以太坊新技术动态：账户抽象、模块化区块链与数据可用性
以太坊，作为智能合约平台领域的先驱和领军者，一直致力于技术创新和发展。为了适应日益增长的链上交易活动、日益复杂且严峻的安全挑战，以及开发者对于更具弹性、可定制化的应用开发环境的迫切需求，以太坊社区正在积极探索并逐步实施一系列前沿技术。这些技术升级旨在提升以太坊的可扩展性、安全性、用户体验和开发效率。本文将深入探讨以太坊的最新技术动态，着重分析账户抽象、模块化区块链架构和数据可用性解决方案，并详细阐述这些技术创新对以太坊生态系统可能产生的深远影响。
账户抽象旨在通过智能合约账户替代传统的外部账户，从而解锁更高级的功能，例如多重签名、社交恢复和灵活的交易费用支付机制。模块化区块链则致力于将区块链的功能分解为独立的层，包括执行层、共识层和数据可用性层，从而优化性能和可定制性。数据可用性解决方案，如 Danksharding 和 Celestia，旨在确保链下数据存储的可靠性，从而支持更大规模的可扩展性解决方案，例如 Layer-2 扩展方案和有效性证明。
这些技术升级不仅仅是概念上的创新，更是在以太坊路线图上占据核心地位的实际发展方向。通过对这些技术的深入理解和应用，以太坊有望在未来继续保持其在区块链领域的领先地位，并为去中心化应用（DApps）的开发和应用提供更加强大和灵活的基础设施。
账户抽象 (Account Abstraction)
账户抽象是以太坊发展历程中的一个重要里程碑，旨在彻底改变用户与区块链互动的方式。目前，以太坊主要有两种类型的账户：外部账户（EOA）和合约账户。EOA 由私钥控制，用于发起交易，而合约账户则由代码控制，执行智能合约。账户抽象的核心思想是将这两种账户类型的功能融合，允许用户使用智能合约来管理他们的账户，从而解锁一系列新的可能性。
当前账户模型的局限性
传统的外部账户（Externally Owned Accounts, EOAs）在加密资产管理和交易中存在显著的局限性。主要问题在于其对私钥的高度依赖和功能的相对简单性。用户必须承担保护私钥的全部责任，包括安全存储和防范泄露风险。私钥一旦丢失或泄露，账户内的所有资产将永久性丢失或被盗，且难以追回，这对用户而言是巨大的安全隐患。
EOA账户对交易的授权和验证机制较为单一，通常依赖于椭圆曲线数字签名算法（Elliptic Curve Digital Signature Algorithm, ECDSA）。ECDSA虽然安全可靠，但同时也限制了账户的灵活性和可扩展性。例如，EOA原生不支持多重签名，即需要多个私钥授权才能执行交易，这对于企业或团队共同管理账户是不便的。社交恢复机制也难以在EOA上直接实现，这意味着当用户丢失私钥时，无法通过朋友或家人的协助来恢复账户访问权限。
EOA账户在Gas费用支付方面也存在一定的局限性。在以太坊等区块链网络中，用户必须使用原生代币（例如ETH）来支付交易的Gas费用。这意味着即使用户主要持有其他类型的代币，仍然需要持有ETH才能进行交易，这增加了用户的使用成本和复杂性。对于初学者或不熟悉ETH的用户而言，这可能是一个不小的障碍。这种对ETH的强制依赖降低了用户体验，并限制了DeFi应用的使用场景。
账户抽象的优势
账户抽象旨在解决传统以太坊账户模型存在的痛点，例如私钥管理复杂、Gas 费支付方式单一、用户体验不佳以及功能扩展性受限等问题。其优势主要体现在以下几个方面：
- 更强的安全性： 传统以太坊账户依赖于单一私钥进行交易授权，存在单点故障风险。账户抽象通过智能合约来管理账户，用户可以部署自定义的验证逻辑，实现更复杂、更安全的账户保护机制，例如多重签名（需要多个私钥授权才能执行交易）、时间锁（在特定时间后才能执行交易）、社交恢复（通过社交关系网络来恢复账户）等。这意味着即使私钥泄露或丢失，也可以通过预先设定的智能合约逻辑来阻止未经授权的恶意交易，最大限度地保护账户资产安全。还可以集成硬件钱包、生物识别等多种验证方式，进一步提升安全性。
- 更灵活的 Gas 费支付： 在传统以太坊交易中，用户必须使用 ETH 支付 Gas 费，这对于持有其他 ERC-20 代币的用户来说很不方便。账户抽象允许用户使用任何 ERC-20 代币支付 Gas 费，无需强制持有 ETH。智能合约钱包可以自动将用户持有的 ERC-20 代币兑换成 ETH 来支付 Gas 费，或者通过 Gas 中继服务由第三方支付 Gas 费。这极大地提升了用户体验，降低了使用以太坊的门槛，促进了区块链技术的普及。
- 更便捷的用户体验： 传统以太坊账户需要用户手动签名每一笔交易，操作繁琐且容易出错。账户抽象可以简化交易流程，例如批量处理交易（一次性提交多个交易）、自动支付订阅费用（定期自动扣款）、自动执行条件性交易（满足特定条件后自动执行交易）等。用户可以创建更智能的账户，根据预设的规则自动执行操作，而无需手动签名每一笔交易。账户抽象还可以实现无 Gas 交易，进一步提升用户体验。
- 更强大的可编程性： 传统以太坊账户的功能固定，无法进行自定义扩展。账户抽象允许开发者自定义账户的逻辑，实现更复杂的功能，例如身份认证（基于 DID 的身份验证）、权限管理（细粒度的权限控制）、合规性控制（满足监管要求的交易控制）、白名单/黑名单管理、交易限额控制等。这将为 DeFi（去中心化金融）、NFT（非同质化代币）、Web3 游戏等应用场景带来更多的创新空间，例如创建更复杂的金融产品、实现更精细的 NFT 交易机制、构建更丰富的 Web3 游戏体验。
EIP-4337：账户抽象的关键提案
EIP-4337是以太坊社区提出的一个具有里程碑意义的账户抽象提案，它的核心目标是在不触及以太坊核心协议底层架构的前提下，实现账户抽象这一重要功能。该提案巧妙地引入了两个关键角色：Bundler（捆绑者）和 Paymaster（支付者），共同协作以达成账户抽象的目标。
Bundler的主要职责是将多个用户的操作请求，亦被称为 UserOperation，进行聚合打包，形成一个单一的交易。随后，Bundler将这个交易提交到以太坊区块链网络上进行处理。通过这种捆绑方式，可以显著降低单个用户操作的Gas成本，提升交易效率。
Paymaster则扮演着Gas费赞助商的角色。它允许用户不必持有以太坊原生代币ETH，而是可以使用任何符合ERC-20标准的代币来支付交易所需的Gas费用。Paymaster通过预先设定的规则和逻辑，验证用户操作的有效性，并代替用户完成Gas费的支付。这种机制极大地降低了用户的使用门槛，使得更多用户可以方便地参与到以太坊生态中。
EIP-4337的核心优势在于，它使得用户能够使用功能更加强大的智能合约账户，而不是传统的外部账户（EOA）。智能合约账户可以自定义逻辑、执行复杂的操作，并实现诸如多重签名、社交恢复等高级功能。EIP-4337允许用户使用各种ERC-20代币支付Gas费用，打破了ETH作为唯一Gas费支付手段的限制，极大地改善了用户体验，并为以太坊生态带来了更广泛的应用场景和可能性。
模块化区块链 (Modular Blockchains)
随着以太坊生态系统的快速扩张，以及各种Layer2解决方案的涌现，其固有的可扩展性瓶颈、数据可用性问题以及交易成本高等挑战日益凸显。 模块化区块链架构作为一种前沿的区块链设计理念应运而生，其核心思想是将传统区块链的各个关键功能，例如执行、共识、结算和数据可用性等，进行模块化拆分，并由不同的 специализированная layer或链分别处理，从而优化整体性能和提升灵活性。
传统区块链（也被称为单片区块链）通常在一个单一的层上处理所有功能，这会导致拥堵和效率低下。与之形成对比的是，模块化区块链通过将这些功能分解到多个专门的层，实现了并行处理和优化。例如，一个模块化区块链可能包括：
- 执行层： 负责处理交易和智能合约的执行。 这可以通过Optimistic Rollups、ZK-Rollups或其他Layer2扩展方案来实现，旨在显著提高交易吞吐量。
- 共识层： 负责验证交易和区块的有效性，保证区块链的安全性和一致性。 这层可以采用各种共识机制，如权益证明 (Proof-of-Stake, PoS) 或委托权益证明 (Delegated Proof-of-Stake, DPoS)。
- 数据可用性层 (Data Availability Layer, DA)： 负责存储和提供区块链交易数据，确保数据的可访问性和持久性。 例如，Celestia就是一个专门的数据可用性层解决方案。
- 结算层： 负责解决执行层产生的争议，并确保跨链互操作性。 以太坊本身可以作为模块化区块链的结算层。
通过采用模块化设计，区块链能够更加灵活地适应不同的应用场景和需求。 开发者可以根据自身需求选择不同的模块组合，从而构建出更高效、更安全、更具可定制性的区块链应用。 模块化区块链被认为是解决区块链三难困境（即可扩展性、安全性和去中心化）的关键路径之一，并有望推动区块链技术的更广泛应用。
传统区块链的局限性
传统的区块链架构，特别是早期的区块链实现，通常采用单片式架构模型。在这种架构中，网络中的每一个节点都承担着相同的责任，需要验证网络上的所有交易，并且必须存储整个区块链的完整历史数据。这种全局性的数据验证和存储方式，在网络规模较小、交易量较低的情况下能够有效运作。然而，当区块链网络面对日益增长的用户需求和不断攀升的交易吞吐量时，单片式架构的局限性便会暴露出来，成为性能瓶颈。
具体来说，高吞吐量需求会对单片式区块链造成显著的压力。由于每个节点都需要处理和验证每一笔交易，随着交易量的增加，每个节点的计算负担也会线性增加，导致交易处理速度变慢，交易确认时间延长。这种拥堵现象会导致用户体验下降，同时也会推动 Gas 费用（即交易手续费）的飙升。在高并发时期，用户可能需要支付更高的 Gas 费用才能确保自己的交易被优先处理，这进一步降低了区块链的使用效率和经济性。
除了性能瓶颈之外，单片式架构在协议升级方面也面临挑战。由于所有节点都必须对协议变更达成共识，任何升级都需要经过广泛的社区讨论和投票，并最终得到绝大多数节点的认可。这种共识机制虽然能够确保区块链的安全性和稳定性，但也使得协议升级变得非常缓慢和复杂。任何争议都可能导致升级停滞，从而限制了区块链的创新能力和适应性。因此，传统的单片式区块链在面对快速变化的技术环境和市场需求时，可能会显得不够灵活和敏捷。
模块化区块链的优势
模块化区块链是一种创新型的区块链架构，它将传统区块链的各项核心功能，如交易执行、共识机制以及数据可用性等，分解为若干个独立的、可插拔的模块。这种解耦设计使得每个模块能够独立地进行优化、升级和替换，从而显著提升整体区块链系统的性能、灵活性和适应性。与单体区块链架构相比，模块化区块链在应对不断变化的需求和技术挑战时展现出更强的优势。
- 可扩展性： 模块化区块链通过分离执行层和共识层，实现了卓越的可扩展性。传统区块链的性能瓶颈往往在于执行层，而模块化设计允许采用诸如 Rollup 等专门的链下扩展方案来处理大量的交易执行任务。Rollup 将交易执行移至链下，仅将最终结果提交到主链进行验证和结算，从而大幅减轻主链的计算负担，提高交易吞吐量。这种分层架构使得区块链系统能够支持更高的交易频率和更大的用户规模。
- 灵活性： 模块化区块链为开发者提供了前所未有的灵活性。开发者可以根据特定的应用场景和业务需求，自由选择和组合不同的模块。例如，针对需要高安全性的应用，可以选择基于权益证明 (PoS) 的共识机制；而对于对吞吐量要求较高的应用，则可以选择基于委托权益证明 (DPoS) 的共识机制。数据可用性方案的选择也同样具有灵活性，开发者可以根据数据规模、访问频率和成本因素，选择合适的数据存储和验证方案。这种定制化的能力使得模块化区块链能够满足各种不同的应用需求，从而加速区块链技术的普及和应用。
- 可升级性： 模块化区块链的各个模块可以独立进行升级，而无需对整个区块链网络进行硬分叉。传统的区块链升级通常需要进行硬分叉，这意味着整个网络需要达成共识并同步升级到新的版本，过程复杂且风险较高。而模块化区块链的独立升级特性大大降低了升级的复杂度和风险，提高了区块链的迭代速度。开发者可以不断地改进和优化各个模块，引入新的功能和技术，而不会对整个网络造成中断或分裂。这种平滑升级的能力使得模块化区块链能够快速适应技术发展和市场变化，保持技术的领先性。
Rollup：模块化区块链的关键技术
Rollup 是一种核心的模块化区块链技术，被设计用于显著提升以太坊等区块链网络的可扩展性。其核心思想是将交易执行过程从主链（例如以太坊）转移至链下环境进行，从而减轻主链的计算负担。链下执行完毕后，Rollup 并不直接将所有交易数据提交到主链，而是仅提交一个经过压缩的、代表交易执行结果的状态根。这一状态根包含了所有交易后区块链状态的摘要信息。
由于主链只需要验证状态根的有效性，而无需重复执行所有交易，因此 Rollup 能够极大地提升区块链的交易吞吐量，降低交易成本，并提高整体网络的效率。验证状态根的过程比验证所有原始交易所需的计算资源少得多，从而释放了主链的计算能力。
目前，Rollup 主要分为两大类型：Optimistic Rollup 和 ZK Rollup。Optimistic Rollup 的运作机制基于一种“乐观”的假设，即默认所有提交的交易都是有效的。在这种机制下，交易在链下执行后，状态根被提交到主链。为了确保安全性，Optimistic Rollup 引入了一个争议期。在此期间，任何人都可以对链上提交的状态根提出质疑，并提供欺诈证明。如果欺诈证明被验证有效，则会回滚错误的交易，并惩罚作恶者。这种机制依赖于博弈论，鼓励参与者诚实验行交易。
另一方面，ZK Rollup (零知识 Rollup) 则采用了一种更为严谨的安全模型。ZK Rollup 利用零知识证明（Zero-Knowledge Proofs）技术，特别是 zk-SNARKs 或 zk-STARKs，在链下生成交易有效性的密码学证明。这些证明能够在不泄露任何关于交易内容的前提下，向主链验证交易的正确性。当状态根和相应的零知识证明被提交到主链后，主链可以快速验证证明的有效性，从而确认交易的有效性。ZK Rollup 提供了比 Optimistic Rollup 更高的安全性，因为它不需要争议期，并且能够立即确认交易的有效性。然而，生成零知识证明的计算成本相对较高，这可能影响 ZK Rollup 的性能。
数据可用性 (Data Availability)
数据可用性是指区块链网络中交易数据的可获取性和可验证性，确保所有授权节点能够访问和验证链上信息的完整性。它强调的是在任何时间点，网络中的参与者都可以下载和验证区块中的全部交易数据，这是维护区块链信任和安全模型的根本前提。
数据可用性是区块链安全性的关键保障。如果网络中的一部分或全部数据变得不可用，例如由于恶意攻击、网络故障或节点离线，那么验证交易的有效性将变得不可能，攻击者可能利用这一漏洞篡改账本，导致双重支付或其他恶意行为。因此，保证数据可用性是防止未经授权的状态转换和维护区块链共识的关键。
在实践中，数据可用性问题是一个复杂的挑战，尤其是在面对大规模的区块链网络时。解决方案包括数据冗余、擦除码、数据采样技术（如 Celestia 使用的数据可用性采样 - Data Availability Sampling, DAS）以及激励节点存储和提供数据的机制。 这些方法旨在即使在部分节点离线或受到攻击的情况下，也能确保数据的持续可用性，增强区块链的韧性。
数据可用性与数据完整性密切相关。虽然数据可用性确保数据可以被访问，但数据完整性则确保数据的准确性和未被篡改。两者共同作用，保证区块链的可信性和可靠性。缺乏任何一个方面，都会对区块链的安全性构成严重威胁。
数据可用性问题的挑战
在传统的区块链架构中，每个全节点都被要求复制并存储完整的区块链历史数据。这种设计虽然保证了数据的冗余性和安全性，但也给数据可用性带来了显著的挑战。随着区块链交易量的增长和时间推移，链上数据规模呈指数级膨胀，存储成本也随之急剧上升。这种高昂的存储需求对网络参与者构成了一定的门槛，尤其对于资源有限的节点，例如个人用户或小型机构，可能难以承担完整的数据存储负担，进而导致节点选择成为轻节点或退出网络，从而影响网络的去中心化程度和鲁棒性。
数据可用性问题还体现在恶意行为者可能对网络造成的潜在威胁。如果部分节点（特别是拥有大量算力的节点）选择故意隐藏或篡改数据，验证节点将难以获取完整且真实的数据进行验证，这可能导致共识机制的失效，并使得恶意交易或无效状态转换得以发生。单点故障或网络分区也可能导致部分节点无法访问必要的数据，从而影响整个系统的稳定性和可靠性。因此，数据可用性是区块链可扩展性和安全性的关键组成部分，需要通过各种技术手段，如数据分片、纠删码、数据可用性采样等，来确保即使在面临节点故障或恶意攻击时，网络中的数据仍然可以被访问和验证。
数据可用性解决方案
为了解决区块链特别是以太坊网络中的数据可用性问题，保证即使在网络拥堵或恶意节点存在的情况下，数据依然可以被访问和验证，以太坊社区和更广泛的区块链领域提出了多种创新的解决方案，旨在优化存储、验证和整体的可扩展性。
- 数据分片（Data Sharding）： 数据分片是一种将区块链的庞大数据集分割成多个更小、更易于管理的部分（称为分片）的技术。这些分片被分配给不同的节点进行存储。每个节点仅需存储整个区块链数据的一个子集，显著降低了单个节点的存储负担和硬件要求。这种分布式存储方式提高了网络的整体效率和可扩展性，使得更多参与者能够加入网络，从而增强去中心化程度。数据分片通常与共识机制相结合，以确保所有分片数据的完整性和一致性。
- 数据可用性采样（Data Availability Sampling, DAS）： 数据可用性采样是一种轻量级的验证方法，允许节点通过随机抽样区块链数据块中的一部分数据来验证整个数据块的可用性，而无需下载整个数据块。节点通过提交随机数据块样本请求，并与其他节点交换收到的样本，来执行统计学上的可用性检查。如果足够数量的样本是可用的，节点可以以高概率推断整个数据块是可用的。如果采样结果显示数据不可用，表明可能存在数据隐藏或审查的情况，节点可以发出警告，触发进一步的验证和纠正措施。DAS 在轻客户端和rollup解决方案中尤为重要，它能够在不牺牲安全性的前提下，降低对硬件的要求。
- Validium： Validium 是一种链下数据可用性方案，它将交易数据和状态转换根存储在链下，只在链上提交简洁的证明（通常是零知识证明，如SNARKs或STARKs）来证明数据的完整性和正确性。Validium 运营商负责维护链下数据并生成有效性证明。链上验证者只需验证这些证明即可，无需访问或存储完整的数据。Validium 能够显著降低链上存储成本和计算负担，从而提高交易吞吐量和扩展性。数据虽然存储在链下，但通过密码学证明保证了数据的完整性和可用性，并且通常由多方共同控制，以防止单点故障。
- Celestia： Celestia 是一个模块化的数据可用性网络，其核心目标是为区块链提供可扩展且易于集成的通用数据可用性层。Celestia 自身不执行交易或智能合约，而是专注于提供一个安全可靠的数据存储和验证平台。Celestia 采用数据可用性采样技术，允许轻节点高效地验证数据的可用性，而无需下载整个区块。其模块化架构允许开发者构建各种定制化的区块链，并将数据可用性委托给 Celestia。这种架构解耦了共识和执行层，使得区块链的开发和部署更加灵活和高效。Celestia 的设计目标是支持大量的rollup和Layer 2解决方案，为构建高度可扩展的去中心化应用奠定基础。
展望
账户抽象（Account Abstraction）、模块化区块链（Modular Blockchains）以及数据可用性（Data Availability）解决方案是以太坊持续创新和演进的关键组成部分。账户抽象旨在打破当前以太坊账户模型的限制，允许用户使用更灵活、更安全的方式管理其资产和进行交易，例如通过智能合约钱包实现多重签名、社交恢复等功能，从而显著提升用户体验。 模块化区块链则将区块链的功能分解为多个独立的层，例如执行层、共识层、数据可用性层等。这种架构设计允许各个层独立升级和优化，提高了区块链的整体性能和可扩展性。以太坊正在积极探索Rollups作为其模块化区块链战略的核心，通过将交易执行移至链下，极大地减轻了主链的负担。 数据可用性解决方案则致力于确保链下交易的数据可以被验证和访问。在Rollups等链下方案中，数据可用性至关重要，因为只有确保数据可用，才能保证交易的有效性和安全性。以太坊社区正在研究各种数据可用性方案，例如Validium、Volition和 Danksharding等，以应对不同应用场景的需求。 这些技术方向不仅可以显著提升以太坊的性能、可扩展性和灵活性，还可以显著改善用户体验，降低使用门槛，并为DeFi、NFT、GameFi等新的应用场景创造更多可能性。随着这些技术的不断成熟和落地，以及以太坊社区的持续努力，以太坊有望成为更加强大、更加普惠的区块链平台，推动Web3生态系统的发展。
