合并前夕:详解以太坊最新技术路线

转眼 2022 年已走过一半。我们回看 Vitalik 在 2018 年 Devcon 演讲中提出的 Serenity Roadmap,容易发现以太坊的发展路径几经更迭 — 对比当前的路线图,分片被赋予新的含义,eWASM 亦少有人提及。

合并前夕:详解以太坊最新技术路线

tl;dr:

  • 如果「The Merge」进展顺利,分片将成为以太坊在 2023 年及之后的开发主轴,而距离 2015 年分片被提出,其含义已经发生了很大变化。
  • 在 Vitalik 提出「以 Rollup 为中心的以太坊路线图」和以太坊的「Endgame」之后,以太坊的大方向发生了事实上的转变——「退居幕后」,作为 Rollup 的安全性保证和数据可用性层。
  • Danksharding 和 Proto-Danksharding 是一系列的技术组合,表现形式在于「发现问题」、引入或提出新技术来「解决问题」的一套组合拳。
  • 时间线拉长到未来几年,Rollup 的整体价值将变大:以太坊上呈现多 Rollup 的发展格局、跨 Rollup 基础设施高度完善、Rollup 生态高度繁荣——甚至超越以太坊本身。

引言

合并前夕:详解以太坊最新技术路线

转眼 2022 年已走过一半。我们回看 Vitalik 在 2018 年 Devcon 演讲中提出的 Serenity Roadmap,容易发现以太坊的发展路径几经更迭 — 对比当前的路线图,分片被赋予新的含义,eWASM 亦少有人提及。

为了避免潜在的欺诈和用户误导问题,今年 1 月底,以太坊基金会宣布弃用「ETH2」的说法,而是把当前的以太坊主网改称为处理交易和执行的「执行层」,把原 ETH2 的说法改称为协调和处理 PoS 的「共识层」。

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当前,以太坊官方的路线图涵盖了三部分内容:信标链、合并与分片。

其中,信标链(Beacon Chain)作为以太坊向 PoS 迁移的前置工作,以及共识层的协调网络,于 2020 年 12 月 1 日启用,迄今已运行近 20 个月。

合并(The Merge)指当前以太坊主网与信标链的最终合并,也即执行层与共识层的统一,标志着以太坊正式迁移到 PoS。在 IOSG 的文章「黎明将至:以太坊合并近在咫尺」中,我们介绍了合并相关的重要进展:当前以太坊 Ropsten 与 Sepolia 测试网成功完成了合并,紧接着是 Goerli 的合并;如果一切顺利,意味着我们离主网合并不远了。

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本文我们将着重讨论分片(Sharding)。原因在于:

其一,假定主网合并能够在年内顺利实现,那么分片将紧随其后,作为 2023 年以太坊的开发主轴。

其二,以太坊分片的概念最早由 Vitalik 在 2015 年的 Devcon 1 中提出,此后 GitHub 的 Sharding FAQ 中提出了分片的 6 个发展阶段(如上图)。然而,随着以太坊路线图的更新和相关 EIP 的推动,分片的含义和优先级都产生了很大变化。当我们在讨论分片时,需要先确保对其含义的理解达成一致。

综上两点,梳理清楚分片的来龙去脉是很重要的。本文将着重讨论以太坊原分片、 Danksharding 和 Proto-Danksharding 的由来、进展和未来路线,而非具体到每个技术细节。

Quick Review
这篇文章中将会多次提到 Rollup、数据可用性和分片。

我们在这里快速回看一遍三者的基本概念。

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当前主流 Rollup 分为 zkRollup 和 Optimistic Rollup。前者基于有效性证明,即批量执行交易,依赖密码学证明 SNARK 来保证状态转换的正确性;后者「乐观地」假设所有状态转换是正确的,除非被证伪;即需要一段时间窗口来确保错误的状态转换能够被发现。

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数据可用性对 zkRollup 和 Optimistic Rollup 都非常重要。对前者而言,用户可以基于数据可用性重建二层的所有交易,以确保抗审查;对后者而言,需要使二层的所有数据都被发布,没有被隐藏任一交易。至于当前数据可用性面临的瓶颈与相应的解决方案,在下文中会提到。

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以太坊全节点对 EVM 的完整状态进行存储,并参与所有交易验证,这样确保了去中心化和安全性,但随之而来的是可扩展性的问题:交易线性执行,且需要每个节点进行逐一确认,这样无疑是低效的。

此外,随着时间推移,以太坊网络数据不断积累(当前达 786GB),运行全节点的硬件要求随之水涨船高。全节点数量下降将引发潜在的单点故障,并削弱去中心化的程度。

直观地看,分片相当于分工合作,即对所有节点进行分组,每笔交易只需要由单组节点进行验证,并定期向主链提交交易记录,以此实现交易的并行处理(比如有 1000 个节点,原来每笔交易都必须由每个节点进行验证;如果把他们分为 10 组,每组 100 个节点来验证交易,效率显然大大提升了)。采用分片使得在提高可扩展性的同时,也降低了单组节点的硬件要求,从而解决上述两个问题。

原分片

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以太坊原方案中有 64 个分片,每个分片中都有独立的提议者和委员会,提议者是被随机选择的一个验证者,收集交易并进行排序;委员会是一组验证者的集合(至少由 128 个验证者组成),每隔一定时间被随机分配到各个分片上,并验证交易的有效性,如果委员会的 2/3 投票通过,则调用验证者管理合约(VMC)向信标链提交交易记录。区别于下述的「数据分片」,这种分片也被称为「执行分片」。

背景
在聊 Danksharding 之前我们不妨先花点时间了解其背景。个人猜想,Danksharding 推出的社区氛围基础主要来自 Vitalik 的两篇文章。这两篇文章为以太坊的未来发展方向定下了基调。

首先,Vitalik 于 2020 年 10 月发表了「以 Rollup 为中心的以太坊路线图」,提出以太坊需要在中短期内对 Rollup 进行集中支持。其一,以太坊基础层扩容将聚焦于扩大区块的数据容量,而非提高链上计算或 IO 操作的效率。即:以太坊分片旨在为数据 blob(而非交易)提供更多空间,以太坊无需对这些数据进行解释,只确保数据可用。其二,以太坊的基础设施进行调整以支持 Rollup(如 ENS 的 L2 支持、钱包的 L2 集成和跨 L2 资产转移)。长远来看,以太坊的未来应该作为安全性高的、人人可处理的单一执行分片,以及可扩展的数据可用性层。

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此后,Vitalik 在 2021 年 12 月发表的「Endgame」中描述了以太坊的最终图景:区块产出是中心化的,但区块验证实现去信任且高度去中心化,同时确保抗审查。底层链为区块的数据可用性提供保证,而 Rollup 为区块的有效性提供保证(在 zkRollup 中,通过 SNARK 来实现;在 Optimistic Rollup 中,只需有一个诚实参与者运行欺诈证明节点)。类似于 Cosmos 的多链生态,以太坊的未来将是多 Rollup 共存的——它们都基于以太坊提供的数据可用性和共享安全性。用户依赖桥在不同 Rollup 之间活动,而无需支付主链的高额费用。

上述内容基本确定了以太坊的发展方向:优化以太坊的基础层建设,为 Rollup 服务。以上论点也许基于这样一个看法:既然 Rollup 已经被验证有效并且得到良好的采用,那么「与其将花上几年时间等待一个不确定且复杂的扩容方案(注:指原分片),不如将注意力放在基于 Rollup 的方案上」。

在此之后,Dankrad 提出了新分片方案 Danksharding。以下我们把 Danksharding 的具体技术组成拆分出来理解。

Proto-Danksharding

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Proto-Danksharding 提出的背景在于,虽然 Rollup 方案对比以太坊主链而言显著降低了交易费用,但还没有到足够低的理想程度。这是由于以太坊主链上提供数据可用性的 CALLDATA 仍然占据较大的花费 (16gas / byte)。在原先的设想中,以太坊提出在数据分片中提供每个区块 16MB 的专用数据空间给 Rollup 使用,但距离数据分片的真正实施仍旧遥遥无期。

今年 2 月 25 日,Vitalik 和 DankRad 等提出了 EIP-4844(Shard Blob Transactions)提案,也即 Proto-Danksharding,旨在以简单、前向兼容的方式扩展以太坊的数据可用性,使其在 Danksharding 推出之后仍然可用。该提案的改动仅发生在共识层上,不需要执行层的客户端、用户和 Rollup 开发者进行额外的适配工作。

Proto-Danksharding 实际上并未执行分片,而是为将来的分片引入了一种称为「Blob-carrying Transactions」的交易格式。这种交易格式区别于普通交易在于其额外携带了称为 blob 的数据块(约为 125kB),使区块实际上变大,从而提供比 CALLDATA(约为 10kB)更加廉价的数据可用性。

然而,「大区块」的普遍问题是对磁盘空间的要求不断累加,采用 Proto-Danksharding 将使以太坊每年额外增加 2.5TB 的存储量(当前全网络数据仅为 986GB)。因此,Proto-Danksharding 设置了一段时间窗口(例如 30 天),在此之后对 blob 做删除操作,用户或者协议可以在这段时间内对 blob 数据进行备份。

即,以太坊的共识层仅仅作为一个高度安全的「实时公告板」,确保这些数据在足够长的时间里是可用的,并使其他用户或协议有足够的时间来备份数据,而非由以太坊永久保留所有的 blob 历史数据。

这么做的原因是,对存储来说,每年新增的 2.5TB 不在话下,但对以太坊节点却带来不小的负担。至于可能导致的信任假设问题,实际上只需有一个数据存储方是诚实的(1 of N),系统就可以正常运作,而不需要实时参与验证、执行共识的验证者节点集(N/2 of N)来存储这部分历史数据。

那么,有没有激励来推动第三方对这些数据进行存储呢?笔者暂时没有发现激励方案的推出,但 Vitalik 本人提出了几个可能的数据存储方:

1、针对应用的协议(例如 Rollup)。它们可以要求节点存储与应用相关的历史数据,如果历史数据丢失,会对这部分应用造成风险,因此它们有动力去做存储;

2、BitTorrent;

3、以太坊的 Portal Network,这是一个提供对协议的轻量级访问的平台;

4、区块链浏览器、API 提供者或者其他数据服务商;

5、个人爱好者或者从事数据分析的学者;

6、The Graph 等第三方索引协议。

Danksharding 数据可用性采样(DAS)

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在 Proto-Danksharding 中我们提到新的交易格式使得区块实际上变大了,并且 Rollup 也累积了大量数据,节点需要下载这些数据来保证数据可用性。

DAS 的想法是:如果可以把数据分为 N 个块,每个节点随机地下载其中的 K 个块,就能验证所有数据是否可用,而无需下载所有数据,这样就能大大减少节点的负担。但如果某个数据块丢失了怎么办?仅仅通过随机下载 K 个块很难发现某个块丢失了。

为了实现 DAS,引入了纠删码(Erasure Coding)技术。纠删码是一种编码容错技术,基本原理是把数据分段,加入一定的校验并使各个数据段之间产生关联,即使某些数据段丢失,仍然能通过算法将完整的数据计算出来。

如果把纠删码的冗余比例设置为 50%,那么意味着只需要有 50% 的区块数据可用,网络中的任何人就可以重建所有区块数据,并且进行广播。如果攻击者想要欺骗节点,则必须隐藏掉超过 50% 的区块,但只要进行多次随机采样,这种情况几乎不会发生。(例如,假设对区块进行了 30 次随机采样,这些区块都恰好被攻击者隐藏掉的几率是2的负30次方

既然节点不下载所有数据,而是依靠纠删码来重建数据,那么首先需要确保纠删码被正确编码,否则用错误编码的纠删码当然没法重建数据。

这样,进一步引入了 KZG 多项式承诺(KZG Polynomial Commitments),多项式承诺是一个「代表」多项式的简化形式,用于证明多项式在特定位置的值与指定的数值一致,而无需包含该多项式的所有数据。Danksharding 中通过采用 KZG 承诺来实现对纠删码的验证。

如果我们可以把所有数据都放在一个 KZG 承诺中当然很省事,但是构建这个 KZG 承诺,或者一旦有部分数据不可用,重建这个数据——两者的资源要求都是巨大的。(实际上,单个区块的数据需要多个 KZG 承诺来保证)而同样为了降低节点负担从而避免中心化,Danksharding 中把 KZG 承诺进行了进一步的拆分,提出了二维 KZG 承诺框架。

当我们依次解决上述问题之后,依靠 DAS,节点或者轻客户端只需要随机下载 K 个数据块,就能够验证所有数据是可用的;这样一来,即便引入「大区块」之后,也不会过多地加重节点的负担。

(注:特别地,Danksharding 中采用的纠删码算法是 Reed-Solomon 编码;KZG 承诺是由 Kate、Zaverucha 和 Goldberg 发表的多项式承诺方案。在此暂不做展开,对算法原理感兴趣的读者可自行拓展。此外,确保纠删码正确性的方案还有在 Celestia 中采用的欺诈证明)

区块提议者与构建者分离(PBS)
在当前情况下,PoW 矿工和 PoS 验证者既是区块构建者(Builder),又是区块提议者(Proposer)——在 PoS 中,验证者可以用 MEV 的利润获取更多新的验证者席位,从而有更多机会去实现 MEV;此外,大型验证池显然比普通验证人有更强大的 MEV 捕获能力,这样导致了严重的中心化问题。于是,PBS 提出把 Builder 和 Proposer 进行分离。

PBS 的想法如下:Builder 们构建一个排好序的交易列表,并且把出价提交给 Proposer。Proposer 只需要接受出价最高的交易列表,且任何人在拍卖的获胜者被选出之前,无法知道交易列表的具体内容。

这种分离和拍卖的机制引入了博弈和 Builder 之间的「内卷」:毕竟每个 Builder 捕获 MEV 的能力不尽相同,Builder 需要权衡潜在的 MEV 利润、以及拍卖出价之间的关系,这样实际上减少了 MEV 的净收入;而无论最终 Builder 提交的区块是否能够顺利产出,都需要向 Proposer 支付竞价的费用。这样一来,Proposer(广义上是所有验证者集,一定时间内随机重选)相当于分享了一部分 MEV 的收入,削弱了 MEV 的中心化程度。

以上介绍了 PBS 在解决 MEV 方面的优势,而引入 PBS 还有另一个原因。在 Danksharding 中,对 Builder 的要求是:在 1 秒左右计算出 32MB 数据的 KZG 证明,这需要 32-64 核的 CPU;并且在一定时间内以 P2P 的方式广播 64MB 的数据,这需要 2.5Gbit/s 的带宽。显然验证者无法满足这样的要求。

于是 PBS 把两者分开,Proposer 仍然作为一般验证者节点,负责选择交易列表,并广播区块头;而 Builder 作为一个专门的角色,负责上述工作和构建交易列表。

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去年 10 月,Vitalik 提出了双 Slot PBS 方案(注:每个 Slot 为 12 秒,是信标链的时间单位),但具体的 PBS 方案仍然在讨论中。

抗审查列表(crList)

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但 PBS 也带来一个问题,如果某个 Builder 总是出最高价(甚至宁愿承担经济损失)来赢得拍卖,那么他实际上有了审查交易的能力,可以选择性地不把某些交易包含在区块中。

为此,Danksharding 进一步引入了抗审查列表 crList(即 Censorship Resistance List),即 Proposer 有权利指定一个交易列表,这个交易列表必须被 Builder 所包含;在赢得拍卖后,Builder 需要证明 crList 中的交易都已经被包含在内(或区块已满),否则该区块将被视为无效。

小结

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把上述的数据可用性采样(DAS)、区块构建者和提议者分离(PBS)以及抗审查列表(crList)组合起来,就得到了完整的 Danksharding。我们发现,「分片」的概念其实已经被淡化了,尽管保留了 Sharding 的叫法,但实际上的重点已经放在对数据可用性的支持上。

那么 Danksharding 对比原分片有哪些优势呢?

(Dankrad 本人在这里列举了 Danksharding 的 10 个优点,我们选取两个来具体解释)

在原分片中,每个单独的分片都有其提议者和委员会,分别对分片内的交易验证进行投票,并由信标链的提议者收集所有投票结果,这项工作很难在单个 Slot 内完成。而在 Danksharding 中只在信标链上存在委员会(广义的验证者集,一定时间内随机重选),由这个委员会来验证信标链区块和分片数据。这相当于把原来的 64 组提议者和委员会简化为 1 组,无论是理论还是工程实现的复杂度都大大降低了。

Danksharding 的另一个优点是,以太坊主链和 zkRollup 之间有可能实现同步调用。上文我们谈到,在原分片中信标链需要收集所有分片的投票结果,这会产生确认的延迟。而在 Danksharding 中,信标链的区块和分片数据由信标链的委员会进行统一认证,也即同个信标区块的交易可以即时访问分片的数据。这样激发了更多可组合性的想象空间:例如 StarkWare 提出的分布式 AMM(dAMM),能够跨 L1/L2 进行 Swap 或共享流动性,从而解决流动性碎片化的问题。

在 Danksharding 得到实施之后,以太坊将变成 Rollup 的统一结算层和数据可用性层。

Closing Thoughts

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在上图中,我们对 Danksharding 进行一个总结。

综上,我们大致可以看到,未来的 2 至 3 年内,以太坊路线图的指向性是非常明显的——围绕服务 Rollup 而展开。尽管在此过程中路线图改动与否仍然是未知数:Danksharding 预计将在未来 18-24 个月内实现,而 Proto-Danksharding 将在 6-9 个月内实现。但至少我们明确了 Rollup 作为以太坊的扩容基础,占据着一定的主导地位。

根据 Vitalik 提出的展望,在此我们也提出一些预测性思考和猜想:

  • 一是类似 Cosmos 的多链生态,未来以太坊上将出现多 Rollup 的竞争格局,由以太坊为它们提供安全性和数据可用性的保证。
  • 二是跨 L1/Rollup 基础设施将成为刚需。跨域 MEV 将带来更加复杂的套利组合,类似上述提到的 dAMM 带来更丰富的可组合性。
  • 三是多 Rollup 的生态应用将超越以太坊本身。由于以太坊的定位退居其次,作为 Rollup 的数据可用性层,我们猜测更多的应用会迁移到 Rollup 上面去做(若第二点成立);或者至少在以太坊和 Rollup 上面同时做应用。

(声明:请读者严格遵守所在地法律法规,本文不代表任何投资建议)

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