甚麼是模塊化? 你這慢吞吞的臭公鏈(二)
此篇文章的名詞與用語是幫助大家容易理解，並非學術上精確的定義。
▍前言：「你這慢吞吞的臭公鏈」系列文章
這系列文章的第一篇《公鏈如何擴容？》已經發布，用底層邏輯來解釋公鏈的擴容原理，可以先去看那篇，再回頭看今天的文章，應該能更好理解整個脈絡。
今天的文章主要來解釋「模塊化是什麼？」，而未來的文章，會進一步說明以太坊的升級路線、如何評估公鏈等等，最終目的，是建立足夠的公鏈背景知識，然後投資公鏈代幣，而我除了公鏈的基本面分析，我也會研究總體經濟、鏈上數據、地緣政治等等，從宏觀到微觀，做出完整的投資決策，這些內容都可以在我的 Matters 部落格裡看到，我也不定時會錄製 Podcast 直接表達我的觀點，有興趣可以看看。
▍公鏈的分類
公鏈裡面負責記帳的角色叫做「節點」，而這些節點他們在做的事情可以簡單分為【運算交易】【排序交易】【確定交易】【儲存交易】這四件事，詳細情形可以看我上一篇文章《公鏈如何擴容？》。
時至今日，沒有一條公鏈足夠成熟，所以開發者們為了改善現有公鏈的問題，就依照學術理論與自身技術，去實作各種公鏈架構，大家各自努力，期待自己所開發的公鏈能夠獨佔鰲頭，成為幣圈的霸主。
而主流的公鏈擴容架構可以分為三種，分別為「單片化」「多鏈化」「模塊化」，以下簡單介紹這三個公鏈種類。
公鏈種類（一）：單片化公鏈
單片化公鏈的代表為 Solana、ETH 1.0、Bitcoin。
單片化的意思，就是單一的節點必須獨力完成【運算交易】【排序交易】【確定交易】【儲存交易】這四件工作，做個比喻，這就像廚師除了烹飪之外，還要自己耕田、養雞、餵牛，連餐廳建築都要自己拿磚頭蓋，所有事情一手包辦，這樣效率一定很差，這就是單片化公鏈的困境，節點做的事情太複雜。
公鏈種類（二）：多鏈化公鏈
多鏈化公鏈的代表為 Avalanche、Cosmos、Polkadot。
多鏈化公鏈提升速度的邏輯是，既然一條單片鏈容易塞爆，那就建立千千萬萬個單片鏈來分流，就像高速公路直接從單線道，拓寬成 100 條車道，這樣就不容易壅塞了吧？
多鏈化公鏈是由一條底層鏈（Layer 0）當做基底，讓建立其上的「應用鏈」能夠把「底層鏈」當作跨鏈橋樑，這樣就能串連整個多鏈生態系，而應用鏈與底層鏈都是獨立個體，只有需要跨鏈的時候才進行交互。
公鏈種類（三）：模塊化公鏈
模塊化的意思是【運算交易】【排序交易】【確定交易】【儲存交易】這四件工作，分給不同的節點來做，每個節點只負責其中一種工作，就很像工廠的流水線，利用分工合作的方式，運作速度就快很多。
模塊化公鏈的代表為 ETH 2.0，這邊說明一下，原先的以太坊是 ETH 1.0，是一條單片化公鏈，近年來開始轉型，往模塊化發展，變成所謂的 ETH 2.0，至於什麼是模塊化，就是今天文章的重點。
▍模塊化就是分工合作
模塊化就是把工作內容切割開來，交給不同的節點去負責，這些節點各自把事情做完之後，再把成果組合起來。
我們可以用一本書的生產流程來比喻：
步驟一：「作家」寫出文字內容。
步驟二：「編輯」將內容排版，讓文字更通順。
步驟三：「印刷廠」將文字印在紙張中，並製作成冊。
步驟四：「書店」將書本賣給顧客。
以上的四個流程，包含了四個角色，他們分工合作、各有各的專業，而且不用理解其他角色的工作也能把事情做好，例如，書店不用知道怎麼寫出優美的文字，只要把時間精力放在如何賣書、如何行銷，這樣能夠創造多贏的局面，最大化利潤。
▍模塊化的分層結構
在公鏈的世界，工作內容可以切分為四個【運算交易】【排序交易】【確定交易】【儲存交易】，不同的節點負責不同的工作，就能把公鏈的速度提升。而這四個工作，在區塊鏈的結構中可以分為對應四層【執行層】【共識層】【結算層】【數據可用性層】。
以下簡介模塊化的分層。
【運算交易】執行層 (Execution Layer)
當執行層的節點收到用戶傳來的交易時，要去運算交易結果，例如 A 給 B 一個 ETH，就要把 A 的戶頭減去 1 ETH，B 的戶頭增加 1 ETH。
如果用戶送來的是智能合約的使用要求，節點就要去運行智能合約的程式碼，將結果算出來。
以上兩件工作「運算交易結果、運算智能合約結果」就是執行層節點的主要工作。
【排序交易】共識層 (Consensus Layer)
共識層的節點，要決定下一個新區塊要包含哪些交易，以及這些交易的先後順序，通常會用 POW、POS、DPOS、PBFT 等等的投票機制決定出來。
Q：為什麼要「挑選」與「排序」交易？
因為大多數公鏈，每秒只能處理幾百到幾千筆交易，如果一次送進來數萬筆交易，只能從中挑選優先處理的交易，並且把交易做先後順序的排列，而「挑選」與「排序」就是共識層節點的主要工作。
【確定交易】結算層 (Settlement Layer)
附註：「結算層」與「共識層」的工作性質比較相近，許多文章會把這兩層視為同一層。
當交易寫入區塊鏈，並經過多個區塊確定，不會因為分叉而被取消，就能確定交易是不可竄改的，這樣不可竄改的交易數據，我們用「最終狀態 (Finality)」來稱呼，結算層的節點只要把這樣的「最終狀態」記錄下來，就能保持這條公鏈的穩定，未來其他層的節點，如果對過往的交易歷史有爭議，只要向結算層的節點詢問「最終狀態」是甚麼，就可以消除爭議，跟大法官釋憲很像，當法律條文有爭議時會做出裁示。
＊名詞解釋：「分叉」是什麼？
POW、POS、DPOS、PBFT 這些共識機制，都存在投票結果不止一個的問題，所以會讓區塊鏈分叉成很多條結果不同的鏈，通常要等到某一條分叉鏈特別長，其他分叉才會被消除，而那些被消除的分叉，裡面所包含的交易也全部被取消。
【儲存交易】數據可用性層 (Data Availability Layer, 簡稱 DA 層)
所有的交易數據，通通都可以交給 DA 層的節點來儲存，而儲存的方式與 IPFS 類似，會把全部的交易數據做切割，每個節點只需要儲存部分數據即可，而且被切割過後的數據，會同時由多個節點儲存，這樣就不會因單一節點出錯導致資料遺失。
DA 層的節點最重要的事，就是確保數據永遠存在，並且在其他層的節點想查閱數據時，能迅速提供。
▍模塊化的實際應用
模塊化應用（一）：【執行層】Rollup
在公鏈中，交易數據越小，手續費就越便宜，Rollup 除了計算交易結果之外，最重要的就是將多筆交易數據，壓縮成小小的容量，然後將壓縮過後的數據上傳到以太坊主鏈，數據變小了，手續費也便宜了。
可以想像成一部 2GB 的電影被壓縮成 100MB，這樣不但儲存很方便，想把電影傳給朋友也快很多。
Q：數據是如何被壓縮的呢？
舉個例子，今天有一句英文「 nana like banana and banana cake 」，這樣有 27 個字母，如果 nana 用 # 符號代替，就變成 「 # like ba# and ba# cake 」，這樣句子就縮短成 18 個字母，比較不佔儲存空間。
以模塊化的角度來看，Rollup 的節點是負責執行層的工作，運算用戶的交易結果，或是運算智能合約，然後把結果壓縮，最後上傳到以太坊主鏈上。
模塊化應用（二）：【執行層】OP-Rollup
優點：容易達成 EVM 兼容。
缺點：交易的「最終狀態(Finality)」要經過 7 天才能真正被確認，超級久。
Optimistic rollup，中文翻譯成樂觀匯總，OP-Rollup 是所謂的先上車後補票，把用戶送來的交易全部丟到以太坊主鏈上，並鎖在一個智能合約中暫時保留 7 天，這 7 天當中，如果沒有人去檢舉交易有錯，就默認交易沒問題，並且把交易寫進主鏈 (Layer1) 中，再也無法竄改，反之，7 天內若能抓出其中的錯誤交易，那筆交易就會被刪除，不會寫進主鏈。
模塊化應用（三）：【執行層】ZK-Rollup
優點：交易的「最終狀態(Finality)」比 OP-Rollup 更快確認，並且能保有隱私性。
缺點：需要研發電路硬體，才能達成 EVM 兼容，這十分困難。
Zero-Knowledge rollup，中文翻譯成零知識匯總，其中的零知識 (ZK) 是一個相當複雜的演算法，功能有三種：壓縮數據、產生證明、保護隱私，
ZK 功能一：壓縮數據
這是 Rollup 的主要特色，而 ZK 演算法剛好可以做到這件事。
ZK 功能二：產生證明
ZK 演算法會將交易做計算，生成一個 ZK 證明，這個 ZK 證明是用來跟大家宣告說，這筆交易已經驗證過了、這筆交易是正確無誤的，就跟房屋的契約書一樣，由政府發出這樣的契約證明，來宣告房子屬於誰的。
而經過 ZK 演算法確認過的交易，是「概率性」正確的，例如有 99.99999999% 的機率是正確的，雖然不到完美，但在現實應用中已經近乎完美了，如果這條公鏈每 1000 年才會有 1 筆交易出錯，你應該可以接受吧?
ZK 功能三：保護隱私
ZK 演算法可以在原始交易數據不公開的情況下，產生一個 ZK 證明，而且大家看到這證明就可以 99.9999999% 確認交易是正確的，不用理會原始數據到底是甚麼，這樣原始數據就被保護起來，擁有隱私性。
模塊化應用（四）：【執行層】Validium
優點：速度比 ZK-Rollup 快，手續費比 ZK-Rollup 低。
缺點：數據安全性比 ZK-Rollup 低。
Validium 是 ZK-Rollup 的特殊形式，運作方式和 ZK-Rollup 幾乎都一樣，差別在於「交易數據沒有上傳主鏈」。
一般的 ZK-Rollup 會將「交易數據」與「ZK 證明」同時上傳到主鏈（Layer1），但交易數據是很佔儲存空間的，傳到主鏈上手續費很貴，所以就延伸出 Validium 這樣子的做法，只將 ZK 證明傳到主鏈上，而交易數據就上傳到其他鏈外空間，例如 IPFS、雲端伺服器，或是後面會講的 DA 層，這樣就能降低手續費，並且加快交易速度，但缺點就是數據安全性會降低。
額外補充：
Validium 很適合鏈遊，因為鏈遊需要高速的交易與低廉的手續費，而且遊戲數據價值不高，通常只是遊戲道具的交易，不需要花費昂貴的手續費上傳到主鏈，存到鏈外空間更加適合。
模塊化應用（五）：【數據可用性層】Celestia
Celestia 在模塊化分工當中，負責數據可用性層 (DA層)，用途是儲存 Layer 1、Layer 2 傳來的交易數據，只負責儲存而不進行驗證。
所有的數據是由一大群 Celestia 的節點共同儲存，當其他層的節點向 Celestia 要求查閱數據時，Celestia 能夠將數據輕量化，然後快速的回傳數據。
總之，Celestia 能降低 L1、L2 節點的硬碟需求，L1、L2 的節點不再需要儲存龐大的歷史交易數據。
此外，配合前述所介紹的 Validium，能夠讓模塊化發揮到淋漓盡致，不但交易速度提高，安全性也很高。
上圖就是 Celestia 配合 Validium 的模式，Validium 將數據較小的「 ZK 證明」上傳到以太坊，並把數據較大的「交易數據」上傳到 Celestia，這樣能有效降低手續費，並提高交易速度。如果以太坊的節點想要查閱歷史交易數據，只需要向 Celestia 提出要求，Celestia 就會把「輕量化」的數據回傳，不但維持數據的正確性，也降低網路傳輸的負擔。
▍模塊化的重大缺點
分工合作是模塊化的特色，能藉此大幅提高交易速度，但模塊化有個重大缺點就是「生態撕裂」，我們以執行層來舉例，目前的執行層項目有 Optimism、Arbitrum、zkSync、Starkware 等等，但這些執行層項目是難以互通的，假如我所有的資產都放在 Optimism，今天心血來潮想去 Arbitrum 參與一個空投活動，會發現我無法參與，因為資產轉移過去要跨鏈，不但手續費很貴，而且跨鏈需要時間，最慘的狀況是跨鏈要等待 7 天，這在使用體驗上是相當糟糕的。
這樣的生態撕裂，我相信未來也會發生在數據可用性層，所以模塊化時至今日都還很難用，只能等待更好的跨鏈服務出現，或是某個 Rollup 吃下所有的執行層市場。
順帶一提，多鏈化公鏈就比較沒這問題，多鏈化公鏈雖然是由多個獨立的應用鏈組成，但他們在創建之初，就已經設定好通用的跨鏈標準，所以跨鏈體驗是相當順暢的，也是我個人很看好的公鏈種類，關於多鏈化公鏈，未來也會寫文章來解釋。
▍以太坊與模塊化
模塊化這樣的技術，不單是為了以太坊而開發，也能夠應用在其他的公鏈，但以太坊的用戶很多，而且以太坊的速度很慢，因此，模塊化應用在以太坊能發揮最大的效果，所以目前多數的 Rollup 與 DA 層，都是圍繞著以太坊。
我們先看上圖，2014 年以太坊建立時，以太坊的節點包辦了「執行、共識、結算、數據可用性」這四層的工作內容。到了 2022 年，Rollup 幫以太坊分擔了執行層的工作，藉此提升「以太坊生態」的速度。2023 年底 Celestia 主網上線，幫以太坊分擔 DA 層的工作，近一步增加「以太坊生態」的靈活性。
Q：模塊化的成長，會持續到何時？
以太坊這條 Layer 1，自己一直在做升級與開發，通稱為 ETH 2.0，包含了 Verkle tree、Dansharding、zkEVM 等等的擴容技術，當所有的開發都完成，會進化成「以太坊完全體」，從「模塊化公鏈」再回歸成「單片化公鏈」，不用模塊化的幫助也能達到百萬級的 TPS，到這時，模塊化的應用已經不是必須，而我猜測這樣的時間點會在 2030 年左右（希望能這麼樂觀）。
Q：以太坊完全體出現後，模塊化應用還會存在嗎？
模塊化會一直存在的，以太坊完全體雖然厲害，但不可諱言的，沒辦法符合所有的使用情境，有些應用需要零元手續費，有些應用需要極高速的交易速度，有些應用需要保留中心化的控制權，這些都比較難在以太坊完全體上實現，這時候，模塊化還是有應用場景的。
關於以太坊 ETH 2.0 的所有升級路線，會在未來的文章繼續解釋，這部分非常硬核，容我花點時間撰寫。
▍結語 - 模塊化的現在與未來
今天講了模塊化的分層，可以看出這樣的區塊鏈結構是很複雜的，但也是相當巧妙的，每個層都能夠獨立開發、獨立優化，不再像單片化公鏈那樣，想升級卻難以升級，因為單片化公鏈所有功能都綁定在一起，很難單獨優化。
所以在理想的狀態下，模塊化的進步速度會比單片化公鏈快很多，能大幅提高公鏈的使用情境，但實際上，目前的執行層項目實在太多，各種 Rollup 充斥在市面上，導致以太坊的使用者還在觀望，不太願意把資產轉移到 Rollup 上。
另一方面，數據可用性層目前只有 Celestia 這一個項目，因為數據層的開發是很困難的，如果沒有其他競品來分瓜市場，Celestia 或許會在模塊化市場中佔有一席之地。
未來要關注的模塊化發展：
1. Layer 2 的通用跨鏈方式何時出現。
2. 數據可用性層，有沒有除了 Celestia 之外的項目出現。
3. 以太坊 ETH 2.0 開發進度多快。
整體來說，模塊化生態是很有潛力的，但「有潛力」與「幣價上漲」是兩回事，像是現在的 Rollup 所發行的代幣，並沒有實際的應用場景，公鏈代幣最重要的「剛性需求」就是應用在「手續費」，而模塊化生態中，手續費都是 Layer 1 在做收取，Rollup 很難從中賺取手續費，除非用戶數量夠多，但 Rollup 在生態撕裂的狀況下，用戶分散在不同項目，Rollup 自然而然賺不到錢，所以在「剛性需求」這方面，Rollup 是很脆弱的，只剩下「市場期望」去撐起幣價，對我這種長週期投資者來說，風險比較大，所以我個人比較想押寶在 Layer 1 與早期的 DA 層的項目上。
公鏈的投資，除了今天所講的區塊鏈架構，還有代幣經濟、開發者生態、項目坊運營、社群經營等等，有許多面向要去研究，未來我會再慢慢分享。
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