱"，这意味着当一个rollup "断裂 "或变成恶意的时候，你可以通过L1上的交易跳出逃生舱。一个坏了的rollup就像一个坏了的自动扶梯；它只是变成了楼梯。

无论rollup是否在线和运作，它和以太坊之间的桥梁都存在，并允许以太坊的结算保证延伸到它上面。

这座桥将以太坊的安全性和去中心化与rollup的交易执行环境联系起来。

有了这座桥梁，以太坊的每个模块都是相互补充的；安全模块（权益证明）被添加到可扩展性模块（rollup）。一个模块的属性被注入到另一个模块的属性中，这就是我们如何在不损害任何一个模块的情况下实现规模和去中心化。

Rollups几乎不需要任何维护费用，而且在任何时候都只需要很少的节点，它们也没有安全所需的昂贵共识机制的负担。以太坊的L1支付安全费用，并保持去中心化，所以rollup不需要这样做。

某些类型的rollup甚至可以像集中式服务器一样高性能。对Rollup的进一步创新实际上可以使它们比集中式数据库更具性能。

权益共识机制创建了一个无形的对象，负责为系统提供安全。这个对象就是被质押在PoS网络上的虚拟货币。使用本地货币来验证链的行为将物理硬件和网络安全之间的联系解开。

不再由特定的计算机负责网络安全。现在，所有的计算机都可以对网络安全负责。因为ETH可以在任何连接互联网的电脑上进行质押，这就正式体现了为资产本身提供安全性的价值。

维护物理PoW网络的资本需求可以转而用于购买 "虚拟ASIC"（PoS代币），提高资产的资本效率。与物理硬件不同，PoS资产不会随着时间的推移而退化，所以几乎没有需要出售的运营费用。

将运行一个验证节点的经济成本降低到资本（32 ETH）和计算机（你所在的那台！）的成本，增加了区块链可能的验证者的总可行数量。虽然32个ETH很贵（目前~128,000美元），但它比最小的可行的工作证明挖矿操作（几千万美元）低一个数量级。此外，像Lido或Rocketpool这样的去中心化质押协议允许任何数量的ETH被汇集和质押，使32的限制成为一个任意的数字。你拥有3.2个ETH与320个ETH的收益率基本相同，并将随着时间的推移接近平价。

权益证明网络剥离了验证链的硬件要求，使得一般的消费设备都足以验证链的功能。这优化了网络和硬件之间的联系。

通过最小化硬件的作用，你最大限度地提高了链的可及性，并为最大数量的人验证链提供了可能性。权益证明将网络验证的要求降至绝对最低：即资本。

作为权益证明的结果，以太坊现在有两个同质的池子，当它们组合在一起时，成为一个模块化的网络安全池。这被称为 "验证器池"，它是以太坊的安全来源。

以太坊的开发者表示，希望看到10M ETH被质押给以太坊才算 "安全"。10M / 32ETH = 312,500个验证者。

将以太坊的安全细化为单个验证器实例，允许这些实例被信标链引导到这些资源需要去的地方，让以太坊在如何分配其安全资源方面有最大的选择。

拥有一个模块化的安全资源池，使得以太坊可以通过分片来模块化其数据存储能力。

分片使L1中可用的区块空间最大化!

所有区块链都有一定的安全供应。比特币的安全是世界上可以生产的SHA256哈希值的供应。PoS以太坊的安全性是存在于验证器池中的以太坊验证器的供应。

以太坊有一个由所有以太坊验证器组成的 "验证器池"，可供随机选择，以验证一个以太坊区块。当更多的验证者上线并向以太坊提供他们的安全（32ETH，承诺遵守规则），就可以使以太坊更加安全。

当你加入分片时，它也将使以太坊更具可扩展性。分片允许在更多的链上 "重新分配安全"，而不是将系统的所有安全完全指向一个单一的链。

让30万个验证者（30万个32ETH的实例）来保护一个单一的链，是一种过剩的安全，是一种低效的资源分配。通过将验证器分散到多个链上，以太坊的L1可以通过在每个链上拥有约4500个验证器来创建64个以太坊的规模。

这使得以太坊的可扩展性与它的安全性呈正相关。当单片式区块链接近区块链不可能三角决定的极限时，分片区块链颠倒了规模和安全之间的关系；它将其限制因素变成了其增长因素。

分片化的以太坊在开始时计划有64个分片，但目标是将其增加到1024个分片。此外，随着摩尔定律的发展，我们所有的家用电脑变得更加强大，分片的数量和容量都可以增加。

在分片的起源阶段拥有64个分片并不意味着我们将以太坊的容量增加了64倍。相反，我们拥有的'以太坊链'的数量将增加64倍，但每个链的大小将是~1/3大，所以大约增加了~18倍的大小，而不是64倍。

但是，如上所述，随着物理硬件的改善和以太坊验证器池的增加，我们可以增加分片的大小和供应，从而将以太坊的可扩展性与摩尔定律联系起来。

模块化设计的魅力在于，每个模块的优化都能放大其他模块的优化。

这里有三个协同作用：

通过将以太坊分散到64个不同的数据可用性层，我们为Rollups创造了更多的空间，以部署其成千上万的交易捆绑。分片L1对L2上的Rollups的可扩展性有很大影响。因为Rollups将交易压缩成紧凑的数据包，L1上任何数据的增加都会在L2上创造数量级的空间。

这就是以太坊获得微交易能力的地方。分片化的以太坊是所有rollup的闸门打开的地方。增加可供消耗的区块空间，在分片之上减少了大量的rollup费用。

压缩的rollup交易（想想：压缩文件！）现在有更多的可用区块空间供应。Rollup在其所有用户中摊销其L1交易的成本。如果它花费1个ETH来部署一个大的交易捆绑到以太坊，它将把这1个ETH的成本分摊到交易捆绑中的成千上万的交易者身上。当我们有64倍的分片来部署交易时，每笔交易的成本应该下降多个数量级。增加摊销的用户数量

一旦发生这种情况，Rollup就可以自由地停止限制它们自己的可用区块空间的数量，就像它们目前所做的那样，让引擎真正地旋转。

分片和rollup的结合允许计算资源成为网络的资产，而不是负债。更多的计算机，任何计算能力，总是可以为网络贡献它们的资源，并使这些资源得到有效的利用，无论计算机有多少资源可供奉献。一台计算机可以成为一个rollup验证器，帮助压缩发送到L1的数据，或者它可以将其资源贡献给L1验证器池，帮助运转更多的分片。

将你的节点添加到单片式区块链中，会增加网络必须通过的另一个瓶颈。一个单片式区块链不能处理比单个节点更多的交易。由于所有的单片式链节点都处理所有的交易，所以把你的电脑加入到单片式网络只是增加了另一台需要能够跟上网络的电脑而已。

模块化以太坊是一个经济上可持续的以太坊。这是加密经济学的行业，除了密码学之外，我们还需要把经济学搞好。

在经济学中，格勒善法则（ Gresham's law）是一个货币原则，指出 "劣币驱逐良币"。当有人遇到两种不同的货币时，他们会保存保持其价值的那一种，而花掉失去其价值的那一种。

在法定货币中，我们看到人们逃向贬值最少的货币，也就是美元。但现在，在 "科幻经济学 "的世界里，我们可以做更大的梦，而不仅仅是 "不失去价值"。相反，在加密货币世界里，我们会问 "什么货币的价值增长最多？"

比特币持有者对BTC非常兴奋，因为它是第一种硬通货，承诺通过免于进一步发行来保持其购买力。比特币承诺，随着经济的发展，它将变得更加稀缺。

同样的BTC供应量，但在一个更大的经济体中，就等于相对来说更稀缺的BTC。

以太坊人对ETH及其作为以太坊网络需求而被燃烧的能力感到兴奋，以及由于燃烧的ETH比通过EIP1559发行的ETH更多而导致通货紧缩的可能性。

一个更大的经济体等于一个更高的ETH燃烧率，这就造成了ETH越来越稀缺。

将格勒善法则转化为加密经济术语：网络需要收集比发放给验证者的更多交易费用。

加密经济网络通过发行和收费来支付其安全供应商。使用费用收入来支付安全，就会取代所需的发行量。区块链收集的费用越多，它需要通过发行来增加供应的数量就越少。

收集更多，发行更少。

这就是扩展单片式区块链的问题所在。许多区块链承诺低费用和高吞吐量。通过承诺这一点，他们同时承诺永远不会创造一个有意义的收费市场。如果你想让区块空间变得便宜，你必须不依靠交易费来支付安全费用。

因此，你必须依靠发行，用Gresham的术语来说，这被称为 "坏钱"。

以下是来自Polynya的一段节选：

一个受约束的1层建立了一个强大的收费市场。通过限制可用区块空间的数量，你既增加了去中心化（通过减少参与节点的硬件要求），也增加了费用收入的获取（通过限制可用区块空间的供应）。

稀缺的区块空间创造了高额的手续费收入，这产生了高额的ETH燃烧率，使得ETH更加稀缺，更有价值。

一种货币越有价值，为达到同样的效果所需发行的货币就越少。因此，当货币的价值高时，实际上需要为安全性支付的费用就越少。在便宜的证券范式下，你会进一步减少新的净发行量，因为你只是发行了更少的东西，这进一步加剧了资产的稀缺性和价值。

从另一个方向看，这一切都会被解开。

那些宣传廉价收费环境的区块链无法收取任何有意义的收费收入（否则它就会有收费）。如果你不能收取费用，你必须通过发行来支付安全性费用，随后那么货币就会随着时间的推移而膨胀并泄漏价值。

随着时间的推移，作为一种通货膨胀的货币，是在增加货币的供应量，并降低其价值。价值降低意味着你必须发行更多的货币来支付安全性。进一步的发行使供应膨胀，并使货币贬值，代表着通货膨胀螺旋的开始阶段。

虽然牛市的投机可以暂时掩盖这种影响，但经济规律是无法逃避的。发行的货币不会像燃烧的货币那样保值，这两条道路将导致巨大的不同未来。

L1的吞吐量和为其提供动力的货币的健全性之间存在着直接的关联。

如果你提高了你的链的吞吐量，你就增加了资产的通货膨胀。可悲的是，当你也增加你的链的吞吐量时，你减少了普通人成为一个验证者的能力。

这就把围绕这个区块链的社区分成了两类公民；一类是有能力验证区块链并有权利获得收益的人，另一类是没有能力的人，只能购买验证者卖给他们的东西。

以太坊有一个受限的L1，优化了强大的去中心化和高效的安全性。这种区块空间受限的L1创造了一个昂贵的收费市场，为ETH增加了货币溢价。

分片增加可用的L1区块空间是以太坊安全规模的函数。随着以太坊的验证者池越来越大，可行的分片数量也会增加，使以太坊在去中心化的过程中更加可扩展。

Rollups创造了无约束的执行环境，将交易捆绑起来，并将其压缩成最微小的数据包。这释放了新类型的经济活动，并允许充满活力的廉价经济蓬勃发展，增加了在L1上结算的净经济活动。随着更多的经济活动在rollup上发展，其费用会下降，因为它们在更多的参与者中被摊销。随着更多的分片被添加到以太坊，以及分片变得更大，作为摩尔定律的一个功能，rollup费用继续降低。

解除微交易的可行性增加了可以支持的可行经济活动的总量，允许净经济活动有更多数量级的操作空间，这一切都通过一系列的压缩和各层的承诺被输送到L1以太坊，并全部分摊到L1上的竞争费用市场，作为总经济活动的函数燃烧ETH。

模块化设计的好处是，对每个模块的优化会放大对其他模块的优化。

每一个牛市，都会有一批新的区块链出现，它们选择牺牲去中心化，以优化区块链的执行属性。它们增加了区块大小并限制了节点，以便牛市的繁荣可以通过廉价的费用找到一个家。

在牛市中，以太坊和比特币变得极其拥挤，因为它们已经为去中心化进行了优化，从而使对立属性进行优化的链具有合理性：执行交易。

如上所述，为执行而优化的单片区块链已经承诺了一些缺点。它们不能有意义地收取费用，并且牺牲了去中心化。

如果这种执行优化的单片式区块链转而将自己卷成不同L1链上的L2，那么它实际上可以更加优化执行，同时不必处理安全和去中心化的制约因素。L1资产不再需要发行来支付安全，因为安全是来自L1的。

消除供应计划中的通货膨胀，允许较小的gas市场对本地资产的长期供应产生巨大的影响。

像Solana、Binance Smart Chain、Avalanche和Polygon这样的链可能都需要 "rollup"自己，以推动其代币的长期可持续性，事实上，他们越早rollup，其原生资产就越稀缺。

Polyna表示：

在加密货币的世界里，充斥着部落主义和政治。一个人在加密货币中发表的言论会被这个人来自哪个部落所影响。激励和动机是由预先存在的信仰和偏见驱动的。

值得庆幸的是，代码和数学对所有这些东西都是免疫的。上面的整篇文章能够在不使用'以太坊'这个词的情况下重写，取而代之的是一个总体优化的模块化区块链的未知路线图。

事实上，这种架构并不是由以太坊单独执行的。Rollups不仅仅是以太坊的事情；Tezos也在拥抱以rollup为中心的路线图。NEAR也在设计分片的数据可用性。Celestia正在建立一个专门用于rollup的安全和DA层。

关键是，如果我们回到过去，或者跳到不同的平行宇宙，重新掷骰子一万次，加密货币行业会发现自己99.9%的时间都是在模块化设计的结论中。

这是区块链技术发展的最合理的结论。它与以太坊 "政治挂钩 "的唯一原因是，以太坊一直是唯一能够充分资助研发工作的生态系统，能够将我们带到这一步。

随着时间的推移，我们将看到所有的L1区块链要么蜕变为模块化的设计结构（限制L1区块空间，将执行推到rollup，增加节点数量），并在全球非主权货币的世界中竞争，或者他们反而会取消共识和数据的包袱，而只是将其执行环境移植到更去中心化的链上。

模块化的区块链设计也说明了将去中心化奉为区块链的关键属性的必要性，它使所有其他的功能得以实现。以太坊通过增加去中心化，而不是牺牲去中心化，解决了可扩展性三难问题。只有通过对去中心化的优化，你才能得到上面说明的模块化的好处。

如果你拥抱去中心化，你可以拥有任何东西。

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编译者/作者：Yangz

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