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則在以太坊之上構建網路,利用其安全性同時將大部分數據和計算保持在主鏈之外。這兩條路徑最終融合,形成了以Rollup爲中心的路線圖,至今仍是以太坊的主要擴展策略。

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

今年,這一路線圖取得重要進展: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作爲具有自身規則和邏輯的"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。

本章內容

1. 可擴展性三角悖論
2. 數據可用性採樣的進一步進展
3. 數據壓縮
4. Generalized Plasma
5. 成熟的L2證明系統
6. 跨L2互操作性改進
7. 在L1上擴展執行

可擴展性三角悖論

可擴展性三角悖論認爲區塊鏈的去中心化、可擴展性和安全性之間存在矛盾。它不是一個定理,而是表明打破三角悖論是困難的,需要跳出既定思維框架。一些高性能鏈聲稱解決了三角悖論,但這通常具有誤導性,因爲在這些鏈上運行節點比在以太坊上更困難。

然而,數據可用性採樣與SNARKs的結合確實解決了三角悖論:它允許客戶端只下載少量數據並執行極少量計算,就能驗證大量數據的可用性和計算步驟的正確性。SNARKs是無需信任的,而數據可用性採樣具有一種微妙的few-of-N信任模型,但保留了不可擴容鏈的基本特性。

Plasma架構是另一種解決方案,它將監視數據可用性的責任以激勵兼容的方式推給用戶。隨着SNARKs的普及,Plasma對更廣泛的使用場景變得可行。

數據可用性採樣的進一步進展

我們正在解決什麼問題?

目前以太坊每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180字節,因此以太坊上Rollup的最大TPS爲173.6。加上calldata可達607 TPS。使用PeerDAS,blob數量可能增加到8-16,爲calldata提供463-926 TPS。

這是重大提升,但還不夠。我們的中期目標是每個slot 16 MB,結合Rollup數據壓縮的改進,將帶來~58000 TPS。

它是什麼?如何運行?

PeerDAS是"1D sampling"的簡單實現。在以太坊中,每個blob是253位素數域上的4096次多項式。我們廣播多項式的shares,每個shares包含8192個坐標中相鄰16個坐標上的16個評估值。任何4096個評估值都可以恢復blob。

PeerDAS讓每個客戶端偵聽少量子網,第i個子網廣播任何blob的第i個樣本,客戶端通過詢問全球p2p網路中的對等方來請求其他子網上的blob。SubnetDAS僅使用子網機制,沒有額外的詢問對等層。當前提議讓參與權益證明的節點使用SubnetDAS,其他節點使用PeerDAS。

理論上,我們可以將"1D sampling"規模擴展得很大:如果將blob最大數量增加到256,就能達到16MB的目標,而每個節點每個slot需處理1 MB數據。這勉強可行,但意味着帶寬受限的客戶端無法採樣。我們可以通過減少blob數量和增加blob大小來優化,但這會使重建成本更高。

因此,我們最終想要進行2D採樣,不僅在blob內,還在blob之間隨機採樣。利用KZG承諾的線性屬性,通過一組新的虛擬blob來擴展一個區塊中的blob集,這些虛擬blob冗餘地編碼了相同的信息。

2D採樣對分布式區塊構建友好,實際構建區塊的節點只需要擁有blob KZG承諾,並可以依賴數據可用性採樣來驗證數據塊的可用性。1D DAS本質上也對分布式塊構建友好。

還需做什麼?有哪些權衡?

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。我們還需要更多學術工作來規範PeerDAS及其與分叉選擇規則安全等問題的交互。

在未來,我們需要確定2D DAS的理想版本,並證明其安全屬性。我們還希望從KZG轉向量子安全且無需可信設置的替代方案,但目前還不清楚有哪些候選方案對分布式區塊構建友好。

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,爲簡單性和魯棒性接受較低的數據上限;
3. 放棄DA,完全接受Plasma作爲主要Layer2架構。

即使我們決定直接在L1層擴展執行,這種選擇也存在。如果L1要處理大量TPS,L1區塊將變得非常大,客戶端將需要高效驗證其正確性,因此我們將不得不在L1層使用與Rollup相同的技術。

如何與路線圖的其他部分交互?

如果實現數據壓縮,對2D DAS的需求會減少或延遲,如果Plasma被廣泛使用,需求會進一步減少。DAS也對分布式區塊構建協議和機制提出了挑戰:雖然DAS理論上對分布式重建友好,但這在實踐中需要與包inclusion list提案及其周圍的分叉選擇機制相結合。

數據壓縮

我們在解決什麼問題?

Rollup中的每筆交易都佔用大量鏈上數據空間:ERC20傳輸需要約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字節,那會怎樣?

它是什麼,如何工作?

零字節壓縮中,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。更進一步,我們利用了交易的特定屬性:

籤名聚合:從ECDSA籤名切換到BLS籤名,BLS籤名可以組合成單一籤名,證明所有原始籤名的有效性。在L1中,由於驗證計算成本較高,不考慮使用BLS籤名。但在L2這樣數據稀缺的環境中,使用BLS籤名有意義。ERC-4337的聚合特性爲實現這一功能提供了途徑。

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。

還需做什麼,有哪些權衡?

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,並會降低與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。

2. 動態壓縮(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(如區塊瀏覽器)無法工作。

如何與路線圖的其他部分交互?

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

我們正在解決什麼問題?

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。

它是什麼,如何工作?

Plasma是一種擴容解決方案,涉及運營商將區塊發布到鏈下,並將這些區塊的Merkle根放到鏈上。對每個區塊,運營商向每個用戶發送Merkle分支證明該用戶資產的變化或未變化。用戶可以通過提供Merkle分支來提取資產。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,用戶仍可通過提取可用的最新狀態來恢復資產。如果用戶提交無效分支,可通過鏈上挑戰機制判斷資產歸屬。

早期Plasma版本僅能處理支付用例,無法有效推廣。然而,如果要求每個根都用SNARK驗證,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,也開闢了新路徑,使Plasma技術能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,無需等待一周的挑戰期。

制作EVM Plasma鏈的一種方法(不是唯一方法):使用ZK-SNARK構建並行UTXO樹,反映EVM所做的餘額變化,並定義在歷史不同時間點"同一代幣"的唯一映射。然後可以在其上構建Plasma結構。

一個關鍵見解是,Plasma系統並不需要完美。即使你只能保護資產的子集(如僅過去