以太坊技术升级展望：The Surge

以太坊联合创始人维塔利克·布特林近期发布了一系列探讨以太坊未来发展的文章。这些文章围绕以太坊路线图的六个阶段展开:合并、激增、清算、验证、净化和飞跃。本文将重点解读The Surge阶段，这一阶段主要关注以太坊的可扩展性和长期发展。

以太坊的核心愿景

以太坊的本质目标是成为去中心化互联网的基础设施。通过智能合约的自动执行,以太坊支持复杂的去中心化应用开发,这种灵活性使其成为开发者构建DeFi、NFT等应用的首选平台。

然而,以太坊在可扩展性方面存在局限。目前以太坊每秒仅能处理15-30笔交易,远低于传统支付网络。这导致网络拥堵时gas费高昂,限制了以太坊成为全球基础设施的能力。The Surge正是为解决这一问题而设计。

The Surge的主要目标包括:

• 实现以太坊L1+L2每秒10万笔以上交易处理能力
• 保持L1的去中心化和稳健性
• 确保部分L2完全继承以太坊的核心属性
• 最大化L2之间的互操作性,使以太坊成为一个统一生态系统

以rollup为核心的扩展策略

The Surge的核心是通过L2解决方案大幅提升可扩展性,其中rollup是关键组成部分。这一策略明确了分工:以太坊L1专注于成为强大且去中心化的基础层,而L2承担扩展生态系统的任务。

Rollup在链下打包交易,然后将结果提交回主网,在保持安全性和去中心化的同时显著提高吞吐量。维塔利克表示,rollup可将以太坊的处理能力提升至每秒10万笔以上。这将是变革性的进步,使以太坊能够在不损害去中心化的前提下支持全球规模的应用。

维塔利克强调,rollup不仅是临时方案,更是长期的扩展解决方案。以太坊2.0通过The Merge从工作量证明过渡到权益证明降低了能耗,而rollup则被视为下一个重要里程碑。

今年,以rollup为核心的路线图取得了重要进展: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作为具有自身规则和逻辑的分片存在,分片实现方式的多样化如今已成为现实。

数据可用性采样(DAS)的进一步发展

数据可用性采样(DAS)是The Surge的另一个关键方面,旨在解决数据可用性问题。在去中心化网络中,所有节点都能验证数据而无需存储或下载全部内容至关重要。

DAS允许节点在不访问完整数据集的情况下验证数据,从而提高可扩展性和效率。

维塔利克强调了两种形式的DAS:PeerDAS和2D DAS。PeerDAS有望增强rollup的信任假设,提高安全性。2D DAS不仅在blob内进行随机抽样,还在blob之间进行随机抽样。利用KZG承诺的线性属性,通过一组新的虚拟blob来扩展区块中的blob集,这些虚拟blob将相同的冗余信息进行编码。

借助DAS,以太坊可以处理更大量的数据,实现更快、更经济的rollup,同时不损害去中心化。

未来,还需要更多工作来确定2D DAS的理想版本,并证明其安全属性。

维塔利克认为的长期实现路径是:

1. 实施理想的2D DAS
2. 坚持使用1D DAS,牺牲采样带宽效率,为简单性和健全性接受较低的数据上限
3. 放弃DA,完全接受Plasma作为主要Layer2架构

值得注意的是,即使决定直接在L1层扩展执行,这些选择仍然存在。因为如果L1要处理大量交易,L1区块将变得非常大,客户端将需要高效验证其正确性,因此不得不在L1层使用与rollup(如ZK-EVM和DAS)相同的技术。

Plasma和其他解决方案

除了Rollup,早期提出的链下扩展方案Plasma也是另一种L2解决方案。

Plasma创建子链,这些子链独立于主以太坊链处理交易,定期向主网提交摘要。对每个区块,运营商向每个用户发送Merkle分支证明该用户资产的状态变化。用户可通过提供Merkle分支提取资产。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,用户仍可通过提取可用的最新状态恢复资产。如果用户提交无效分支,可通过链上挑战机制判断资产归属。

虽然Plasma的开发在某种程度上落后于rollup,但维塔利克仍将其视为以太坊更广泛可扩展性工具包的一部分。

此外,维塔利克还讨论了改进数据压缩技术和加密证明,以进一步提高rollup和其他L2解决方案的效率。思路是尽可能压缩数据,同时确保所有必要信息仍可供以太坊节点验证。这些技术改进很可能在以太坊实现更高吞吐量的过程中发挥关键作用。

早期Plasma版本只能处理支付用例,难以进一步推广。但如果要求每个根都用SNARK验证,Plasma将变得更强大。其过程可大大简化,因为排除了运营商作弊的大部分可能路径。同时,也开辟了新路径,即在运营商不作弊时,用户可立即提取资金,无需等待挑战期。

Plasma的性能相当好,这也是大家设计技巧结构以克服其安全不足的关键原因。

跨L2互操作性改进

当今L2生态系统面临的主要挑战是跨L2互操作性较弱,如何让使用L2生态系统的感觉如同使用统一的以太坊生态系统是亟需改进的问题。

跨L2互操作性改进有多个类别。理论上,以Rollup为中心的以太坊与执行分片L1类似。当前以太坊L2生态系统在实践中距离理想状态还存在以下问题:

特定链的地址: 地址中应包含链信息(L1、Optimism、Arbitrum等)。一旦实现,就可通过简单将地址放入发送字段来实现跨L2发送,钱包可在后台自行处理发送方式(包括使用跨链协议)。

特定链的支付请求: 应能轻松且标准化地创建"在链Z上向我发送X个Y类型代币"的消息。主要应用于人与人之间的支付、人与商户服务之间的支付,以及dApp请求资金。

跨链兑换和Gas支付: 应有标准化的开放协议表达跨链操作。ERC-7683和RIP-7755在该领域进行了尝试,尽管这两者的应用范围都更广。

轻客户端: 用户应能实际验证所交互的链,而非仅信任RPC提供商。例如,a16z crypto的Helios可做到这点(针对以太坊本身),但这种去信任性需要扩展到L2。ERC-3668(CCIP-read)是实现这一目标的一种策略。

共享代币桥理念: 在所有L2都是有效性证明rollup且每个slot都向以太坊提交的情况下,要在原生状态下将一个L2的资产转移到另一个L2,仍需提现和存款,这需支付大量L1 Gas费。

解决这一问题的一种方法是:创建共享的极简Rollup,其唯一功能是维护每种代币由哪个L2拥有及各自余额,并允许这些余额通过任何L2发起的跨L2发送操作进行批量更新。这将使跨L2转账无需每次都支付L1燃气费,也无需使用如ERC-7683等基于流动性提供者的技术。

同步组合性: 允许在特定L2与L1之间或多个L2之间发生同步调用。这有助于提高DeFi协议的财务效率。前者可在没有跨L2协调的情况下实现;后者则需要共享排序。基于rollup的技术自动适用于所有这些技术。

上述许多示例都面临何时标准化以及标准化哪些层的困境。如果标准化过早,可能使较差的解决方案根深蒂固。如果标准化过晚,则可能造成不必要的碎片化。

目前的一个共识是:某些情况下,既存在属性较弱但更易实施的短期解决方案,也存在"最终正确"但需数年时间实现的长期解决方案。这些任务不仅是技术问题,也是(甚至可能主要是)社会问题,需要L2、钱包以及L1合作。

继续扩展以太坊L1

维塔利克认为,扩展以太坊L1本身,并确保它能容纳越来越多用例是非常有价值的。

L1扩展有三种策略,可单独或并行进行:

1. 改进技术(如客户端代码、无状态客户端、历史到期)以使L1更易验证,然后提高Gas限制
2. 降低特定操作成本,在不增加最坏情况风险的情况下增加平均容量
3. 原生Rollups(即创建EVM的N个并行副本)

这些技术各有不同的权衡。例如,原生rollups在组合性方面存在与普通rollups相同的弱点:不能发送单一交易跨多个rollup同步执行操作。提高Gas上限会削弱通过简化L1验证可实现的其他好处,如增加运行验证节点的用户比例和solo质押者数量。根据实现方式,使EVM中特定操作更便宜可能增加EVM的整体复杂性。

去中心化和安全性

可扩展性和去中心化之间的平衡是维塔利克反复强调的主题。许多区块链项目选择牺牲去中心化来换取更高吞吐量。例如,某交易平台每秒可处理数千笔交易,但需要强大硬件运行节点,使网络中心化。维塔利克坚持认为,即使以太坊不断扩展,也必须保持对去中心化的承诺。

Rollup和DAS被视为增加以太坊容量同时保持其去中心化性质的方法。与某些高性能区块链不同,以太坊的扩展策略确保任何人都可运行节点,以真正去中心化的方式保护网络。这对以太坊的愿景至关重要,即建立可支持全球范围、无需许可的金融系统的区块链。

可扩展性越高,安全性方面的责任就越大。随着以太坊走向以rollup为中心的未来,确保这些系统的无需信任性变得十分关键。Rollup依靠加密证明保证链下交易在提交回以太坊时是合法的。虽然这些系统已被证明有效,但并非没有风险。维塔利克承认,这些技术的成熟需要严格测试和迭代,特别是当它们被更广泛采用时。

The Surge的前景展望

在The Surge之后,维塔利克设想以太坊不仅可扩展而且保持完全去中心化、安全和可持续性。这一愿景不仅包括通过rollup和DAS扩展第1层,还包括构建更高效的共识算法、改进开发人员工具以及培育蓬勃发展的dApp生态系统。

以太坊的路线图是乐观的,同时也存在很多挑战。大规模实施rollup、确保L2解决方案的安全性以及为量子未来做准备都是复杂任务。但是,如果以太坊能成功克服这些障碍,它将巩固其作为Web3核心的地位