一文了解模块化公链：模块化执行层能的通用之路

乘着Layer2的东风，模块化公链叙事热度兴起，其中尤以模块化公链执行层项目最为值得关注。本期Bing Ventures行业研究报告将简要介绍什么是模块化公链以及当前模块化公链执行层领域的基本格局。

作者： Kyle Liu, Bing Ventures投资经理

主旨概要：

• 模块化公链执行层类项目之间存在一定程度的竞争和合作，因为它们都面临着共同的挑战和机遇，我们的评价维度应该始终围绕安全性、可扩展性、互操作性、成本效益这四个指标。

• Fuel的安全性是由主网以太坊提供的，这意味着Fuel不需要自己的验证器或共识机制，也不会受到攻击或分叉的风险。 但是，这也意味着Fuel需要依赖以太坊的安全性和稳定性，如果以太坊出现故障或升级，可能会影响Fuel的运行。

• Fuel的可扩展性是由其高效的交易格式和低延迟的确认时间实现的，这使得Fuel可以在每秒处理数千笔交易，并在几秒内完成交易确认。 但是，这也意味着Fuel需要与其他rollup链竞争资源和用户，如果其他rollup链提供了更高的吞吐量或更低的延迟，可能会影响Fuel的吸引力。

• Fuel的互操作性是由其跨链转移功能和多代币支持功能实现的，这使得Fuel可以与以太坊、Arbitrum、Optimism、Polygon等Layer 1和Layer 2网络兼容和互通。 但是，这也意味着Fuel需要与其他跨链解决方案竞争效率和安全性，如果其他跨链解决方案提供了更快、更便宜或更安全的转移服务，也会影响Fuel的竞争力。

乘着Layer2的东风，模块化公链叙事热度兴起，其中尤以模块化公链执行层项目最为值得关注。本期Bing Ventures行业研究报告将简要介绍什么是模块化公链以及当前模块化公链执行层领域的基本格局。

随着 Layer 2 和 Rollups 的发展，以太坊的生态系统转向了模块化架构。区块链技术大规模应用的最大障碍之一是可扩展性。Layer1 扩展解决方案专注于区块生产而不是区块验证。模块化区块链基础设施旨在促进具有可扩展性、安全性和去中心化特性的 Web3采用，并专注于易于集成、快速交付和用户体验。

模块化公链正逐渐成为大家讨论最多的话题，而所谓模块化，就是把区块链的共识层、数据可用性层（DA）、结算层、交易执行层等分工给不同的链，而不是一条链处理所有模块。执行层可以作为自己的区块链存在，也可以利用底层区块链来保证有效性和数据可用性。

通常来看，上述三层其实早已存在，但是它们被耦合在以太坊网络中，没有明确的界限和分工。模块化公链的目的就是要解耦这些层，首先在Layer2应用的技术环境下，将隐私安全、节点验证、交易确认、数据存储、欺诈证明等功能分别处理，从而实现链上的扩容。

模块化叙事的兴起

区块链技术的“不可能三角”一直是困扰开发者和用户的问题，Layer2等解决方案就是为了解决这个核心问题而设计的。具体来说，Layer2的方法是将数据的计算和处理移到以太坊的第二层网络，而第一层网络主要负责安全性，也就是共识。值得注意的是，模块化公链主要是针对以太坊升级提出的解决方案，其叙事逻辑围绕以太坊展开。但是，目前也有其他链上的项目参考此进行性能改进。

模块化公链旨在将系统划分为多个模块组件，使其具有区块链的特性，甚至可以拥有DEX、稳定币、NFT和衍生品等子功能。开发人员可以将这些新模块提取出来，任意排序组合，以实现更高级的功能。直到去年下半年，模块化公链才再次被提及，因为以太坊的Layer2方案在那时开始兴起，而Layer2正是实现公链模块化的重要基础和先决条件。

Source: celestia

模块化执行层的竞争格局

以太坊生态系统通过 Layer 2 和 Rollup 等技术实现了执行层与底层区块链的分离，从而提高了可扩展性、安全性和互操作性。目前模块化公链执行层有一些专注于提供数据可用性层的项目，例如 Celestia、LazyLedger 和 DataShards；有一些专注于提供执行层的项目，例如 Optimism、Arbitrum 和 zkSync3；还有一些专注于提供跨链桥接和协议聚合的项目，例如 Polygon、Connext 和 Hop Protocol。

它们都在积极地开发和部署自己的解决方案，并与各种去中心化应用合作，以提升用户体验和网络效率。模块化公链执行层类项目之间存在一定程度的竞争和合作，因为它们都面临着共同的挑战和机遇，我们的评价维度应该始终围绕安全性、可扩展性、互操作性、成本效益这四个指标。笔者总结了以下几类典型项目：

• 基于 Optimistic Rollup 的项目，例如 Optimism 和 Arbitrum。这些项目利用欺诈证明机制来保证执行层的有效性，同时提供高速的并行交易执行和低延迟的确认时间。

• 基于 ZK Rollup 的项目，例如 zkSync、StarkNet、Hermez、Scroll、Taiko 和 Aztec。这些项目利用零知识证明技术来保证执行层的有效性，同时提供高度的压缩率和隐私保护。

• 基于 Plasma 的项目，例如 Polygon Plasma、OMG Network 和 Matic Network。这些项目利用侧链和退出机制来扩展执行层的吞吐量，同时提供与以太坊的兼容性和互操作性。

• 基于跨链桥接的项目，例如 Connext 和 Hop Protocol。这些项目利用多重签名或中继节点来转移资产和数据到不同的执行层或底层区块链，同时提供灵活的协议聚合和路由选择。

Source: Volt

公链大提速

模块化区块链架构可以将区块链的功能分解为不同的层级，例如执行层、安全层和数据可用性层，这可以提高区块链的效率、灵活性和互操作性。并行交易类产品可以利用并行处理的方式执行交易，并通过不同的验证机制来保证金交易的有效性，这可以提高区块链的处理能力、吞吐量和确认速度。它们可以支持更多代币和智能合约，并让用户在不同的区块链之间转移资产，这可以拓展区块链的应用场景，例如DeFi、NFT和Web3。

Arbitrum就是一个基于Optimistic Rollup技术的经典执行层方案，它可以在以太坊上实现高效、低成本和兼容性强的智能合约。 Arbitrum可以利用任意数据（Arbitrary Data）技术来提高交易吞吐量和确认速度。同时，StarkNet作为一个基于ZK-Rollup技术的执行层平台，它可以在以太坊上实现可扩展、安全和隐私保护的去中心化应用。 StarkNet可以利用零知识证明（Zero-Knowledge Proof）技术来保证交易的有效性和数据可用性。这两种路线目前占据了执行层技术路线的主流。

但是，并行处理需要严格的状态访问列表来确保交易不会互相干扰。同时，模块化区块链需要依赖其他层级来提供安全性、共识和数据可用性，这可能会增加复杂度和成本。此外，并行处理可能会降低交易的确认速度，因为需要等待所有并行分支都完成才能确认整个区块。面对这些问题，Fuel作为一个基于UTXO模型的执行层协议，它可以在不同的区块链上运行。

Fuel可以利用并行处理的方式执行交易，并通过优化撤销（Optimistic Yanking）技术让用户在不同的区块链之间转移资产。Fuel使用了一个名为FuelVM的虚拟机器，它可以快速地验证交易和区块，并支持多种代币和智能合约。Fuel采用了一种名为Optimistic Yanking的技术，它可以让用户在不同的区块链之间转移资产，而不需要等待长时间的确认或支付高额的手续费。

Source: vitalik.ca

Fuel：执行层的并行交易

Fuel是最早部署在以太坊主网上的Optimistic Rollup，在2020年年底在以太坊上线V1版本。它通过使用与EVM不同的执行模型来提供可扩展性，即基于UTXO的高度可并行化的最小执行系统，支持ETH和所有ERC-20代币。然而因为Fuel V1的用户过少以及不支持智能合约，在上线后一直没有受到用户的欢迎。于是在Fuel V1启动后不久，Fuel的开发团队Fuel Labs就将全部开发重心转移到V2版本，并将其定位为模块化执行层，即为模块化区块链堆栈设计的可验证计算系统。

Fuel最大的特色是其采用全新的VM架构 — — FuelVM，该VM具备其工具链和语言。FuelVM从WASM、EVM和Solana的SeaLevel中汲取特点，最引人注目的潜力是它在UTXO-based数据模型上执行。相比今天的Optimistic Rollups，Fuel的最大区别在于其使用UTXO-based数据模型，而且其第一个版本是以P2P支付为应用场景。Fuel V2有望实现类似以太坊的智能合约，该VM面向应用程序特定的支付Rollup设计，是一个定制VM，为其提供了更多的推理便利，但对于类似以太坊的通用Rollup，则不太明显。

FuelV2的技术堆栈有三个核心支柱，分别为：

FuelVM

FuelVM旨在减少传统区块链虚拟机架构的浪费处理情况，同时增加开发人员的潜在设计空间。Fuel采用UTXO数据模型，与比特币类似，整个状态以UTXO集的形式表示。不同之处在于，Fuel V2中的一些UTXO是代币UTXO，而另一些是合约UTXO。与代币UTXO不同，合约UTXO除了余额和支出条件外，还具有代码、存储和唯一的合约ID。

UTXO的一个显著特点是它们是原子的，即交易完全消耗它们并创建新的UTXO。对于合约UTXO，Fuel定义了一些新的有效性规则。其中重要的规则包括：合约UTXO被锁定在特殊的任何人都可以消费的支出条件后面；当交易消费合约UTXO时，它会创建一个新的合约UTXO，具有相同的支出条件和合约ID，但可能具有新的存储和余额；在同一交易中使用的合约UTXO可以相互交互。

Fuel的优点是采用UTXO模型使得Fuel区块链可以更快速、高效地进行交易。而它的劣势则在于UTXO模型的实现需要一定的技术难度，且相对于账户模型的实现需要更多的代码量。此外，由于UTXO模型不太适用于智能合约，因此使用合约UTXO时需要遵循新的有效性规则，需要一定的技术知识和经验。但是，Fuel仍然在不断发展和完善，未来有望实现更多的功能和应用场景。

并行交易执行

Fuel 使用UTXO模型形式的严格状态访问列表，因此具有并行执行交易的能力，在计算、状态访问和事务吞吐量方面较具优势）。Fuel是一种基于UTXO模型的区块链，其最大的优势在于其可并行执行交易，这是其它许多区块链所没有的。该技术的核心是通过访问列表(access lists)确定交易将修改的状态部分，从而实现并行执行。

这意味着如果交易花费的UTXOs没有重叠，它们可以被分别执行，从而充分利用多核CPU的性能。这项技术不仅适用于区块内交易，还可以跨区块执行，使得（重新）进入节点的同步速度更快。相比之下，基于账户模型的区块链也可以实现并行执行，但需要更多考虑因素，如访问列表的严格规定。同时，单核性能已经无法满足需求，而多核CPU的使用不断普及，多核处理对于提高执行效率也有着乘法效应。因此，Fuel的并行执行技术将在未来变得越来越重要。

开发者体验

Fuel 使用自己的特定领域语言 Sway和支持工具链 Forc提供较为强大和流畅的开发人员体验。开发环境保留了 Solidity 等智能合约语言的优势，同时采用了 Rust 工具生态系统中引入的范式，并包含利用区块链 VM 的语法。为了解决状态增长的问题，FuelVM采用了两种程序 — — 脚本和谓词，以增强图灵完备的智能合约。

与EVM不同的是，FuelVM的用户不直接调用合约，而是运行脚本来调用多个合约。脚本的美妙之处在于它们是可剪枝的，一旦脚本被执行，就会被完全剪枝，不会对状态造成任何影响。谓词类似于脚本，但在执行期间不会读取合约存储，完全是无状态的。脚本和谓词的主要目的是将FuelVM变成半无状态执行。在FuelVM中，应用程序可以根据应用程序的功能和资源价格，更倾向于状态或执行。此外，Fuel还支持多种复杂应用，如多个本地资产支持、单笔交易中的授权和转移、混币器和隐私应用等，具有很大的灵活性。

Source: Fuel

模块化执行层的通用之路

现今的Rollups的主要价值在于扩展以太坊，并在可能的情况下扩展其功能。Rollups通过以下两种方式扩展以太坊：1.将状态（和执行）转移到链下，即从L1到L2移动它；2.并行计算，即多个Rollups可以同时在以太坊上运行。Rollups通过将部分状态转移到链下来减轻以太坊状态增长的问题，但这并不会奇迹般地消除维护状态的需求。尽管以太坊节点不需要维护它，但Rollup节点必须维护它。

目前，Rollup领域没有太多关注状态优化。相反，大多数关注点集中在减少L1数据上，因为当前数据是Rollup的最昂贵成本项目。大约有2/3的Arbitrum费用以L1 calldata的形式存在。EVM Rollup优化了发布到L1的数据，试图尽可能压缩它以为用户提供更便宜的费用。

但我们没有考虑到的是，成本将在模块化时代发生巨大变化。随着基础层开始大量提供数据（归功于数据可用性采样技术），Rollups很快将享受到数量级更便宜的数据。同时，由于对状态增长的关注较少，状态大小将迅速成为模块化世界中的主要瓶颈。任何区块链，无论是Rollup还是L1，对于增加状态的操作都会对网络产生永久性成本。这些操作不仅消耗当前节点的资源，也消耗未来所有节点的资源。

Source: Bing Ventures

目前，Fuel成功构建了一些示范用例，如AMM、多重签名、预言机和DAO投票等。未来，Fuel团队还计划构建其他产品的示范用例，例如借贷、NFT市场等。虽然基于UTXO的执行方式可能会有些反直觉，但我认为Fuel独特的能力将会催生出新的应用程序，推动当前DeFi空间的能力极限。总之，我对Fuel在模块化堆栈中所带来的潜力感到兴奋。数据可用性层可以扩展数据，但为了完整的去中心化用户体验，我们还需要扩展执行。Fuel有望填补这一空白。

从我们的评价尺度来看，Fuel的安全性是由主网以太坊提供的，这意味着Fuel不需要自己的验证器或共识机制，也不会受到攻击或分叉的风险。 但是，这也意味着Fuel需要依赖以太坊的安全性和稳定性，如果以太坊出现故障或升级，可能会影响Fuel的运行。Fuel的可扩展性是由其高效的交易格式和低延迟的确认时间实现的，这使得Fuel可以在每秒处理数千笔交易，并在几秒内完成交易确认。 但是，这也意味着Fuel需要与其他rollup链竞争资源和用户，如果其他rollup链提供了更高的吞吐量或更低的延迟，可能会影响Fuel的吸引力。

Fuel的互操作性是由其跨链转移功能和多代币支持功能实现的，这使得Fuel可以与以太坊、Arbitrum、Optimism、Polygon等Layer 1和Layer 2网络兼容和互通。 但是，这也意味着Fuel需要与其他跨链解决方案竞争效率和安全性，如果其他跨链解决方案提供了更快、更便宜或更安全的转移服务，也会影响Fuel的竞争力。

未来，Fuel可以支持各种类型的交易和计算，包括转账、支付、智能合约、预言机等。 这使得Fuel可以适应不同的用例和需求，并提供高效和灵活的服务。同时，加快与各种模块化区块链网络进行集成和互操作，包括以太坊2.0、Celestia等。 这将使得Fuel可以利用这些网络的数据可用性和共识安全性，并提供跨链转移和互通功能。Fuel可以通过增加创新和优化其技术方案来进一步提高其执行效率和性能，包括Merkle Patricia Trie、Zero-Knowledge Proofs等。这些举措有望在未来扩大它作为模块化执行层的通用性。