一文了解以太坊的新路线图及其影响

作者：Alec Chen，下文由 DeFi 之道编译

引言

“The Merge（合并）”，即以太坊从工作量证明向权益证明网络的转换计划在今年 9 月底前在以太坊主网上进行。其目的是在规模上释放区块链的可访问性。合并的核心将以太坊从比特币式的工作量证明共识机制过渡到权益证明系统。以太坊从执行分片转向以 rollup 为中心的路线图是为下一个 10 亿用户扩展区块链的关键一步。正如我们之前的研究文章《模块化区块链：深入探讨》‌中所写到的那样，模块化架构中的数据可用性和分片允许区块链在不牺牲去中心化的情况下进一步扩展吞吐量。上面的文章深入探讨了数据可用性、rollup 和故障/有效性证明，所有这些对于理解合并的背景和目标来说都是必要的。本文将对以太坊合并的技术细节、以太坊的新路线图，同时也就这一变化对用户和开发者的意义进行了深入的分析。

来源：@ptrwtts

以 rollup 为中心的路线图

以太坊 2.0（现在已经放弃的术语）最初的计划是通过将主网划分为 64 个分片，每个分片都有独立的矿工或验证者来进一步实现其可扩展性。用户随后将根据拥堵情况、利用率和吞吐量，将交易路由到特定的分片。由于 rollup 的兴起和采用，加上执行分片的复杂性，原来以执行分片为中心的可扩展性路线图已被放弃，转而采用数据分片。由于以太坊团队现在认为以太坊扩展到世界需求将通过 rollup 发生，以太坊合并后的计划是成为一个强大的结算和数据可用性层，而 rollup 则可以从中获得安全性。

来源：ETH2 Book

信标委员会（beacon committee）中的所有成员会把他们独立的证明传递给 gossip 子网。聚合器是通过委员会选出的子网，它可以聚合子网收到的证明。聚合器向全球通道广播其获得的证明，以便下一个区块提议者可以获得相应的信息。

信标链（The Merge）

其实，与流行的看法相反的是，以太坊合并的目的不是为了降低交易成本，而是要将以太坊转变为一个用于 rollup 的强大的底层基础设施层。实现这一目标的第一个核心步骤是信标链（Beacon Chain）。这将以太坊从之前的“工作量证明”系统转变为“权益证明”系统，在这个系统中，质押者必须将抵押品进行质押来产生区块，不诚实的行为者将被罚没其抵押品。以太坊将共识系统转移到权益证明上引入了验证委员会作为一种原始手段，这反过来又加强了网络共识，从而为高效的协议内数据可用性层铺平了道路。信标链的执行和协调网络中的质押者并不像今天的以太坊那样处理或执行交易。更具体地说，以太坊合并所做的是将以太坊的旧执行层与信标链提供的新共识引擎进行合并，进而将目前利用工作量证明的矿工算法换成权益证明验见证的协调网络。切换共识算法也为分片奠定了基础：以前在工作量证明挖矿的机制下是没有矿工注册表的，矿工可以任意停止工作并离开网络。而在权益证明的机制下，信标链现在拥有所有被批准的区块生产者的注册表，同时还可以协调以及并行化验证者的投票。

来源：ETH2 Book

上图中的三角形在一个委员会中获得三分之二的绝对多数是不可能的，这纯粹是偶然的。但如果攻击者可以操纵分配的话，那么他们可能会在一些委员会中获得绝对多数，比如这里的前两个委员会。

验证者群体，即委员会是信标链提供的一项关键创新。委员会由信标链随机分配，它对区块进行投票并形成共识。一个委员会的聚合投票被称为证明，它允许通过检查委员会的投票轻松验证信标链的状态，这种方式与通过单一验证者的验证相比最大限度的减少了区块大小和数据增长。证明委员会也加强了区块链的共识，因为在这种模式下需要相对大量的验证者才能串通起来创造一个分叉。此外，验证者集合是定期洗牌的，从而使得恶意验见证很难及时串通起来对区块链进行攻击。

来源：Flashbots

共识与 MEV（The Splurge）

在以太坊合并后，以太坊将对共识层实施提案 - 建设者分离（Proposal-Builder Separation）。Vitalik 的理由是所有区块链的终局是有中心化的区块生产和去中心化的区块验证。由于后分片时期的以太坊区块数据密度极高，同时区块链对数据的可用性要求也很高，因此区块生产的中心化是必要的。同时，网络必须有一种方法来维护一个去中心化的验证器组，从而使它可以验证区块并对数据的可用性进行采样。

新的构建者通过用户交易来构建以太坊执行的有效载荷区块，并将其与竞标一起提交给提议者（验证者集的随机选择子集）。一旦提议者接受了有效载荷，他们就会在区块上签名并通过网络进行广播。由于发送给提议者的有效载荷被剥离了交易内容，这种结构消除了验证者在前面追赶的可能性。在一个有效的市场中，区块空间市场的引入也激励建设者出价到提取的 MEV（矿工可提取价值）的全部价值，从而允许去中心化的验证者集收获大部分的 MEV 奖励。这种设置可以防止矿工潜在的破坏共识的稳定，并减轻有害的 MEV。提案 - 建设者分离仍然是一个开放的设计空间，你可以在这里‌阅读更多关于现有 MEV 的风险以及目前的研究‌和实施。

Danksharding（The Surge）

虽然提案人 - 建设者分离最初是为了抵制 MEV 的有害外部性和中心化力量，但以太坊核心团队意识到它也可以达到数据分片的目的。

以核心贡献者 Dankrad Feist 命名的 Danksharding 的主要创新是一个合并的收费市场，它取代了固定数量的具有不同区块和提议者的分片，一个提议者选择每个特定槽的所有交易和数据。该提议者是一个随机选择的验证者委员会，他随后对区块链数据进行数据可用性抽样。这确保了以去中心化的方式维护轻客户的数据可用性，由于合并后区块的数据量过大，想要进行单次验证是不可行的。由于共识节点也在执行数据可用性采样，这种模式统一了结算、共识和数据可用性层。

统一的结算和数据可用性层为利用有效性证明的 rollup 释放了令人兴奋的能力。ZKrollup 现在将能够与以太坊的执行层进行同步调用。这增强并提高了新的 L2 功能，如分布式流动性和分形扩容（fractal scaling），从而为在 ZKrollup 上构建的创新的下一代去中心化应用程序创造了条件。

Proto-danksharding

尽管 danksharding 对以太坊的未来充满希望，但它在合并后并不会立即完全可用。Proto-danksharding（EIP-4844）是完整 danksharding 的一个原始版本，官方计划在全面实施 danksharding 之前发布。该提案创建了一个叫做 blob-carrying transaction 的原始概念。顾名思义，blob-carrying transaction 是指携带称为 blob 数据有效载荷的交易。blob 是后分片时期以太坊的数据标准：它们与 KZG 多项式承诺捆绑在一起，并且由于与 EVM 的执行脱钩，因此它是一种比 calldata 更有效的格式。在当前阶段，rollup 使用 calldata 将交易数据发布回以太坊，从而导致了高的 gas 成本。在分片的未来，rollup 将使用 Blobs 为用户节省与 EVM 执行相关的 gas 费用。Proto-danksharding 的目标是为开发者提供这种前瞻性的数据格式，同时通过为即将分片的数据引入单独的格式和费用市场，为处理昂贵的 calldata 成本的 rollup 提供临时的缓解。虽然后分片时期实际上并没有实现分片本身，但引入分片后数据格式的标准化规范是建立高效的本地数据可用性层的第一步。

历史与状态（The Verge 和 The Purge）

以太坊状态和它的存储也是一个值得考虑因素。网路中不断增加的状态可能会影响以太坊的去中心化，因为验证者必须能够在消费者硬件上完成他们的任务。Proto-danksharding blobs 与 EVM 执行层分开，并在大约一个月后被删除。此外，EIP-4444 允许客户端在大约一年后删除并停止提供点对点层的历史数据。不管怎么说，在协议层面强制执行某种类型的历史过期是必要的，因为后分片时期以太坊网络每年会增加约 40 TB 的 blob 历史数据。区块链状态被要求存储在 RAM 或 SSD 上。然而，历史存储（以太坊已经达成共识的数据）可以存储在廉价的硬盘上。由于历史存储在诚实的少数人（1-of-N）信任模型上运行，因此，在执行实时共识的节点上存储历史数据是没有必要的。Danksharding 规范确保验证者存储并保证他们达成共识的数据在几个月内的可用性。之后，这些经过删除的历史数据将由第三方存储，如特定应用协议、BitTorrent、Portal 网络、区块浏览器、个人爱好者或索引协议。

资料来源：Consensys

无状态以太坊是路线图上的另一个目标。构建区块的区块生产者将利用一个见证（witness，这是一个证明），它由执行该区块中包含的交易所需的相关数据组成。因此，客户端利用这个见证来验证执行区块所产生的状态根，它只需要执行受影响状态的部分而不是全部状态。这种设计的主要两个障碍是见证的大小和见证的可用性。第一个问题可以通过改变以太坊的状态数据结构来解决，从 Merkle Patricia Tries 到 Verkle Tries，这是一个用于以太坊合并后的多项式承诺的更有效的数据结构。而第二个问题可以通过将区块见证作为协议级规范来解决。根据 Vitalik 在 Endgame‌ 中的结论，在保留去中心化验证的同时，依赖具有专业硬件的中心化区块生产者是扩展以太坊的关键设计框架。

总结

Danksharding 增强了从以太坊继承安全的 rollup。它通过将数据可用性与共识和结算层紧密结合来对以太坊的底层基础设施进行升级，从而允许 rollup 利用本地数据可用性解决方案，放弃验证和自愿的安全假设。这就为类似于 enshrined rollup 的架构铺平了道路，它通过允许在协议内部署整个卷来消除治理和智能合约风险。此外，通过利用 SNARKs 在协议内进行同步调用的嵌入式 rollup 将成为未来区块链扩展的一个有希望的设计。协议内 rollup 有几个好处：智能合约 rollup 当前面临的固定的、每个区块的 gas 成本被消除了，由于计算与共识脱钩，验证者将重新执行交易以验证区块的需要也被消除了，而且由于状态差异，现在网络通过有效性证明的属性得到了保证，无状态客户不再需要下载见证。这些好处允许以太坊有更低的结算延迟，更好的同步，更高的验证器带宽（因此有更高的 EVMgas 限制），以及更安全的跨链桥。以太坊基金会目前正在努力将这种设计直接落实到以太坊的路线图中，并计划将 EVM 升级为与 SNARK 兼容的 enshrined rollup。

在我们之前的文章‌中，我们讨论了模块化链下架构的好处，以及第三方协议正在开发的数据可用性、结算和执行的解决方案。以太坊路线图的主要目标是最大限度的减少信任假设，并通过实施本地解决方案来提供协议内的可扩展性。以太坊的基础层是整个去中心化应用生态系统的主机，它有望从根本上改变我们对数字时代的身份、存储、搜索、声誉和隐私的思考方式。将以太坊升级为基础层也提升了这个应用层，通过提供一个高度安全、强大的基础设施在全球范围内扩展这些用例，使用户和开发者受益。以太坊的愿景是成为全球范围内的数字未来；它对可信中立原则的坚持以及以太坊的网络效应、去中心化和安全性坚定了它在未来去中心化网络中的作用。以太坊主网的合并是管理以太坊实现这一愿景的第一步。

特别感谢 Raul Jordan、Sreeram Kannan 和 Coinbase Cloud 的团队（Viktor Bunin、Ben Rodriguez）对这篇文章内容的审查和反馈！