一文解析以太坊的新路线圖

2022-08-03 16:08:00

作者: Alec Chen

來源: Volt Capital

來源: @milesdeutscher

‍前言

以太坊向權益證明網絡的“合並”(The Merge)計劃於9月底在主網上线。其目標是大規模解鎖區塊鏈可訪問性。其核心是，合並將以太坊從比特幣風格的工作量證明共識機制轉變為權益證明系統。以太坊從執行分片轉向以Rollup為中心的路线圖，是為下一個10億用戶擴展區塊鏈的關鍵一步。模塊化架構中的數據可用性和分片允許區塊鏈在不犧牲去中心化的情況下擴展吞吐量。本文將深入分析合並(以太坊的新路线圖)的技術細節，以及這一變化對用戶和开發人員意味着什么。

來源: @ptrwtts

以Rollup為中心的路线圖

最初，以太坊2.0(現在已棄用的術語)的計劃是通過將主網劃分為64個分片來實現可擴展性，每個分片具有單獨的礦工/驗證者。然後，根據擁塞、利用率和吞吐量，用戶將發送路由到特定分片的交易。由於rollup的興起和採用，以及執行分片實現的復雜性，最初以執行分片為中心的可擴展性路线圖已經被拋棄，取而代之的是數據分片。以太坊團隊現在相信，將通過rollup將以太坊擴展到滿足世界需求，合並後的以太坊計劃是成為一個強大的結算和數據可用層，rollup從中獲得安全性。

來源: ETH2 Book

‍信標鏈 (The Merge)

與流行的看法相反，合並的目的不是降低交易成本，而是將以太坊轉變為用於rollup的強大底層基礎設施層。實現這一目標的第一個核心步驟是信標鏈 (Beacon Chain)。這將以太坊從之前的工作量證明系統轉變為權益證明系統，在該系統中，利益相關者必須提交抵押品以生產區塊，不誠實的參與者的抵押品將被削減。將共識系統轉移到權益證明引入了驗證委員會作為基礎，這反過來加強了網絡共識，並為協議內有效數據可用層鋪平了道路。信標鏈引導和協調利益相關者的網絡，而不像今天的以太坊那樣處理或執行交易。更具體地說，合並所做的是將舊的以太坊執行層與信標鏈提供的新的共識引擎合並，將利用工作量證明礦工的當前算法與權益證明驗證者的協調網絡交換。切換共識算法也為分片奠定了基礎：以前，在工作量證明挖礦中，沒有礦工注冊表，礦工可以任意停止他們的職責並離开網絡。在權益證明機制下，信標鏈現在擁有所有被批准的區塊生產者的注冊表，並可以協調和並行化驗證者的投票。

來源: ETH2 Book

驗證者小組，委員會，是信標鏈提供的一個關鍵創新。信標鏈隨機分配委員會對區塊進行投票，形成共識。委員會的綜合投票被稱為“認證”(attestation)，通過檢查委員會的投票，可以輕松驗證信標鏈的狀態，與單一驗證者的驗證相比，最大限度地減少了區塊大小和數據增長。認證委員會還加強了共識，因為在這種模式下，需要相對大量的驗證者來共同創建分叉。此外，驗證者集周期性地變換，使得惡意驗證者很難及時勾結起來進行攻擊。

來源: Flashbots

‍共識與MEV (The Splurge)

合並後，以太坊將為共識層實現提議者-構建者分離。Vitalik認為，所有區塊鏈的終局是擁有中心化的區塊生產和去中心化的區塊驗證。由於分片後的以太坊區塊數據非常密集，出於對數據可用性的高要求，區塊生產的中心化是必要的。同時，必須有一種方法來維護一個去中心化的驗證者集，它可以驗證區塊並執行數據可用性抽樣。

新的構建者角色使用用戶交易構建以太坊執行有效載荷區塊，並將其與提議者(驗證者集中隨機選擇的子集)的投標一起提交。一旦提議者接受了有效載荷，他們就會在區塊上籤字，並通過網絡傳播它。由於發送給提議者的有效載荷被剝奪了交易內容，這種結構消除了驗證者搶先交易的可能性。在一個有效的市場中，區塊空間市場的引入也會激勵構建者出價到提取的MEV的全部價值，允許去中心化驗證者集獲得大部分MEV獎勵。與模擬以太坊相比，這種設置阻止了礦工潛在的不穩定共識，並減輕了有害的MEV。

Danksharding (The Surge)

雖然提議-構建者分離的設計初衷是為了抵消MEV的有害外部性和中心化力量，但以太坊核心團隊意識到它也可以服務於數據分片的目的。

Danksharding以核心貢獻者Dankrad Feist的名字命名，它的主要創新是一個合並的費用市場——取代了固定數量的具有不同區塊和提議者的分片，一個提議者選擇每個特定時隙的所有交易和數據。提議者是一個隨機選擇的驗證者委員會，隨後對區塊鏈數據執行數據可用性抽樣。這確保了一種去中心化的方式來維護輕客戶端的數據可用性，因為合並後區塊的數據過大，單點驗證是不可能的。由於共識節點也在執行數據可用性抽樣，因此該模型將結算層、共識層和數據可用性層統一起來。

‍統一結算和數據可用層利用有效性證明為rollup解鎖了令人興奮的功能：ZK rollup現在將能夠與以太坊上的執行層進行同步調用。這增強了新的L2原語，如分布式流動性和分形擴展，為在ZK rollup上構建創新的下一代dapp奠定了基礎。

Proto-danksharding

盡管danksharding對以太坊的未來產生了良好的影響，但在合並後，danksharding不會立即完全可用。Proto-dank sharding (EIP-4844)是danksharding的原始版本，計劃在完全實現之前發布。該提案創建了一個稱為攜帶blob交易的原語。顧名思義，攜帶blob的交易是攜帶稱為blob的數據有效負載的交易。Blob是後分片以太坊的數據標准：它們與KZG多項式承諾捆綁在一起，由於與EVM執行解耦，因此比calldata格式更高效。目前，rollup使用calldata將交易數據發送回以太坊，導致高昂的gas成本。在分片的未來，rollup將使用blob，為用戶節省與EVM執行相關的gas費用。Proto-danksharding的目標是為开發人員提供這種前瞻性的數據格式，同時通過為即將分片的數據引入單獨的格式和費用市場，為處理昂貴的calldata成本的rollup提供臨時的緩解。雖然proto-danksharding本身並沒有真正實現分片，但為後分片數據格式引入標准化規範是構建高效的原生數據可用性層的第一步。

歷史與狀態 (The Verge & The Purge)

以太坊狀態及其存儲也是一個考慮因素。不斷增加的狀態可能會潛在地影響去中心化，因為驗證者必須能夠在消費硬件上完成他們的任務。Proto-danksharding blob與EVM執行層是分離的，大約一個月後會被刪除。此外，EIP-4444允許客戶端在大約一年後刪除並停止在點對點層上提供歷史數據。無論如何，在協議層面強制執行某種類型的強制歷史過期是必要的，因為分片後每年將增加大約40 TB的歷史blob數據。需要將區塊鏈狀態存儲在RAM或SSD上。然而，歷史存儲，以太坊已經達成共識的數據，可以存儲在廉價的HDD上。由於歷史存儲是在一個誠實的少數(1/N)信任模型上運行的，所以在執行實時共識的節點上存儲歷史數據沒有必要。Danksharding規範確保驗證者存儲並保證他們在幾個月內達成共識的數據的可用性。然後，這些經過修剪的歷史將被第三方存儲，比如特定於應用程序的協議、BitTorrent、門戶網絡、區塊瀏覽器、個人業余愛好者或索引協議。

來源: Consensys

無狀態以太坊是路线圖上的另一個目標。構造區塊的區塊生產者將利用 witness，這是由執行區塊中包含的交易所需的相關數據組成的證據。因此，客戶端利用這個witness來驗證執行一個區塊產生的狀態根，並且只需要執行受影響狀態的一部分，而不是整個狀態。這種設計的兩個主要障礙是witness的規模和witness可用性。第一個問題可以通過改變以太坊中的狀態數據結構來解決，從Merkle Patricia Tries到Verkle Tries，這是一種更有效的數據結構，用於以太坊合並後使用的多項式承諾。第二個問題可以通過將區塊witness作為協議級規範來解決。繼Vitalik在《Endgame》中得出結論後，依賴具有專門硬件的中心化區塊生產者，同時保持去中心化驗證是擴展以太坊的關鍵設計框架。

要點總結

Danksharding增強了從以太坊繼承安全性的rollup。通過將數據可用性與共識層和結算層緊密耦合來升級底層基礎設施，允許rollup利用本地數據可用性解決方案，放棄validium和volition的安全假設。這為類似於 enshrined rollup這樣的架構鋪平了道路，通過允許在協議中部署整個rollup，消除了治理和智能合約風險。利用SNARK進行協議內同步調用的rollup成為未來區塊鏈擴展的一種有前景的設計。協議內rollup有諸多好處：現在智能合約rollup面對的固定的、每個區塊的gas成本被消除了，當計算與共識解耦時，驗證者需要重新執行交易來驗證一個區塊，並且無狀態客戶端不再需要下載witness，因為狀態差異現在通過有效性證明的屬性得到了保證。這些優點包括更低的結算延遲、更好的同步、更高的驗證者帶寬(因此有更高的EVM gas限制)以及更安全的跨鏈橋接。以太坊基金會目前正致力於將這一設計直接實現到以太坊的路线圖中，並計劃將EVM升級為兼容SNARK的 enshrined rollup。

以太坊路线圖的主要目標是最小化信任假設，並通過實現本地解決方案提供協議內可擴展性。以太坊的基礎層是整個去中心化應用生態系統的宿主，有望從根本上改變我們在數字時代對身份、存儲、搜索、聲譽和隱私的思考方式。將以太坊升級為基礎層也提升了這個應用層，通過提供高度安全、健壯的基礎設施來在全球範圍內擴展這些用例，使用戶和开發人員受益。以太坊的愿景是全球範圍內的數字未來。它對可信中立性原則以及以太坊的網絡效應、去中心化和安全性的堅持，牢牢地鞏固了它在未來去中心化網絡中的角色。合並是守護以太坊實現這一愿景的第一步。