以太坊可能的未來：The Surge

以太坊的擴容策略最初有兩種:分片和Layer2。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放在主鏈之外。這兩條路徑最終融合在一起,形成了以Rollup爲中心的路線圖,至今仍是以太坊的擴展策略。

以Rollup爲中心的路線圖提出了簡單分工:以太坊L1專注成爲強大且去中心化的基礎層,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,推動人類發展。

今年,以Rollup爲中心的路線圖取得重要成果: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都作爲具有內部規則和邏輯的"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這一路線圖,並解決這些問題,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、可擴展性和安全性三個特性之間存在矛盾。它不是一個定理,而是給出了一個啓發式論點:如果一個去中心化友好的節點每秒可驗證N筆交易,而你有一個每秒處理k*N筆交易的鏈,那麼要麼每筆交易只能被1/k個節點看到,要麼你的節點將變得強大,鏈不會去中心化。

一些高性能鏈聲稱解決了三元悖論,通常通過優化節點軟件。但這往往具有誤導性,在這些鏈上運行節點比在以太坊上更困難。僅憑L1客戶端軟件工程本身無法擴展以太坊。

然而,數據可用性採樣與SNARKs的結合確實解決了三角悖論:它允許客戶端在只下載少量數據並執行極少量計算的情況下,驗證大量數據的可用性和計算步驟的正確執行。SNARKs是無需信任的。數據可用性採樣具有微妙的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推給用戶。隨着SNARKs的普及,Plasma對更廣泛的場景變得可行。

數據可用性採樣的進一步進展

我們正在解決什麼問題?

2024年3月13日Dencun升級後,以太坊每12秒slot有3個約125kB blob,數據可用帶寬約375kB/slot。假設交易數據直接在鏈上發布,ERC20轉帳約180字節,則以太坊上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。

這是對L1的重大提升,但還不夠。我們的中期目標是每個slot 16MB,結合Rollup數據壓縮,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,並通過詢問全球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目標,每個節點每slot需1MB數據帶寬。這勉強可行,但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,但會使重建成本更高。

因此我們最終想要2D採樣,不僅在blob內,還在blob之間進行隨機採樣。利用KZG承諾的線性屬性,通過新的虛擬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blob KZG承諾,並可依賴DAS來驗證可用性。1D DAS本質上也對分布式塊構建友好。

有哪些與現有研究的連結?

1. 介紹數據可用性的原始帖子(2018)
2. Follow-up paper
3. 關於DAS的解釋文章
4. 帶有KZG承諾的2D可用性
5. ethresear.ch上的PeerDAS和論文
6. EIP-7594
7. ethresear.ch上的SubnetDAS
8. 2D採樣中可恢復性的細微差別

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。我們希望有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。

未來還需要確定2D DAS的理想版本,並證明其安全屬性。我們希望最終能從KZG轉向量子安全且無需可信設置的替代方案。目前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。因爲如果L1要處理大量TPS,L1區塊會變得非常大,客戶端將需要高效驗證方法,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被廣泛使用則需求進一步減少。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,但實踐中需要與包inclusion list提案及其周圍的分叉選擇機制結合。

數據壓縮

我們在解決什麼問題?

Rollup中每筆交易佔用大量鏈上數據空間:ERC20傳輸約需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 16MB,我們得到:

16000000 / 12 / 180 = 7407 TPS

如果我們能讓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?

最好的解釋是兩年前的這張圖:

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切換到BLS籤名,多個籤名可以組合成一個單一籤名,證明所有原始籤名的有效性。在L1中由於驗證計算成本高不考慮使用BLS,但在L2這樣數據稀缺的環境中使用BLS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:如果以前使用過某地址,我們可以將20字節地址替換爲指向歷史記錄中某位置的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,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十進制浮點格式來表示大多數貨幣值。

有哪些與現有研究的連結?

1. 探索sequence.xyz
2. L2 Calldata優化合約
3. 基於有效性證明的Rollups發布狀態差異而非交易
4. BLS錢包 - 通過ERC-4337實現BLS聚合

還需做什麼,有哪些權衡?

接下來主要是實際實現上述方案。主要權衡包括:

1. 切換到BLS籤名需要很大努力,會降低與可信硬件芯片的兼容性。可用其他籤名方案的ZK-SNARK封裝替代。

2. 動態壓縮(如用pointers替換地址)會使客戶端代碼復雜化。

3. 將狀態差異發布到鏈上而非交易,會降低可審計性,使許多軟件(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,並最終將其部分納入L2 EVM中,可大大加快聚合技術部署。將ERC-4337部分放在L1上可加快其在L2上的部署。

Generalized Plasma

我們正在解決什麼問題?

即使使用16MB blob和數據壓縮,58,000 TPS也未必能完全滿足消費者支付、去中心化社交等高帶寬領域需求,尤其考慮隱私因素可能使可擴展性降低3-8倍。目前高交易量、低價值場景的選擇是Validium,將數據保存在鏈下,採用一種安全模型:運營商無法竊取用戶資金,但可能暫時或永久凍結所有用戶資金。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,運營商將區塊發布到鏈下,只將這些區塊的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不變。用戶可通過提供Merkle分支提取資產。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。但