模块化区块链 Modular Blockchain

• 执行层：两件事发生在执行层。对单笔交易而言，执行交易并发生状态更改；对同批次的交易而言，计算该批次的状态根。当前以太坊执行层的一部分工作分给了Rollup，即我们熟知的StarkNet、zkSync、Arbitrum和Optimism等。
• 结算层：可以理解为主链上的Rollup合约验证状态根的有效性（zkRollup）或欺诈证明（Optimistic Rollup）的过程。
• 共识层：无论采用PoW、PoS或其他共识算法，总之共识层是为了在分布式系统中对某件事达成一致，即对状态转换的有效性达成共识。在模块化的语境下，结算层和共识层的含义有些相近，故也有一些研究者把结算层和共识层统一起来。
• 历史状态层：由Polynya提出（仅针对以太坊而言）。因为在引入Proto-Danksharding之后，以太坊只在一定时间窗口内维护即时数据可用性，之后则进行修剪操作，把这项工作交给其他人。例如Portal Network或是其他存储这些数据的第三方可被归类于这一层。
• 数据可用性层：数据可用性存在什么问题？对应的解决方案各自是什么？这是本文要集中讨论的问题，在此先不对它进行概括。

DA in Nodes

解决方案

2018年9月，Mustafa AI-Bassam（现Celestia CEO）和Vitalik在合著的论文中提出采用多维纠删码来检查数据可用性——轻客户端只需要随机下载一部分数据并验证，就能确保所有数据块是可用的，并在必要时重建所有数据。

采用纠删码来解决轻客户端的数据可用性问题几乎没有异议，Polygon Avail、Celestia（以及以太坊的Danksharding）中都采用了Reed-Solomon纠删码。

不同点在于如何确保纠删码被正确编码：Polygon Avail和Danksharding中采用了KZG承诺，而Celestia中采用了欺诈证明。两者各有优缺，KZG承诺无法抗量子，而欺诈证明依赖一定的诚实假设和同步假设。

除KZG承诺外，还有采用STARK和FRI的方案可用于证明纠删码的正确性。

（注：纠删码和KZG承诺的概念在IOSG的文章「合并在即：详解以太坊最新技术路线」中有提及，由于篇幅所限，在本文中不作展开解释）

DA in Rollup

Rollup中的数据可用性是：在zkRollup中，需要使任何人可以自行重建Layer2的状态，以确保抗审查；在Optimistic Rollup中，需要确保Layer2的所有数据都被发布，这是构建欺诈证明的前提。那么问题在哪？

我们来看Layer2的费用结构，除了固定花费外，与每批次交易笔数相关的变量主要在于Layer2的Gas花费以及链上数据可用性的支出。前者的影响微乎其微；而后者需要为每个字节恒定支付16 gas，整体占到Rollup成本的80%-95%之多。

（链上）数据可用性很贵，怎么办？

一是降低在链上存放数据的成本：这是协议层做的事情。在IOSG的文章「合并在即：详解以太坊最新技术路线」中，我们提到以太坊正在考虑引入Proto-Danksharding和Danksharding来为Rollup提供「大区块」，即更大的数据可用性空间，并采用纠删码和KZG承诺解决随之而来的节点负担问题。但从Rollup的角度去想，被动等待以太坊来为自己做适配是不现实的。

二是把数据放到链下。下图列出了当前的链下数据可用性方案，通用化方案包括Celestia和Polygon Avail；在Rollup中作为用户可选的方案包括StarkEx、zkPorter和Arbitrum Nova。

（注：Validium原本特指zkRollup与链下数据可用性相结合的扩容方案，为方便起见，本文中以Validium指代链下数据可用性方案并一同参与比较）

以下我们具体来看这些方案。

DA Provided by Rollup

在最简单的Validium方案中，由中心化的数据运营商来负责确保数据可用性，用户需要信任运营商不会作恶。这样的好处是成本低，但实际上几乎没有安全保证。

于是，StarkEx在2020年进一步提出了由数据可用性委员会（DAC）维护的Validium方案。DAC的成员是知名且在法律管辖区内的个人或组织，信任假设是他们不会串通和作恶。

Arbitrum今年提出了AnyTrust，同样采用数据委员会来确保数据可用性，并基于AnyTrust构建了Arbitrum Nova。

zkPorter则提出由Guardians（zkSync Token持有者）来维护数据可用性，他们需要质押zkSync Token，如果发生了数据可用性故障，那么质押的资金将被罚没。

三者都提供了称为Volition的选项：用户按需自由选择链上或链下数据可用性，根据具体的使用场景，在安全性和成本之间自行取舍。

我们以Celestia在以太坊Rollup上的应用Quantum Gravity Bridge为例进行解释。以太坊主链上的L2 Contract像往常一样验证有效性证明或欺诈证明，区别在于数据可用性由Celestia提供。Celestia链上没有智能合约、不对数据进行计算，只确保数据可用。

L2 Operator把交易数据发布到Celestia主链，由Celestia的验证人对DA Attestation的Merkle Root进行签名，并发送给以太坊主链上的DA Bridge Contract进行验证并存储。

这样实际上用DA Attestation的Merkle Root代替证明了所有的数据可用性，以太坊主链上的DA Bridge Contract只需要验证并存储这个Merkle Root，开销得到了极大的降低。

（注：其他数据可用性方案还有Adamantium和EigenLayr。Adamantium方案中的用户可以选择托管自己的链下数据，在每次状态转换后都签名确认自己的链下数据可用，否则资金将被自动发回主链来确保安全；或者用户可以自由选择数据提供商。EigenLayr是偏向学术的方案，提出了Coded Merkle Tree和数据可用性预言机ACeD。这里暂不展开讨论）

在逐一讨论上述方案后，我们从安全性/去中心化程度、Gas花费的角度来做一个横向比较。注意，该坐标图仅代表笔者的个人理解，作为模糊的大致划分而非定量比较。

左下角的Pure Validium安全性/去中心化程度和Gas花费都是最低的。

中间部分是StarkEx和Arbitrum Nova的DAC方案、zkPorter的Guardians验证者集方案，以及通用化的Celestia和Polygon Avail方案。笔者认为采用zkPorter采用Guardians作为验证者集，对比DAC来说安全性/去中心化程度稍高；而DA-Specific区块链的方案对比一组验证者集又要稍高。与此同时Gas花费也相应增加。当然这只是极粗略的比较。

右上角的方框内是链上数据可用性的方案，有着最高的安全性/去中心化程度和Gas花费。从方框内部来看，由于这三种方案的数据可用性都由以太坊主链提供，故它们具有等同的安全性/去中心化程度。纯Rollup方案对比单体化的以太坊来说显然Gas花费更低，而在引入Proto-Danksharding和Danksharding之后，数据可用性的成本将进一步得到降低。

注：本文讨论的「数据可用性」语境大多在以太坊之下，需要注意Celestia和Polygon Avail是通用化的方案，并不限于以太坊本身。

最后我们在表格中对上述方案做个总结。