以太坊的可能未來：The Surge

以太坊的路線圖最初包含兩種擴容策略:分片和Layer2協議。分片讓每個節點只需驗證和存儲一小部分交易,而Layer2則將大部分數據和計算保持在主鏈之外。這兩種方法最終融合在一起,形成了以Rollup爲中心的路線圖,這仍然是以太坊當前的擴展策略。

以Rollup爲中心的路線圖提出了一個簡單的分工:以太坊L1專注於成爲強大且去中心化的基礎層,而L2則承擔幫助生態系統擴展的任務。這種模式在社會上很常見:法院系統(L1)存在是爲了保護合同和財產權,而創業者(L2)則在此基礎上進行建設。

今年,以Rollup爲中心的路線圖取得了重要進展:EIP-4844 blobs的推出大幅增加了以太坊L1的數據帶寬,多個EVM Rollup已進入第一階段。每個L2作爲獨立的"分片"存在,分片實現方式的多樣性如今已成爲現實。但這條路也面臨一些獨特的挑戰。我們現在的任務是完成以Rollup爲中心的路線圖,解決這些問題,同時保持以太坊L1的穩健性和去中心化。

The Surge:關鍵目標

1. 未來以太坊通過L2可以達到10萬以上的TPS;
2. 保持L1的去中心化和魯棒性;
3. 至少一些L2完全繼承了以太坊的核心屬性(去信任、開放、抗審查);
4. 以太坊應該感覺像一個統一的生態系統,而不是34個不同的區塊鏈。

可擴展性三角悖論

可擴展性三角悖論認爲區塊鏈的三個特性之間存在矛盾:去中心化、可擴展性和安全性。它給出了一個啓發式的數學論點:如果一個去中心化友好的節點每秒可以驗證N筆交易,並且你有一個每秒處理k*N筆交易的鏈,那麼(i)每筆交易只能被1/k個節點看到,這意味着攻擊者只需破壞少數節點就能通過一筆惡意交易,或(ii)你的節點將變得強大,而你的鏈不會去中心化。

然而,數據可用性採樣與SNARKs的結合確實解決了三角悖論:它允許客戶端在僅下載少量數據並執行極少量計算的情況下,驗證一定數量的數據是可用的,並且一定數量的計算步驟是正確執行的。另一種解決方法是Plasma架構,它將監視數據可用性的責任推給用戶。隨着SNARKs的普及,Plasma架構對更廣泛的使用場景變得更加可行。

數據可用性採樣的進一步進展

當前以太坊每12秒的slot有3個約125 kB blob,數據可用帶寬約375 kB。假設交易數據直接在鏈上發布,ERC20轉帳約爲180字節,因此以太坊上Rollup的最大TPS爲173.6。我們的中期目標是每個slot 16 MB,如果結合Rollup數據壓縮的改進,將帶來約58000 TPS。

PeerDAS是"1D sampling"的一個相對簡單的實現。在以太坊中,每個blob都是一個在253位素數域上的4096次多項式。我們廣播多項式的shares,其中每個shares包含從總共8192個坐標中相鄰的16個坐標上的16個評估值。在這8192個評估值中,任何4096個都可以恢復blob。

PeerDAS的工作原理是讓每個客戶端偵聽少量子網,其中第i個子網廣播任何blob的第i個樣本,並通過詢問全球p2p網路中的對等方來請求它需要的其他子網上的blob。更保守的版本SubnetDAS僅使用子網機制,而沒有額外的詢問對等層。

從理論上講,我們可以將"1D sampling"規模擴展得相當大:如果我們將blob的最大數量增加到256(目標爲128),那麼我們就能達到16MB的目標,而數據可用性採樣中每個節點每個slot需要處理1 MB的數據帶寬。這只是勉強在我們的容忍範圍內,意味着帶寬受限的客戶端無法採樣。

因此,我們最終想要更進一步,進行2D採樣,它不僅在blob內,而且在blob之間進行隨機採樣。KZG承諾的線性屬性用於擴展一個區塊中的blob集,其中包含對相同信息進行冗餘編碼的新虛擬blob列表。

至關重要的是,計算承諾的擴展並不需要有blob,因此該方案從根本上來說對分布式區塊構建是友好的。實際構建區塊的節點只需要擁有blob KZG承諾,並且它們可以依賴數據可用性採樣(DAS)來驗證數據塊的可用性。

接下來是完成PeerDAS的實施和推出。之後,不斷增加PeerDAS上的blob數量,同時仔細觀察網路並改進軟件以確保安全,這是一個漸進的過程。我們還希望有更多的學術工作來規範PeerDAS和其他版本的DAS及其與分叉選擇規則安全等問題的交互。

在未來更遠的階段,我們需要做更多的工作來確定2D DAS的理想版本,並證明其安全屬性。我們還希望最終能夠從KZG轉向一種量子安全且無需可信設置的替代方案。

我認爲的長期現實路徑是:

1. 實施理想的2D DAS;
2. 堅持使用1D DAS,犧牲採樣帶寬效率,爲了簡單性和魯棒性而接受較低的數據上限
3. 放棄DA,完全接受Plasma作爲我們關注的主要Layer2架構。

請注意,即使我們決定直接在L1層擴展執行,這種選擇也是存在的。這是因爲如果L1層要處理大量的TPS,L1區塊將變得非常大,客戶端將希望有一種高效的方法來驗證它們的正確性,因此我們將不得不在L1層使用與Rollup(如ZK-EVM和DAS)相同的技術。

數據壓縮

Rollup中的每筆交易都會佔用大量的鏈上數據空間:ERC20傳輸大約需要180字節。即使有理想的數據可用性採樣,這也限制了Layer協議的可擴展性。每個slot 16 MB,我們得到:

16000000 / 12 / 180 = 7407 TPS

如果我們不僅能解決分子的問題,還能解決分母的問題,讓每個Rollup中的交易在鏈上佔用更少的字節,那會怎樣?

數據壓縮有幾種方法:

• 零字節壓縮:用兩個字節替換每個長的零字節序列,表示有多少個零字節。

• 籤名聚合:從ECDSA籤名切換到BLS籤名,BLS籤名的特性是多個籤名可以組合成一個單一的籤名,該籤名可以證明所有原始籤名的有效性。

• 用pointers替換地址:如果以前使用過某個地址,我們可以將20字節的地址替換爲指向歷史記錄中某個位置的4字節pointer。

• 交易值的自定義序列化:大多數交易值的位數很少,例如,0.25 ETH表示爲250,000,000,000,000,000 wei。最大基礎手續費和優先手續費也類似。因此,我們可以使用自定義的十進制浮點格式,來表示大多數貨幣值。

• 基於有效性證明的Rollups發布狀態差異而不是交易。

接下來主要要做的是實際實現上述方案。主要的權衡包括:

1. 切換到BLS籤名需要付出很大努力,並且會降低與能夠增強安全性的可信硬件芯片的兼容性。可以使用其他籤名方案的ZK-SNARK封裝來替代它。

2. 動態壓縮(例如,用pointers替換地址)會使客戶端代碼變得復雜。

3. 將狀態差異發布到鏈上而不是交易,會降低可審計性,並使很多軟件(例如區塊瀏覽器)無法工作。

採用ERC-4337,並最終將其部分內容納入L2 EVM中,可以大大加快聚合技術的部署。將ERC-4337的部分內容放在L1上可以加快其在L2上的部署。

Generalized Plasma

即使使用16 MB的blob和數據壓縮,58,000 TPS也未必足以完全滿足消費者支付、去中心化社交或其他高帶寬領域的需求,尤其是當我們開始考慮隱私因素時,這可能會使可擴展性降低3-8倍。對於高交易量、低價值的應用場景,目前的一種選擇是使用Validium,它將數據保存在鏈下,並採用了一種有趣的安全模型:運營商無法竊取用戶的資金,但他們可能會暫時或永久凍結所有用戶的資金。但我們可以做得更好。

Plasma是一種擴容解決方案,它涉及到一個運營商將區塊發布到鏈下,並將這些區塊的Merkle根放到鏈上(與Rollup不同,Rollup會將完整的區塊放到鏈上)。對於每個區塊,運營商會向每個用戶發送一個Merkle分支來證明該用戶的資產發生了什麼變化,或者沒有發生什麼變化。用戶可以通過提供Merkle分支來提取他們的資產。重要的是,這個分支不必以最新狀態爲根。因此,即使數據可用性出現問題,用戶仍然可以通過提取他們可用的最新狀態來恢復他們的資產。如果用戶提交了一個無效的分支(例如,提取他們已經發送給其他人的資產,或者運營商自己憑空創造了一個資產),則可以通過鏈上的挑戰機制來判斷資產的合法歸屬。

早期的Plasma版本僅能處理支付用例,無法有效地進行進一步推廣。然而,如果我們要求每個根都用SNARK進行驗證,那麼Plasma就會變得強大得多。每個挑戰遊戲都可以大大簡化,因爲我們排除了運營商作弊的大部分可能路徑。同時,也開闢了新的路徑,使Plasma技術能夠擴展到更廣泛的資產類別。最後,在運營商不作弊的情況下,用戶可以立即提取資金,而無需等待一周的挑戰期。

一個關鍵的見解是,Plasma系統並不需要完美。即使你只能保護資產的子集(例如,僅僅是過去一周內未移動的代幣),你也已經大大改善了當前超可擴展EVM(即Validium)的現狀。

另一類結構是是混合Plasma/Rollup,例如Intmax。這些構造將每個用戶的極少量數據放到鏈上(例如,5個字節),這樣做可以獲得介於Plasma和Rollup之間的某些特性:在Intmax的情況下,你可以獲得非常高的可擴展性和隱私性,盡管即使在16 MB的容量中,理論上也限制在大約16