以太坊技術升級展望：The Surge

以太坊聯合創始人維塔利克·布特林近期發布了一系列探討以太坊未來發展的文章。這些文章圍繞以太坊路線圖的六個階段展開:合並、激增、清算、驗證、淨化和飛躍。本文將重點解讀The Surge階段，這一階段主要關注以太坊的可擴展性和長期發展。

以太坊的核心願景

以太坊的本質目標是成爲去中心化互聯網的基礎設施。通過智能合約的自動執行,以太坊支持復雜的去中心化應用開發,這種靈活性使其成爲開發者構建DeFi、NFT等應用的首選平台。

然而,以太坊在可擴展性方面存在局限。目前以太坊每秒僅能處理15-30筆交易,遠低於傳統支付網絡。這導致網路擁堵時gas費高昂,限制了以太坊成爲全球基礎設施的能力。The Surge正是爲解決這一問題而設計。

The Surge的主要目標包括:

• 實現以太坊L1+L2每秒10萬筆以上交易處理能力
• 保持L1的去中心化和穩健性
• 確保部分L2完全繼承以太坊的核心屬性
• 最大化L2之間的互操作性,使以太坊成爲一個統一生態系統

以rollup爲核心的擴展策略

The Surge的核心是通過L2解決方案大幅提升可擴展性,其中rollup是關鍵組成部分。這一策略明確了分工:以太坊L1專注於成爲強大且去中心化的基礎層,而L2承擔擴展生態系統的任務。

Rollup在鏈下打包交易,然後將結果提交回主網,在保持安全性和去中心化的同時顯著提高吞吐量。維塔利克表示,rollup可將以太坊的處理能力提升至每秒10萬筆以上。這將是變革性的進步,使以太坊能夠在不損害去中心化的前提下支持全球規模的應用。

維塔利克強調,rollup不僅是臨時方案,更是長期的擴展解決方案。以太坊2.0通過The Merge從工作量證明過渡到權益證明降低了能耗,而rollup則被視爲下一個重要裏程碑。

今年,以rollup爲核心的路線圖取得了重要進展: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作爲具有自身規則和邏輯的分片存在,分片實現方式的多樣化如今已成爲現實。

數據可用性採樣(DAS)的進一步發展

數據可用性採樣(DAS)是The Surge的另一個關鍵方面,旨在解決數據可用性問題。在去中心化網路中,所有節點都能驗證數據而無需存儲或下載全部內容至關重要。

DAS允許節點在不訪問完整數據集的情況下驗證數據,從而提高可擴展性和效率。

維塔利克強調了兩種形式的DAS:PeerDAS和2D DAS。PeerDAS有望增強rollup的信任假設,提高安全性。2D DAS不僅在blob內進行隨機抽樣,還在blob之間進行隨機抽樣。利用KZG承諾的線性屬性,通過一組新的虛擬blob來擴展區塊中的blob集,這些虛擬blob將相同的冗餘信息進行編碼。

借助DAS,以太坊可以處理更大量的數據,實現更快、更經濟的rollup,同時不損害去中心化。

未來,還需要更多工作來確定2D DAS的理想版本,並證明其安全屬性。

維塔利克認爲的長期實現路徑是:

1. 實施理想的2D DAS
2. 堅持使用1D DAS,犧牲採樣帶寬效率,爲簡單性和健全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

值得注意的是,即使決定直接在L1層擴展執行,這些選擇仍然存在。因爲如果L1要處理大量交易,L1區塊將變得非常大,客戶端將需要高效驗證其正確性,因此不得不在L1層使用與rollup(如ZK-EVM和DAS)相同的技術。

Plasma和其他解決方案

除了Rollup,早期提出的鏈下擴展方案Plasma也是另一種L2解決方案。

Plasma創建子鏈,這些子鏈獨立於主以太坊鏈處理交易,定期向主網提交摘要。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狀態變化。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,即使數據可用性出現問題,用戶仍可通過提取可用的最新狀態恢復資產。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。

雖然Plasma的開發在某種程度上落後於rollup,但維塔利克仍將其視爲以太坊更廣泛可擴展性工具包的一部分。

此外,維塔利克還討論了改進數據壓縮技術和加密證明,以進一步提高rollup和其他L2解決方案的效率。思路是盡可能壓縮數據,同時確保所有必要信息仍可供以太坊節點驗證。這些技術改進很可能在以太坊實現更高吞吐量的過程中發揮關鍵作用。

早期Plasma版本只能處理支付用例,難以進一步推廣。但如果要求每個根都用SNARK驗證,Plasma將變得更強大。其過程可大大簡化,因爲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,即在運營商不作弊時,用戶可立即提取資金,無需等待挑戰期。

Plasma的性能相當好,這也是大家設計技巧結構以克服其安全不足的關鍵原因。

跨L2互操作性改進

當今L2生態系統面臨的主要挑戰是跨L2互操作性較弱,如何讓使用L2生態系統的感覺如同使用統一的以太坊生態系統是亟需改進的問題。

跨L2互操作性改進有多個類別。理論上,以Rollup爲中心的以太坊與執行分片L1類似。當前以太坊L2生態系統在實踐中距離理想狀態還存在以下問題:

特定鏈的地址: 地址中應包含鏈信息(L1、Optimism、Arbitrum等)。一旦實現,就可通過簡單將地址放入發送字段來實現跨L2發送,錢包可在後臺自行處理發送方式(包括使用跨鏈協議)。

特定鏈的支付請求: 應能輕鬆且標準化地創建"在鏈Z上向我發送X個Y類型代幣"的消息。主要應用於人與人之間的支付、人與商戶服務之間的支付,以及dApp請求資金。

跨鏈兌換和Gas支付: 應有標準化的開放協議表達跨鏈操作。ERC-7683和RIP-7755在該領域進行了嘗試,盡管這兩者的應用範圍都更廣。

輕客戶端: 用戶應能實際驗證所交互的鏈,而非僅信任RPC提供商。例如,a16z crypto的Helios可做到這點(針對以太坊本身),但這種去信任性需要擴展到L2。ERC-3668(CCIP-read)是實現這一目標的一種策略。

共享代幣橋理念: 在所有L2都是有效性證明rollup且每個slot都向以太坊提交的情況下,要在原生狀態下將一個L2的資產轉移到另一個L2,仍需提現和存款,這需支付大量L1 Gas費。

解決這一問題的一種方法是:創建共享的極簡Rollup,其唯一功能是維護每種代幣由哪個L2擁有及各自餘額,並允許這些餘額通過任何L2發起的跨L2發送操作進行批量更新。這將使跨L2轉帳無需每次都支付L1燃氣費,也無需使用如ERC-7683等基於流動性提供者的技術。

同步組合性: 允許在特定L2與L1之間或多個L2之間發生同步調用。這有助於提高DeFi協議的財務效率。前者可在沒有跨L2協調的情況下實現;後者則需要共享排序。基於rollup的技術自動適用於所有這些技術。

上述許多示例都面臨何時標準化以及標準化哪些層的困境。如果標準化過早,可能使較差的解決方案根深蒂固。如果標準化過晚,則可能造成不必要的碎片化。

目前的一個共識是:某些情況下,既存在屬性較弱但更易實施的短期解決方案,也存在"最終正確"但需數年時間實現的長期解決方案。這些任務不僅是技術問題,也是(甚至可能主要是)社會問題,需要L2、錢包以及L1合作。

繼續擴展以太坊L1

維塔利克認爲,擴展以太坊L1本身,並確保它能容納越來越多用例是非常有價值的。

L1擴展有三種策略,可單獨或並行進行:

1. 改進技術(如客戶端代碼、無狀態客戶端、歷史到期)以使L1更易驗證,然後提高Gas限制
2. 降低特定操作成本,在不增加最壞情況風險的情況下增加平均容量
3. 原生Rollups(即創建EVM的N個並行副本)

這些技術各有不同的權衡。例如,原生rollups在組合性方面存在與普通rollups相同的弱點:不能發送單一交易跨多個rollup同步執行操作。提高Gas上限會削弱通過簡化L1驗證可實現的其他好處,如增加運行驗證節點的用戶比例和solo質押者數量。根據實現方式,使EVM中特定操作更便宜可能增加EVM的整體復雜性。

去中心化和安全性

可擴展性和去中心化之間的平衡是維塔利克反復強調的主題。許多區塊鏈項目選擇犧牲去中心化來換取更高吞吐量。例如,某交易平台每秒可處理數千筆交易,但需要強大硬件運行節點,使網路中心化。維塔利克堅持認爲,即使以太坊不斷擴展,也必須保持對去中心化的承諾。

Rollup和DAS被視爲增加以太坊容量同時保持其去中心化性質的方法。與某些高性能區塊鏈不同,以太坊的擴展策略確保任何人都可運行節點,以真正去中心化的方式保護網路。這對以太坊的願景至關重要,即建立可支持全球範圍、無需許可的金融系統的區塊鏈。

可擴展性越高,安全性方面的責任就越大。隨着以太坊走向以rollup爲中心的未來,確保這些系統的無需信任性變得十分關鍵。Rollup依靠加密證明保證鏈下交易在提交回以太坊時是合法的。雖然這些系統已被證明有效,但並非沒有風險。維塔利克承認,這些技術的成熟需要嚴格測試和迭代,特別是當它們被更廣泛採用時。

The Surge的前景展望

在The Surge之後,維塔利克設想以太坊不僅可擴展而且保持完全去中心化、安全和可持續性。這一願景不僅包括通過rollup和DAS擴展第1層,還包括構建更高效的共識算法、改進開發人員工具以及培育蓬勃發展的dApp生態系統。

以太坊的路線圖是樂觀的,同時也存在很多挑戰。大規模實施rollup、確保L2解決方案的安全性以及爲量子未來做準備都是復雜任務。但是,如果以太坊能成功克服這些障礙,它將鞏固其作爲Web3核心的地位