以太坊可能的未来：The Surge

以太坊的路线图最初包含两种扩容策略:分片和Layer2协议。分片让每个节点只需验证和存储一小部分交易,而Layer2协议则在以太坊之上构建网络。这两条路径最终融合在一起,形成了以Rollup为中心的路线图,至今仍是以太坊的主要扩展策略。

以Rollup为中心的路线图提出了明确的分工:以太坊L1专注于成为强大且去中心化的基础层,而L2则承担帮助生态系统扩展的任务。这种模式在社会中很常见,如法院系统(L1)提供基础保障,而创业者(L2)在此基础上推动发展。

今年,随着EIP-4844 blobs的推出,以太坊L1的数据带宽大幅增加,多个以太坊虚拟机Rollup已进入第一阶段。每个L2作为具有自身内部规则和逻辑的"分片"存在,分片实现方式的多样性和多元化如今已成为现实。但这条路径也面临一些独特挑战。我们现在的任务是完成以Rollup为中心的路线图,并解决这些问题,同时保持以太坊L1的稳健性和去中心化。

The Surge:关键目标

1. 未来以太坊通过L2可以达到10万以上的TPS;
2. 保持L1的去中心化和鲁棒性;
3. 至少一些L2完全继承了以太坊的核心属性(去信任、开放、抗审查);
4. 以太坊应该感觉像一个统一的生态系统,而不是34个不同的区块链。

本章内容

1. 可扩展性三角悖论
2. 数据可用性采样的进一步进展
3. 数据压缩
4. Generalized Plasma
5. 成熟的L2证明系统
6. 跨L2互操作性改进
7. 在L1上扩展执行

可扩展性三角悖论

可扩展性三角悖论认为区块链的三个特性之间存在矛盾:去中心化、可扩展性和安全性。这个概念并非严格的数学定理,而是启发式的论点。它指出,如果一个去中心化友好的节点每秒可以验证N笔交易,而你有一个每秒处理k*N笔交易的链,那么要么每笔交易只能被1/k个节点看到(降低安全性),要么节点变得强大(降低去中心化)。

一些高性能链声称解决了三角悖论,但实际上运行这些链的节点比以太坊节点更困难。然而,数据可用性采样与SNARKs的结合确实解决了三角悖论:它允许客户端在只下载少量数据并执行极少量计算的情况下,验证大量数据的可用性和计算步骤的正确性。

解决三角悖论的另一种方法是Plasma架构,它将监视数据可用性的责任推给用户。随着SNARKs的普及,Plasma架构对更广泛的使用场景变得可行。

数据可用性采样的进一步进展

我们正在解决什么问题?

2024年3月Dencun升级后,以太坊每12秒的slot有3个约125 kB blob,或每个slot约375 kB的数据可用带宽。假设交易数据直接在链上发布,ERC20转账约为180字节,则以太坊上Rollup的最大TPS为173.6。加上以太坊的calldata,可达607 TPS。使用PeerDAS,blob数量可能增加到8-16,为calldata提供463-926 TPS。

这是对以太坊L1的重大提升,但还不够。我们的中期目标是每个slot 16 MB,结合Rollup数据压缩的改进,将带来约58000 TPS。

它是什么?如何运行?

PeerDAS是"1D sampling"的一个相对简单的实现。在以太坊中,每个blob都是一个253位素数域上的4096次多项式。我们广播多项式的shares,每个shares包含从总共8192个坐标中相邻的16个坐标上的16个评估值。在这8192个评估值中,任何4096个都可以恢复blob。

PeerDAS让每个客户端侦听少量子网,并通过询问全球p2p网络中的对等方来请求其他子网上的blob。更保守的SubnetDAS仅使用子网机制,没有额外的询问对等层。当前提案是让参与权益证明的节点使用SubnetDAS,而其他节点使用PeerDAS。

理论上我们可以将"1D sampling"规模扩展得很大,但这会使带宽受限的客户端无法采样。因此,我们最终想要2D采样,它不仅在blob内,而且在blob之间进行随机采样。

有哪些与现有研究的链接?

1. 介绍数据可用性的原始帖子(2018)
2. Follow-up paper
3. 关于DAS的解释文章,paradigm
4. 带有KZG承诺的2D可用性
5. ethresear.ch上的PeerDAS和论文
6. EIP-7594
7. ethresear.ch上的SubnetDAS
8. 2D采样中可恢复性的细微差别

还需做什么?又有哪些权衡?

接下来是完成PeerDAS的实施和推出,然后不断增加PeerDAS上的blob数量。同时,我们希望有更多学术工作来规范DAS及其与分叉选择规则安全等问题的交互。

在未来更远的阶段,我们需要确定2D DAS的理想版本,并证明其安全属性。我们还希望最终能从KZG转向量子安全且无需可信设置的替代方案。

长期现实路径可能是:

1. 实施理想的2D DAS;
2. 坚持使用1D DAS,牺牲采样带宽效率,为了简单性和鲁棒性而接受较低的数据上限;
3. 放弃DA,完全接受Plasma作为我们关注的主要Layer2架构。

如何与路线图的其他部分交互?

如果实现数据压缩,对2D DAS的需求会有所减少,或者至少会延迟,如果Plasma被广泛使用,则需求会进一步减少。DAS也对分布式区块构建协议和机制提出了挑战。

数据压缩

我们在解决什么问题?

Rollup中的每笔交易都会占用大量链上数据空间:ERC20传输大约需要180字节。即使有理想的数据可用性采样,这也限制了Layer协议的可扩展性。每个slot 16 MB,我们得到:

16000000 / 12 / 180 = 7407 TPS

如果我们不仅能解决分子的问题,还能解决分母的问题,让每个Rollup中的交易在链上占用更少字节,那会怎样?

它是什么,如何工作?

零字节压缩中,用两个字节替换每个长的零字节序列,表示有多少个零字节。更进一步,我们利用了交易的特定属性:

• 签名聚合:从ECDSA签名切换到BLS签名,多个签名可以组合成一个单一的签名。
• 用pointers替换地址:如果以前使用过某个地址,我们可以将20字节的地址替换为指向历史记录中某个位置的4字节pointer。
• 交易值的自定义序列化:使用自定义的十进制浮点格式来表示大多数货币值。

有哪些与现有研究的链接?

1. 探索sequence.xyz
2. L2 Calldata优化合约
3. 基于有效性证明的Rollups发布状态差异而不是交易
4. BLS钱包 - 通过ERC-4337实现BLS聚合

还需做什么,有哪些权衡?

接下来主要要做的是实际实现上述方案。主要的权衡包括:

1. 切换到BLS签名需要付出很大努力,并且会降低与可信硬件芯片的兼容性。
2. 动态压缩会使客户端代码变得复杂。
3. 将状态差异发布到链上而不是交易,会降低可审计性,并使很多软件无法工作。

如何与路线图的其他部分交互?

采用ERC-4337,并最终将其部分内容纳入L2 EVM中,可以大大加快聚合技术的部署。将ERC-4337的部分内容放在L1上可以加快其在L2上的部署。

Generalized Plasma

我们正在解决什么问题?

即使使用16 MB的blob和数据压缩,58,000 TPS也未必足以完全满足消费者支付、去中心化社交或其他高带宽领域的需求,尤其是当我们开始考虑隐私因素时,这可能会使可扩展性降低3-8倍。目前的一种选择是使用Validium,它将数据保存在链下,并采用了一种有趣的安全模型:运营商无法窃取用户的资金,但他们可能会暂时或永久冻结所有用户的资金。但我们可以做得更好。

它是什么,如何工作?

Plasma是一种扩容解决方案,它涉及到一个运营商将区块发布到链下,并将这些区块的Merkle根放到链上。对于每个区块,运营商会向每个用户发送一个Merkle分支来证明该用户的资产发生了什么变化,或者没有发生什么变化。用户可以通过提供Merkle分支来提取他们的资产。重要的是,这个分支不必以最新状态为根。因此,即使数据可用性出现问题,用户仍然可以通过提取他们可用的最新状态来恢复他们的资产。

早期的Plasma版本仅能处理支付用例,无法有效地进一步推广。然而,如果我们要求每个根都用SNARK进行验证,那么Plasma就会变得强大得多。每个挑战游戏都可以大大简化,因为我们排除了运营商作弊的大部分可能路径。同时,也开辟了新的路径,使Plasma技术能够扩展到更广泛的资产类别。最后,在运营商不作弊的情况下,用户可以立即提取资金,而无需等待一周的挑战期。

一个关键的见解是,Plasma系统并不需要完美。即使你只能保护资产的子集(例如,仅仅是过去一周内未移动的代币),你也已经大大改善了当前超可扩展EVM(即Validium)的现状。

另一类结构是是混合Plasma/Rollup,例如Intmax。这些构造将每个用户的极少量数据放到链上(例如,5个字节),这样做可以获得介于Plasma和Rollup之间的某些特性:在Intmax的情况下,你可以获得非常高的可扩展性和隐私性,尽管即使在16 MB的容量中,理论上也限制在大约16,000,000 / 12 / 5 = 266,667 TPS之间。

有哪些与现有研究相关的链接?

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

还需做什么?有哪些权衡?

剩下的主要任务是将Plasma系统投入实际生产应用。任何Validium都可以通过在其退出机制中融入Plasma特性来至少在一定程度上提升其安全属性。研究的重点在于为EVM获得最佳属性(从信任需求、最坏情况下的L1 Gas成本以及抵御DoS攻击的能力等方面考