以太坊可能的未來：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協議則在以太坊之上構建網路。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則承擔幫助生態系統擴展的任務。這種模式在社會中很常見,如法院系統(L1)提供基礎保障,而創業者(L2)在此基礎上推動發展。

今年,隨着EIP-4844 blobs的推出,以太坊L1的數據帶寬大幅增加,多個以太坊虛擬機Rollup已進入第一階段。每個L2作爲具有自身內部規則和邏輯的"分片"存在,分片實現方式的多樣性和多元化如今已成爲現實。但這條路徑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,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。

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三個特性之間存在矛盾:去中心化、可擴展性和安全性。這個概念並非嚴格的數學定理,而是啓發式的論點。它指出,如果一個去中心化友好的節點每秒可以驗證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(降低安全性),要麼節點變得強大(降低去中心化)。

一些高性能鏈聲稱解決了三角悖論,但實際上運行這些鏈的節點比以太坊節點更困難。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性。

解決三角悖論的另一種方法是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Dencun升級後,以太坊每12秒的slot有3個約125 kB blob,或每個slot約375 kB的數據可用帶寬。假設交易數據直接在鏈上發布,ERC20轉帳約爲180字節,則以太坊上Rollup的最大TPS爲173.6。加上以太坊的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。

這是對以太坊L1的重大提升,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,將帶來約58000 TPS。

它是什麼?如何運行?

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,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。更保守的SubnetDAS僅使用子網機制,沒有額外的詢問對等層。當前提案是讓參與權益證明的節點使用SubnetDAS,而其他節點使用PeerDAS。

理論上我們可以將"1D sampling"規模擴展得很大,但這會使帶寬受限的客戶端無法採樣。因此,我們最終想要2D採樣,它不僅在blob內,而且在blob之間進行隨機採樣。

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,paradigm
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?又有哪些權衡?

接下來是完成PeerDAS的實施和推出,然後不斷增加PeerDAS上的blob數量。同時,我們希望有更多學術工作來規範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。我們還希望最終能從KZG轉向量子安全且無需可信設置的替代方案。

長期現實路徑可能是:

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。

如何與路線圖的其他部分交互?

如果實現數據壓縮,對2D DAS的需求會有所減少,或者至少會延遲,如果Plasma被廣泛使用,則需求會進一步減少。DAS也對分布式區塊構建協議和機制提出了挑戰。

數據壓縮

我們在解決什麼問題?

Rollup中的每筆交易都會佔用大量鏈上數據空間: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,多個籤名可以組合成一個單一的籤名。
• 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:使用自定義的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發布狀態差異而不是交易
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,並且會降低與可信硬件芯片的兼容性。
2. 動態壓縮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,尤其是當我們開始考慮隱私因素時,這可能會使可擴展性降低3-8倍。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,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。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。

早期的Plasma版本僅能處理支付用例,無法有效地進一步推廣。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16,000,000 / 12 / 5 = 266,667 TPS之間。

有哪些與現有研究相關的連結?

1. Original Plasma paper
2. Plasma Cash
3. Plasma Cashflow
4. Intmax (2023)

還需做什麼?有哪些權衡?

剩下的主要任務是將Plasma系統投入實際生產應用。任何Validium都可以通過在其退出機制中融入Plasma特性來至少在一定程度上提升其安全屬性。研究的重點在於爲EVM獲得最佳屬性(從信任需求、最壞情況下的L1 Gas成本以及抵御DoS攻擊的能力等方面考