Modular 與 Monolithic 區塊鏈的比較

每個區塊鏈都有相同的核心任務：提供共識與安全性、保證資料可用性，以及執行交易。通常，大多數區塊鏈會在同一層處理這些職責——這類區塊鏈，例如 Bitcoin，被稱為「單體式區塊鏈」（monolithic blockchain）。

自最早的加密貨幣出現以來，單體式區塊鏈一直是業界標準，但這種情況正快速改變。隨著越來越多證據顯示單體式設計的效能並非最佳，模組化（modular）區塊鏈正逐漸受到歡迎。模組化鏈只專注於特定任務，並將其餘任務交由其他層處理。

本指南提供模組化區塊鏈概念的高階介紹。我們將說明模組化區塊鏈如何運作、它與單體式區塊鏈的差異，以及模組化設計對區塊鏈採用為何重要。

什麼是模組化區塊鏈？

模組化區塊鏈是專注於處理少數幾項職責，並將其餘職責外包給一個或多個獨立層的區塊鏈。要理解模組化區塊鏈如何運作，我們必須先評估一般區塊鏈的「職責」：共識、執行、資料可用性，以及結算。

1. 共識

共識指的是節點就區塊鏈上哪些資料可被驗證為真實準確達成一致的機制。共識協定決定交易如何排序，以及新區塊如何被加入鏈上。

2. 執行

執行是區塊鏈上的節點處理交易、使區塊鏈在不同狀態間轉換的方式。參與共識的節點必須先用自己的區塊鏈副本執行交易以進行驗證，然後才能對區塊進行驗證。

3. 資料可用性

區塊鏈會強制執行要求交易資料可用性的規則。這表示區塊產生者必須為每個區塊發布資料，供網路上的其他節點下載並儲存；這些資料必須能夠在被請求時提供。

4. 結算

最後，區塊鏈提供「終局性」（finality）——保證已提交至鏈上歷史的交易是不可逆的（或「不可竄改的」）。要達成這一點，區塊鏈必須被說服相信該交易是有效的。因此，結算功能要求鏈驗證交易、驗證證明，並仲裁爭議。

在探討了區塊鏈的關鍵特性後，我們現在可以檢視模組化區塊鏈設計的運作機制。

模組化區塊鏈如何運作？

模組化區塊鏈的運作原則是模組化（modularity），也就是將系統拆分為不同的元件，這些元件可以透過各種方式組合以達成特定目標。模組化依賴專業分工：每個元件只能做少數幾件事，但必須做得好。你可以將模組化元件想像成樂高積木，能夠組合成不同的結構。

模組化鏈是更大的「模組化堆疊」中的一個元件，這個堆疊中的區塊鏈可以組合起來以達成不同目的。模組化區塊鏈的行為就像「可插拔模組」，能夠根據使用情境被替換或彼此合併。

什麼是模組化區塊鏈架構？

模組化區塊鏈可以被設計為處理以下任務中的一項或多項組合：

• 執行：支援交易的執行，並讓智能合約得以部署與互動。
• 資料可用性：保證交易資料的可用性。
• 共識：就交易的內容與排序達成一致。
• 結算：提供一個層來最終確定交易、解決爭議、驗證證明，並在不同執行層之間進行橋接。

Rollups 是模組化區塊鏈的一個例子。Rollup 鏈處理交易（執行），但將共識、資料可用性和結算外包給父鏈。我們會在文章稍後的段落中列舉更多模組化區塊鏈的範例，並看看它們如何處理這些功能。

模組化鏈往往會同時執行兩個或以上的功能，尤其當這些功能彼此相依時。舉例來說，資料可用性層也必須就資料的排序達成共識，否則就無法得知哪些資料代表正確版本的歷史紀錄。

Ethereum 在模組化情境下如何運作？

如同 Bitcoin 及許多第一代區塊鏈，Ethereum 最初被設計為單體式區塊鏈。然而，為了提升可擴展性與永續性，Ethereum 網路目前正朝模組化架構轉型。以下說明 Ethereum 在模組化情境下的運作方式：

Sharding

Sharding（分片）是將一個系統（例如資料庫）拆分成多個部分以並行運作的過程。透過將功能拆分到多個元件上，系統能達到比所有部分共同處理同一項職責時更高的產出與效率。在區塊鏈網路中，sharding 會將區塊鏈拆分成多條子鏈，每條子鏈負責處理網路活動的一部分。

Ethereum 正在採用一種分片設計，其中 64 條 shard chain 將並行運作。Shard 可以並行處理交易（執行分片），或作為儲存不同區塊鏈資料區塊的「儲存倉」（資料分片）。透過資料分片，Ethereum node 只需儲存發布在其所屬 shard chain 上的資料；這與目前所有節點都必須儲存相同資料的結構不同。

‍Ethereum sharding 是一種模組化形式，讓不同元件（shard chains）負責不同的職責。在資料分片中，shard chain 儲存 Ethereum 資料的不同部分，而執行分片則讓每條 shard chain 能夠處理各自的一組交易，藉此提高資料吞吐量並縮短處理時間。

Rollups

部分開發者採用了以 rollup 為核心的方法來擴展 Ethereum。與 sidechains 等純粹鏈下擴展方案不同，rollups 與父鏈緊密耦合。更確切地說，rollup 可視為主鏈的延伸，目的是為主鏈提升吞吐量。

Ethereum 區塊鏈將運算外包給 rollups，自己則專注於結算、共識和資料可用性。Rollups 可以透過更快的區塊時間和更大的區塊，積極針對執行進行優化，而不會損害去中心化或安全性。這是因為 Ethereum 作為 rollups 所在 Layer 2 的基礎層（或稱「Layer 1」）。

模組化區塊鏈設計有哪些優點？

模組化區塊鏈設計具有以下優點：可擴展性、彈性，以及能夠快速推出新區塊鏈。

1. 可擴展性

區塊鏈三難困境（blockchain trilemma）指出，一個區塊鏈在去中心化、安全性和可擴展性這三種特質中，只能同時擁有兩種，永遠無法三者兼具。針對某些特質（可擴展性）進行優化，會導致其他方面（安全性和去中心化）出現取捨，這也是為何區塊鏈擴展如此困難。

然而，擴展方面的困難大多發生在區塊鏈試圖在單一層上同時處理所有活動時。將模組化應用於區塊鏈（在不同層之間分配任務）能在不引入不良信任假設的情況下提升規模。

舉例來說，專注於執行的 rollups 提供的可擴展性優於一般鏈。儘管如此，它們依賴 Ethereum 進行共識和資料可用性，因此仍能達到高度的安全性。

2. 推出新區塊鏈

由於需要建立起安全性方面的特質，推出新區塊鏈可能相當困難。proof-of-stake 鏈可能需要建立廣泛的代幣分配以避免中心化風險，而 proof-of-work 鏈則可能需要吸引礦工，以防止少數方掌控網路的算力。

但如果開發者能夠專注於最低限度的部分，例如執行，並外接另一個模組化區塊鏈元件來處理特定任務，例如安全性呢？透過運用模組化設計，新區塊鏈可以更快推出，而不必擔心是否把架構的每個部分都做對。

3. 彈性

模組化提供了單體式鏈無法提供的彈性。Bitcoin 專注於去中心化和安全性，自然而然排除了可擴展性，而高吞吐量的鏈則往往要在去中心化和安全性上做出一定程度的犧牲。

專為特定目的打造的模組化鏈，在取捨和設計實作上提供更大的彈性。舉例來說，一個模組化區塊鏈系統可能包含專注於安全性和資料可用性的模組化鏈，而其他鏈則專注於執行。以下說明兩者如何從模組化設計中受益：

1. 安全性與資料可用性層受益於額外的可擴展性，因為交易是分開處理的。它只需要強制執行鏈下執行的有效性，並保證鏈下資料的可用性。這正是 Ethereum 透過使用 rollups 提升可擴展性的方式。
2. 執行層（針對可擴展性進行優化）透過運用父鏈的特性而受益於額外的安全性。這正是 Layer 2 受益於 Ethereum 去中心化的方式。

模組化區塊鏈有哪些缺點？

模組化區塊鏈設計具有以下缺點：安全性、複雜性，以及代幣價值。

1. 安全性

與單體式鏈不同，模組化鏈無法保證自身的安全特質。如果安全層（通常負責共識和資料可用性）效果不佳，模組化鏈就有失敗的風險。

2. 複雜性

實作模組化區塊鏈設計會帶來新的複雜性。舉例來說，Ethereum 的資料分片方案依賴資料可用性抽樣，以確保某個 shard 上的節點不會扣留資料。同樣地，執行層必須採用某些複雜機制，例如詐欺證明（fraud proofs）和有效性證明（validity proofs），讓安全層能夠強制執行鏈下狀態轉換的有效性。

3. 代幣價值

由於應用範圍有限，某些模組化鏈可能難以為其原生代幣吸引價值。舉例來說，一個純粹專注於共識和資料可用性的層，其效用代幣的使用需求可能會低於執行層。這類網路也可能更難吸引參與者。

模組化區塊鏈平台範例

Ethereum

如前所述，Ethereum 對資料分片和以 rollup 為核心的運算方式的依賴，使其成為一種模組化鏈。在前者的情況中，它將共識和資料可用性分開；在後者的情況中，則將執行外包出去。

Celestia 與 Polygon Avail

Celestia 和 Polygon Avail 是兩個新興的模組化區塊鏈，主要專注於共識和資料可用性。Celestia 和 Polygon Avail 的節點只負責儲存和排序交易；它們不會為了執行而解讀交易資料。預期這些鏈將作為其他執行層（例如 rollups）的資料可用性層。

Validiums

Validium 與 zero-knowledge rollup 類似：它在鏈下執行交易，並將交易（以批次方式）連同有效性證明一併提交給父鏈。差別在於，validium 鏈是將鏈下資料儲存在其他地方，而不是父鏈。這可以透過資料可用性委員會，或是由 proof-of-stake validators 組成的資料可用性網路來實現（Celestia 就是以 PoS 為基礎的資料可用性網路範例）。

Validium 的模組化堆疊如下：

• 執行層（validium 鏈）
• 結算與安全層（父鏈）
• 資料可用性與共識層（DAC 或 PoS validator 網路）

Rollups

如前所述，rollup 設計（optimistic rollups 和 zero-knowledge rollup 專案）採用模組化方法。運行 Optimistic Virtual Machine 的 optimistic rollup，或運行 zkEVM 的 ZK-rollup，扮演執行層的角色（執行智能合約、處理交易）。然而，它們在其他功能上仍依賴 Ethereum：

1. 資料可用性與共識：Rollups 會以 CALLDATA 的形式將交易資料發布至 Ethereum Mainnet。這讓任何人都能執行該 rollup 的交易，並在必要時重建其狀態。
2. 結算：所有 rollup 交易都在 Ethereum 上完成最終確定。對於 zero-knowledge rollups 而言，這會在 zero-knowledge proof 通過驗證之後發生。Optimistic rollup 的使用者則必須等到挑戰期結束，或在詐欺證明運算後交易被判定為有效。

什麼是單體式區塊鏈？

「Monolithic」意指「由單一整塊構成」，這也說明了為何用它來描述採用統一結構模型的區塊鏈。單體式鏈中，節點須負責共識、資料可用性和執行。由於交易是在鏈上驗證的，單體式鏈同時也扮演結算層的角色。

單體式區塊鏈如何運作？

在單體式鏈中，所有任務都在單一層，或在同一層上緊密耦合運作的一組鏈中處理。後者的區別值得特別注意：由處理所有角色的互連區塊鏈所組成的網路，例如 Polkadot 的 parachains 或 Avalanche 的 subnets，並不算是模組化架構。

為了理解單體式鏈如何運作，我們以 Bitcoin 協定為例：

1. Bitcoin 節點從另一個對等節點收到交易，驗證簽章，並確認其符合共識規則。
2. 如果交易有效，節點會將其加入 mempool（否則就丟棄該交易）。
3. 礦工從 mempool 中取出交易，並將其加入候選區塊。
4. 如果礦工成功找到候選區塊的 nonce（依照 proof-of-work 規則所規定），就可以將該區塊廣播給其他對等節點。其他節點會重新執行交易以確保有效性，若一切通過，就會將新區塊加入鏈上。
5. 這個過程會與其他礦工不斷重複，最終隨著新區塊建立在先前加入的區塊之上，使鏈不斷增長。

什麼是單體式區塊鏈架構？

前一節說明了 proof-of-work 鏈上交易的工作流程，但這如何對應到單體式架構呢？以下列出單體式鏈上的節點針對每筆交易所執行的事項：

1. 資料可用性

每個節點都持有整條區塊鏈的副本，並儲存每一筆交易。對等節點隨時都可以向其他節點請求交易資料。

2. 執行

所有節點都會重新執行交易以檢查有效性。在以帳戶為基礎的區塊鏈（通常是支援智能合約的區塊鏈）上，節點會執行交易以計算出新的網路狀態。

3. 共識

節點就哪些交易將被處理進新區塊，以及這些交易的排序達成一致。

4. 結算

結算要求將交易永久提交至鏈上歷史。提出交易的節點必須就區塊的完整性投入經濟上的擔保。對於 Proof-of-Work 區塊鏈而言，這種「擔保」是挖出新區塊所耗費的能源；而 Proof-of-Stake 區塊鏈則要求驗證者就區塊的有效性質押代幣——這些代幣可以從試圖將錯誤或不準確交易寫入鏈上的惡意行為者手中沒收。

單體式區塊鏈架構要求節點執行所有這些角色。這與模組化鏈不同，後者將執行與結算、共識和資料可用性分開處理。

單體式區塊鏈設計有哪些優點？

單體式區塊鏈設計具有以下優點：安全性、實用性，以及簡潔性。

1. 安全性

單體式區塊鏈的優勢在於能夠自行強制執行安全性。節點可以看到鏈上執行的交易，並在達成共識前檢查其有效性。由於區塊鏈資料會重複儲存在多個節點上，資料可用性問題也就變得相對容易解決。

2. 實用性

單體式區塊鏈除了其他職責外還負責執行，因此具備更好的價值主張。由於使用者為了多種用途而購買原生代幣，長期而言它能累積更多價值。

3. 簡潔性

單體式區塊鏈更容易設計和實作，因為開發者可以借鑑區塊鏈技術多年來的實驗成果。設計安全且高效的模組化鏈需要更高的技術水準，並在設計過程中引入更多考量因素。

單體式區塊鏈有哪些缺點？

單體式區塊鏈設計具有以下缺點：執行效率低落、資源限制、彈性不足、可擴展性受限、安全性，以及去中心化。

1. 執行效率低落：單體式鏈上的節點必須重新執行交易以驗證有效性。
2. 資源限制：節點資源（例如儲存空間和頻寬）的限制會影響區塊鏈的效率。
3. 彈性不足：單體式鏈缺乏彈性，無法在不犧牲其他特質的情況下針對所需特質進行優化。
4. 可擴展性：為了達到更高的吞吐量，單體式鏈會採用更快的區塊時間和更大的區塊大小。這對節點施加了更高的硬體要求，並減少了能夠驗證該鏈的節點數量——進而導致中心化和更高的安全風險。
5. 安全性與去中心化：為了達到高度去中心化，單體式區塊鏈會限制區塊時間和區塊大小。這會增加驗證節點的數量，但讓每個節點都處理交易，則會導致吞吐量降低。
6. 狀態膨脹：將交易資料儲存於鏈上，會導致區塊鏈大小隨時間呈指數成長。這可能對節點施加更高的硬體要求，並損害去中心化程度。

單體式區塊鏈平台範例

Bitcoin

Bitcoin 是最初的單體式鏈，要求節點根據自己的區塊鏈副本執行每一個區塊。雖然這能提升去中心化和安全性，但也限制了 Bitcoin 支援高吞吐量或擴展以容納更多使用者的能力（Bitcoin 區塊鏈每秒能處理 5-7 筆交易）。

Ethereum 1.0

在沒有 sharding 和 rollups 的情況下，Ethereum 是以單體式鏈的形式存在。這也說明了它交易速度較慢（每秒 15-20 筆交易），以及更著重去中心化和安全性的原因。

Solana

Solana 是另一個在同一處理理執行、資料可用性和共識的單體式鏈。與 Ethereum 不同，Solana 針對可擴展性進行優化，並宣稱速度可達每秒 65,000 筆交易。不出所料，這些可擴展性優勢是以犧牲去中心化和安全性為代價換來的——尤其是運行 validator 節點所需的硬體要求相當高，許多 validators 運行的是裸機環境，而非雲端基礎設施。

如何選擇：模組化 vs. 單體式區塊鏈

單體式鏈和模組化鏈各有優缺點。選擇其中一種方案，需要先理解你的專案需求以及可接受的取捨。高價值的 DeFi 應用程式可能會選擇單體式鏈所提供的安全保證，而需要更便宜、更快速運作的專案（例如高頻交易）則可能更適合採用針對執行進行優化的模組化鏈。

Alchemy 提供在單體式區塊鏈上建構應用的支援，包括 Ethereum、Solana 和 Crypto.org。你也可以運用模組化區塊鏈的力量，例如 optimistic rollups（例如 Optimism、Arbitrum）以及 ZK-rollups/Validium（StarkNet）。

常見問題

模組化與單體式區塊鏈之間的主要差異是什麼？

單體式區塊鏈在單一層上處理所有核心功能——執行、共識、資料可用性和結算——而模組化區塊鏈則將這些職責拆分到專門的層或鏈上。

為什麼模組化區塊鏈比單體式區塊鏈更具可擴展性？

模組化設計將執行等任務外包給獨立的層，讓每個元件都能獨立優化，並在不犧牲基礎層去中心化或安全性的情況下實現更高的吞吐量。

使用模組化區塊鏈架構有哪些主要優點？

模組化區塊鏈提供更佳的可擴展性、在設計取捨上更大的彈性，並讓開發者能夠專注於特定功能、同時運用既有基礎設施處理其他功能，藉此更快推出新區塊鏈。

模組化區塊鏈設計有哪些缺點？

模組化區塊鏈在各層之間的協調上引入了複雜性，無法保證自身的安全特質，而且與單體式鏈相比，代幣效用可能較為有限。

Ethereum 如何作為模組化區塊鏈運作？

Ethereum 正透過 sharding（將資料拆分到多條鏈上）以及以 rollup 為核心的方法轉向模組化，它負責結算、共識和資料可用性，並將執行外包給 Layer 2 rollups。

有哪些模組化區塊鏈平台的範例？

範例包括 Celestia 和 Polygon Avail（資料可用性層）、Optimism 和 Arbitrum 等 rollups（執行層），以及將執行、結算和資料可用性分散到不同層的 validiums。

單體式區塊鏈設計有哪些優點？

單體式區塊鏈在設計和實作上較為簡單，能夠自行強制執行自身的安全特質，並且由於使用者需要原生代幣來執行多種功能，通常具有更好的代幣實用性。

Solana 是單體式還是模組化區塊鏈？

Solana 是一種單體式區塊鏈，在同一處理執行、資料可用性和共識，並針對可擴展性進行優化，宣稱速度可達每秒 65,000 筆交易。