详解模块化公链Fuel：脱胎于Optimistic Rollup的模块化执行层进行了哪些改进？

作者：念青，链捕手

原文：《详解 Celestia“亲兄弟”Fuel：模块化执行层和 L2 有何不同？》

9月初，模块化区块链Fuel开发商Fuel Labs宣布完成由Blockchain Capital和Stratos Technologies领投的8000万美元融资。此后不久，Fuel紧接着推出面向开发人员的测试网beta-1，开发人员可以任意向其部署合约，无需许可或白名单，用户也可以与已部署的合约进行交互。

Fuel成了Celestia之后，又一个强调模块化区块链概念的协议。事实上，Fuel和Celestia可以说是“亲兄弟”，两个项目拥有同一个联合创始人John Adler，他也是Optimistic Rollup方案的最早提出者之一。

两个开发团队虽然彼此较为独立，但有交叉的核心成员，因此在技术路线上，两个模块化区块链是互补的关系。Fuel的定位是模块化执行层，而Celestia针对数据可用性和排序进行了优化，它不执行，只处理数据可用性和共识。

Fuel v1 最初是用于单一以太坊的L2扩容方案，也是以太坊主网上的首个Optimistic Rollup，于2020年底部署。但单纯的L2严重受主网性能的制约，即使将执行层分割出去，仍然不能达到彻底扩容的目的，这一点，我们从Optimism、Arbitrum等L2协议的gas费上就可以窥见。

Fuel并不满足于此，试图通过模块化的执行层来优化基础层，并且改进L2的执行状态，真正实现扩容。其创始人将Fuel定位为“去中心化协调的纽带”，以探索更强的可组合性。

一、模块化执行层和L2有什么区别？

我们都知道，区块链一般承担了执行、共识和数据可用性这主要的三个功能：

• 执行：执行交易以更新状态。
• 共识：定义状态并验证区块链上的所有节点具有相同的状态。
• 数据可用性：确保区块数据已发布到网络。

在单片区块链中，数据、共识、执行这三层全都混杂在一个网络中，从数据的验证到交易的执行都得需通过节点运作。因此，节点要想保持全局复制状态，就不能保证网络运行的效率。

例如以太坊，为了保证去中心化，以太坊要求运行完整节点的硬件必须允许消费级硬件，以使任何人都可以成为节点，通过运行一个完整的节点，用户通过验证自己来实现对链的去信任。安全性是有了保证，但牺牲了网络的可扩展性。

目前二层扩容中的Rollup方案主要通过将执行层分割出去，适当解决了一部分问题。计算被转至链下处理和执行，然而交易数据仍保留在主链上，Rollup对于数据可用性并没有改进，这意味着Rollup上的Gas费用仍会因为主网拥堵而水涨船高。

此外，Optimistic Rollup除了必须支付一层主网的费用来发布数据，还需要付出维护L2上的状态（存储）和执行成本。但目前，Rollup对优化状态的关注并不多。

在模块化时代，区块空间将不再是稀缺资源，基础层开始提供更大的存储空间，因此数据不再成为问题。而状态和执行将很快作为新的瓶颈被关注。

因此，基于以上问题，Fuel提出了模块化执行层的概念。

首先，通过轻客户端和欺诈证明解决可扩展性的问题。Fuel采用的方案类似Optimistic Rollup，默认多数节点都是诚实的，所以在发布断言时，不要求随附证明其有效性，而是采取欺诈证明的机制来确保 L2 网络的正确共识。在假设区块链有效的前提下，轻客户端只需下载区块头并检查其工作量证明 （PoW）即可验证交易，而无需下载所有区块。

因为轻客户端不需要24/7全天候运行并且不直接与链交互，所以计算要求要低得多，运行轻客户端所需的计算资源和存储量比完整节点低几个数量级。

其次，通过新的虚拟机FuelVM改进了EVM低效、浪费资源的执行环境。FuelVM从模块化执行层角度来考虑可扩展性，⽽不是从以扩展特定基础层（例如以太坊）为主的Rollup出发。推崇计算⽽不是数据，并尽量减少状态的使⽤。

Fuel专注于成为模块化区块链中的执行层，这意味着Fuel不实施共识或将区块链的数据存储在Fuel链上。对于功能性区块链，Fuel与其他链交互以达成共识和数据可用性，例如以太坊或 Celestia。

换句话说，Fuel并不满足于成为任何单一区块链的L2，只进行“不痛不痒”的降费，而是更加灵活、彻底，既可以成为L2、也可以成为L1、侧链，甚至是状态通道。就像Celestia一直强调的拥有“可插拔”的可组合性。

Fuel具体用例如下：

1、作为 Rollup 或 L2

Fuel的模块化执行层配置本身就类似于以太坊上部署的以Rollup为主的L2，但Fuel的技术方案和Zk、OP的Rollup均有不同，而是可以用作有效性或欺诈证明系统。此外，目前Rollup是为单片区块链堆栈设计的，因此有一定的局限性，而Fuel可对一层主网的带宽潜力进行优化。

2、作为 L1

Fuel 技术包括作为完整的L1运行所有组件。这些组件包括共识、数据可用性、结算和交易执行。在这种模式下运行的常见配置是权限证明和通过 Tendermint-BFT 风格的权益证明。但团队表示，即便作为L1在理论上行得通，也仅局限在测试网内，因为Fuel的定位更侧重作为高性能执行层增强现有区块链。

3、作为状态通道

FuelVM 是一种具有确定性状态系统的定价虚拟机架构，这使其非常适合多方通道设计，在这种设计中，各方都必须清楚地了解每个通信步骤或窗口中系统的确切状态。但目前暂未提供开箱即用的基于Fuel技术的通道配置。

4、作为侧链

Fuel技术还支持作为现有L1的侧链运行。这意味着在L1和Fuel之间有一个消息传递桥。在这种配置中，数据可用性将由侧链处理，而结算由第 1 层处理。还可以选择在半可证明的配置中运行它，从而可以使用欺诈证明来确保使用第 1 层作为仲裁者来确保更好的有效性。

二、技术亮点

Fuel技术优势可以用三个关键词概括：执行并行交易的能力；改进的虚拟机FuelVM；更开发者友好的专用编程语言Sway。

在技术路线上，Fuel和Starkware很像，两者都开发了自己的专用编程语言，并创造了新的更高效的虚拟机。此前，Starkware宣布Cairo1.0上线计划的时候，Fuel 联合创始人John Adler也曾吐槽说，Cairo的很多特征和功能Sway很早就实现了。

1、并行执行交易

目前，并行执行是L1越来越流行的理念，一些新公链如Move语言系统的Aptos、Sui和Linera 都是使用了并行执行。与之相对的则是以太坊为主的EVM采用的多是顺序执行。

在顺序执行中，EVM每次只执行一个交易，而将其他交易搁置，直到交易执行完毕，区块状态才被更新，即使两个交易是独立的。虽然这种执行模式支持闪电贷等特殊用例，但总体而言效率很低，缺乏可扩展性。

并行执行支持在多个处理器核心之间划分交易，提高硬件利用率。在高吞吐量链中，增加硬件资源与可执行的交易数量直接相关。在高频活动期间，验证者节点可以委托更多的核心来处理额外的交易负载。计算资源的动态扩展允许网络在高需求时期实现更高的吞吐量。此外，并行执行改善了交易确认的延迟，交易不需要等待几十或几百个区块，也不需要为优先确认而产生过多的费用。

Fuel 专注于成为模块化区块链中的执行层，这意味着 Fuel 不实施共识或将区块链的数据存储在 Fuel 链上。对于功能性区块链，Fuel 与其他链交互以达成共识和数据可用性，例如 以太坊或 Celestia。

Fuel使用UTXO模型来创建强制访问列表，即用一个列表来控制对同一片状态的访问。模型建立在规范交易排序的概念之上。在这个方案中，区块中的交易排序导致了检测交易之间的关联关系的显著简化。为了实现这个架构，Fuel建立了一个新的虚拟机 FuelVM 和一种新的语言Sway。

相关阅读：《一文读懂“并行执行”及代表项目：Aptos、Sui、Linera和Fuel》

2、新的编程语言 Sway

Fuel 开发了一套独特的编程语言 Sway，Sway在开发环境中保留了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，简而言之：Rust + Solidity = Sway。

Sway优先考虑编译时分析和安全性，类似于Rust的借用检查器和安全第一语义。此外，它具有Rust的语法，因此也具有较高的性能。当然，Sway并不通用，其目标是更好地服务于VM环境。

3、改进的虚拟机FuelVM

FuelVM旨在减少传统区块链VM架构的浪费处理，同时增加开发人员的潜在设计空间。

FuelVM是在EVM基础上的改进，主要差异如下：

• FuelVM具有全局共享内存架构，而不是上下文本地内存
• FuelVM 专为欺诈证明而设计
• FuelVM 拥有多个原生资产（在以太坊中，唯一的原生资产是ETH。在Fuel中，任何合约都可以使用简单的资产操作码来铸造其基于UTXO的原生资产，并获得原生级调用和优化）。

三、团队及融资情况

John Adler 同时担任了Fuel和Celestia两个项目的联合创始人。此前，John曾在ConsenSys 担任L2可扩展性研究员，从事以太坊 2.0 的第二阶段工作，也是Optimistic Rollup方案的最早提出者之一。

Fuel的联合创始人兼首席执行官是Nick Dodson，此前也曾在ConsenSys担任研究员。

早在2019年年中，John 就和Nick Dodson启动了Fuel v1，作为首个Optimistic Rollup方案，Fuel v1最初专注于稳定币支付，因为在当时稳定币消耗了最大的gas。但当时，Fuel v1使用场景有限，不能搭建图灵完备智能合约，因此在Fuel v1主网启动后不久，团队就开始了 Fuel v2（即 Fuel）的工作。

而Celestia Labs的通信主管Ekram Ahmed也是Fuel的战略顾问。尽管Celestia和Fuel是两支不同的团队，但其管理层存在诸多交叉，在未来发展规划上也会相辅相成。

融资方面，Fuel开发商Fuel Labs在9月初宣布完成8000万美元融资，Blockchain Capital 和 Stratos Technologies 领投，Alameda Research、CoinFund、Bain Capital Crypto、TRGC、Maven 11 Capital、Blockwall、Spartan、Dialectic 和 ZMT 等参投。此前在 2021年9月，Fuel Labs 曾获得150万美元融资，CoinFund领投，Fenbushi Capital、Origin Capital参投。

四、总结

目前，Fuel已经宣布推出赠款计划、上线测试网，并公布SwaySwap等生态项目，但尚未公布主网上线时间，预计最早也会在2023年初。

除了Fuel提出的“模块化执行层”的概念，越来越多的二层扩容方案也开始提出更加灵活的执行层方案。例如，Boba Network近期也提出了“多链执行层”的概念，与第 1 层 EVM 兼容的区块链一起构建多链环境，并宣布了与Moonbeam 、Fantom 、Avalanche等L1的合作。

还有近期完成了720万美元种子轮融资的Rollup临时执行层方案AltLayer，也是从构建dApp的角度出发，提出了“Rollup即服务”的概念，构建了一个由 optimistic Rollup 驱动的瞬态执行层系统，例如，开发人员可在NFT Drop这种消耗性事件之前启动临时执行层，一旦铸造结束，资产就会在L1结算，执行层解散。

模块化正在成为行业最前沿的趋势之一，围绕着执行层、数据可用性等也诞生了诸多新锐项目，它们或许将带领区块链的用户体验达到新的水平。