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( k/ `3 v; ^3 J9 {
. ^) v/ I! N& o( ^0 l& m
以太坊旨在成为全球账本,需要可扩展性和韧性。本文聚焦协议简单性的重要性,提出通过简化共识层(3-slot 最终性、STARK 聚合)和执行层(替换 EVM 为 RISC-V : \9 V8 S q; P3 y; D! T3 y
. ~! @$ G: z2 t. v
或类似虚拟机)大幅降低复杂性,减少开发成本、错误风险和攻击面。建议通过向后兼容策略(如链上 EVM 解释器)平滑过渡,并统一纠删码、序列化格式(SSZ)和树结* W# V; j; Y" h6 l. p
2 N; E& l' I: R" ~7 C
构以进一步简化。目标是让以太坊共识关键代码接近比特币的简单性,提升韧性和参与度,需文化上重视简单性并设定最大代码行数目标。7 ?- K$ M3 e2 T c3 Q
9 D$ o% g5 K* ~. [
以太坊的目标是成为全球账本:存储人类文明资产与记录的平台,服务于金融、治理、高价值数据认证等领域。这需要两方面的支持:可扩展性与韧性。Fusaka 硬分叉
7 } R! M5 I) S7 U: j& p) V
2 h0 g# [6 @$ R! N8 a, f1 j ^. S计划将 L2 数据的可用空间增加 10 倍,而当前提议的 2026 年路线图也计划为 L1 层带来类似的大幅提升。与此同时,以太坊已完成向权益证明(PoS)的过渡,客户端多样$ x7 q: d5 s8 w! H |. [
0 T6 F6 A6 R3 A! j8 k' R
性迅速提升,零知识(ZK)验证、量子抗性研究也在稳步推进,应用生态日益稳健。
0 [' K0 ]) q8 ~) |" f: V4 {! a9 x5 t+ u7 f8 r" p1 z3 K& m5 X# A! `
本文旨在聚焦一个同样重要却易被低估的韧性(乃至可扩展性)要素:协议的简单性。
. }, @2 E/ i5 Z; c0 l/ U% s4 K. {- ~$ @2 K5 D2 Z+ J8 ^
比特币协议最令人赞叹之处在于其优雅的简洁性:
4 |3 [0 _4 ~% N2 k- a# ?
n+ A6 k6 J! Q: j( G+ i5 a! r3 T3 v( K% Q+ O
1. 存在一条由区块组成的链,每个区块通过哈希与前一区块相连。
* j, e6 \/ q1 T% x4 h. z1 U2 r
2. 区块的有效性通过工作量证明(PoW)验证,即检查哈希值的前几位是否为零。; f& M5 y* d0 {* k# A. H
& L& C7 y2 N7 B, A
3. 每个区块包含交易,交易花费的币要么来自挖矿奖励,要么来自之前的交易输出。
# E0 L9 v" C* Q6 N$ H
% J7 U6 a! z# C! Q 仅此而已!即便是一个聪明的高中生也能完全理解比特币协议的运作,而一个程序员甚至可以将其作为业余项目编写一个客户端。
: H( n& ~& W9 j1 g3 J H* Q$ n6 n& }2 U
协议的简单性为比特币(以及以太坊)成为可信、中立的全球基础层带来了诸多关键优势:
8 q) w. F" f* j, B! t3 V9 X5 _/ u. t
1. 易于理解:降低协议的复杂性,让更多人能够参与协议研究、开发和治理,减少技术精英阶层主导的风险。
: m& D& _6 h, ^+ ^% x2 q% z8 M6 I" @* D" a, ]
2. 降低开发成本:简化协议大幅降低创建新基础设施(如新客户端、证明器、开发者工具等)的成本。
! \7 \4 Q( A. c( `: a# h, h+ t0 t- t$ Y4 r5 s) k
3. 减少维护负担:降低长期协议维护的成本。
; O" e$ f' y" g1 f
: n* H$ Q6 i* ]3 Y 4. 减少错误风险:降低协议规范及实现中发生灾难性错误的可能性,同时便于验证不存在此类错误。
3 A, A& l- I7 a. r
7 D% z! e' L# m# n1 d) ?9 H+ t7 P 5. 缩小攻击面:减少协议的复杂组件,降低被特殊利益集团攻击的风险。
4 A% N: Y+ a1 z% G: f
$ \; ~ r) T) t% z& d 历史上,以太坊(有时因我个人的决策)常常未能保持简单,导致开发成本过高、安全风险增加以及研发文化的封闭性,而这些复杂性追求的收益往往被证明是虚幻的。
% ^* W+ E6 m* y* d) z+ i9 X5 q+ O& K, M
本文将探讨五年后的以太坊如何接近比特币的简单性。6 h$ _3 E0 T" A( Y5 c. |
& Y/ p5 r* |/ D7 n8 {' P 简化共识层7 d' s& K% o7 t+ `/ k% p9 t' f
) U0 D4 ~% x4 u0 Q2 z" y P% ~
6 H# m! b5 X: I' @
7 Y( ~' D7 b% | 新的共识层设计(历史上称为 “信标链”)旨在利用过去十年在共识理论、ZK-SNARK 开发、质押经济等领域的经验,构建一个长期最优且更简单的共识层。
* C! s! T* d; n1 A
% K) p7 d: M- N! F, \* ^0 h0 d" N7 q$ F相比现有信标链,新设计显著简化:0 m7 @0 A# y! c! e0 y. j, g
8 M, ^ ]) k5 J- r d
1. 3-slot 最终性设计:移除槽(slot)、周期(epoch)、委员会重组等概念,以及相关的高效处理机制(如同步委员会)。 3-slot 最终性的基本实现仅需
F2 S$ C4 c/ h2 n2 m7 [) r4 E# y; W; Z; `
约 200 行代码,且相比 Gasper,安全性接近最优。
2 v* {% k! |% F. U, B1 [3 C% A+ h0 ]4 L6 v6 f
2. 减少活跃验证者数量:允许使用更简单的分叉选择规则实现,增强安全性。) @9 b9 }% A& q& X/ A
& @. n3 e, X' }8 ?
3. 基于 STARK 的聚合协议:任何人都可成为聚合者,无需信任聚合者或为重复位域支付高昂费用。聚合密码学的复杂性较高,但其复杂性被高度封装,) L+ P- e* ~0 p
! `4 ^7 J5 b, U; G- ?7 A5 r: \ Q+ q6 U
系统性风险较低。
& _0 y: V9 q+ D/ V# a9 v5 ]- _) x l1 K$ r( Z W) q- Q
4. 简化 P2P 架构:上述因素可能支持更简单、更稳健的点对点网络架构。
) h& o4 Q$ A4 [/ M. N0 Y, u2 H3 ]3 t
5. 重新设计验证者机制:包括进入、退出、提款、密钥转换、 inactivity leak 等机制,简化代码行数并提供更清晰的保证(如弱主观性周期)。 H. G( r! M. @8 V% q
* t$ c! H% j* y7 K
共识层的优势在于其与 EVM 执行层相对独立,因此有较大空间持续改进。更大的挑战在于如何在执行层实现类似简化。
& w# a2 v! T# F9 g9 V* z, b i6 {- X6 k2 n7 h& L
简化执行层5 I5 c: d' p2 N' i
! V( h& ~ N& C- L. Z0 d( T- X EVM 的复杂性日益增加,且许多复杂性被证明无必要(部分因我个人决策失误):256 位虚拟机过度优化了如今已逐渐过时的特定密码学形式,预编译
+ a' O& w& }& x, K* `
( H4 v. x/ K: j( g(precompiles)为单一用例优化却鲜被使用。
1 J8 J! y. V8 Z5 r
; H" T( g2 \2 s0 j# r 逐一解决这些问题效果有限。例如,移除 SELFDESTRUCT 操作码耗费巨大努力,却仅带来较小收益。近期关于 EOF(EVM Object Format)的争论也显+ D. R) o( v8 s6 [( p8 p: \1 r* ^: H
+ c' `/ B+ W [& x& W
示出类似挑战。8 R# ~2 s/ h4 I" f8 v
$ v- l& W' X8 W2 D5 D. h
我最近提出一个更激进的方案:与其对 EVM 进行中等规模(但仍具破坏性)的更改以换取 1.5 倍的收益,不如向一个更优、更简单的虚拟机过渡,以
p/ [7 s/ P! h; K7 r
' f3 n7 K- i# k" b实现 100 倍的收益。类似于 “合并”(The Merge),我们减少破坏性变更的次数,但使每次变更更具意义。具体而言,我建议将 EVM 替换为 RISC-V,或. L9 `& c; H8 d% ]9 t6 D# }
8 F7 r5 d: W" P9 q以太坊 ZK 证明器使用的另一种虚拟机。这将带来:
9 q/ c$ z y# ]/ P' _" `, u
. n8 `5 A6 a$ b( k, q 1. 效率大幅提升:智能合约执行(在证明器中)无需解释器开销,直接运行。Succinct 的数据显示在许多场景下性能可提升 100 倍以上。
) }/ X: g" b4 k6 j) g- f! i
! H6 m+ P# I# n: _% V0 V/ A( ^% l 2. 简单性大幅改进:RISC-V 规范相比 EVM 极其简单,替代方案(如 Cairo)同样简洁。
E7 Q- h. o: u+ M) k- o
1 W- @$ D/ r4 ~ 3. 支持 EOF 的动机:如代码分区、更友好的静态分析、更大代码大小限制等。! U8 v5 |7 O3 t$ J! D, S7 k- |
( ^+ O! P# { h l# o) a" }4 e 4. 更多开发者选择:Solidity 和 Vyper 可添加后端以编译到新虚拟机。若选择 RISC-V,主流语言开发者也能轻松将代码移植到该虚拟机。
w& P/ k& l0 N) |% E5 m6 Z* b' q
) x3 b7 @+ _( o3 I( o4 d# C 5. 移除大部分预编译:可能仅保留高度优化的椭圆曲线操作(量子计算机普及后连这些也将消失)。) M4 `0 U- B% @1 `+ I1 S: m
]9 B2 u2 s6 x8 J* }
主要缺点是,与已准备就绪的 EOF 不同,新虚拟机的收益需较长时间惠及开发者。我们可通过短期实施高价值的 EVM 改进(如增加合约代码大小限制、
: t) ^8 t. \0 `5 c" {& K9 r
5 [8 R7 s" v: l. Q. u# \0 S8 I支持 DUP/SWAP17–32)来缓解这一问题。
`: ]5 D$ x; t4 ^9 Q$ t0 q9 ]6 N8 u: H
& P9 g1 z3 \) i. D 这将带来更简单的虚拟机。核心挑战在于:如何处理现有的 EVM?
6 J: m, \/ J; R/ y. F' ?: g1 @- t2 [: o2 C- L" e
虚拟机过渡的向后兼容策略& x: n# b% B. J0 l! \
* z! |( ~2 M# {6 `- I2 q# r3 I/ F, F
简化(或在不增加复杂性的前提下改进)EVM 的最大挑战在于如何平衡目标实现与现有应用的向后兼容性。- j& ?5 ^ c2 O' n# f# d H) o0 N* A7 v
. K8 M# |9 `% Z: J4 z/ B$ J4 }
首先需要明确:以太坊代码库(即使在单一客户端内)并非只有一种定义方式。
1 f4 E' A. D* v; t
& I& D! f2 n% J' s5 F7 N$ C" u w. ]9 I. p4 {/ l& Y; ~! @ F
目标是尽量缩小绿色区域:节点参与以太坊共识所需的逻辑,包括计算当前状态、证明、验证、FOCIL(分叉选择规则)及 “普通” 区块构建。
0 o( o" o3 g* G" A, d/ L& |2 F) s. H% m8 c
橙色区域无法减少:若协议规范移除或更改某执行层功能(如虚拟机、预编译等),处理历史区块的客户端仍需保留相关代码。但新客户端、ZK-EVM 或
1 z7 |: ]. N8 g8 l& ?
* \% A+ m3 Z* \. A3 l形式化证明器可完全忽略橙色区域。+ |4 C% B& r1 Z- X5 X+ a5 r
. p! Z. |% A$ a8 U, { 新增的HS区域:对理解当前链或优化区块构建非常有价值,但不属于共识逻辑。例如,Etherscan 及部分区块构建者支持 ERC-4337 用户操作。若我们9 o/ m0 R& \; a! m( g* e0 S) P
' W3 d- u" }. c5 C4 f2 L; `
用链上 RISC-V 实现替换某些以太坊功能(如 EOA 及其支持的旧交易类型),共识代码将显著简化,但专用节点可能继续使用原有代码进行解析。
3 `2 E+ T: U- z1 Q- p, E0 a0 }( H0 p( `6 @" [4 O$ _
橙色和HS区域的复杂性是封装复杂性,理解协议的人可跳过这些部分,以太坊实现可忽略它们,这些区域的错误不会引发共识风险。因此,橙色和HS区
) d9 h5 z( U+ L6 A- ]
: P; M, j6 M0 @/ K; |域的代码复杂性远比绿色区域的复杂性危害小。
) k; P3 `; P7 D# T, Y2 b+ s6 N4 z9 e' b9 w4 `$ _' \3 Q+ o' r
将代码从绿色区域移至HS区域的思路,类似于苹果通过 Rosetta 翻译层确保长期向后兼容的策略。" x( c7 S$ F; t; ]+ |, }/ d# Y" d
6 u; ?' |' N, ?- g. |
1. 要求新预编译提供链上 RISC-V 实现:让生态系统逐步适应 RISC-V 虚拟机。% Q* V4 ~% M! L0 Q
2 @4 O$ H% a# o1 D+ J9 d 2. 引入 RISC-V 作为开发者选项:协议同时支持 RISC-V 和 EVM,两种虚拟机的合约可自由交互。
$ U- ]& c4 C4 e( f
! c9 e6 l( P- i+ z8 B, h 3. 替换大部分预编译:除椭圆曲线操作和 KECCAK(因需极致速度)外,用 RISC-V 实现替换其他预编译。通过硬分叉移除预编译,同时将该地址的代码3 A+ {. Q0 V, i0 T7 g- Z
# w" H! c6 H) f' p7 {(类似 DAO 分叉)从空更改为 RISC-V 实现。RISC-V 虚拟机极其简单,即使在此止步也净简化协议。 e1 g6 \ {% M* c4 A
% K# L3 ~7 [/ w& z
4. 在 RISC-V 中实现 EVM 解释器:作为智能合约上链(因 ZK 证明器需要已进行)。在初始发布数年后,现有 EVM 合约通过该解释器运行。9 E F- p* p8 K: H
: L/ `" X9 I7 P, y& m$ ~' w, ?1 z8 S7 u
完成第 4 步后,许多 “EVM 实现” 仍将用于优化区块构建、开发者工具和链分析,但不再是关键共识规范的一部分。以太坊共识将 “原生地” 仅理解 RISC-V。; z- x: U$ h) e0 w9 M5 K+ ]+ a# p
6 h( r2 R8 h4 m) n" u
通过共享协议组件简化9 A; i0 x/ S0 A4 `. k Z' u0 ]
: k0 a; ^( s" N+ X( B$ R0 ? 降低协议总复杂度的第三种方式(也最易被低估)是尽可能在协议栈的不同部分共享统一标准。不同协议在不同场景下做相同的事情通常毫无益处,但这种
: ~, J: b$ B3 g. [4 R2 p- n. C6 t
& v! j! N+ ?; h; P模式仍常出现,主要是因为协议路线图的不同部分缺乏沟通。以下是几个通过共享组件简化以太坊的具体示例。
7 t# ]7 h/ r# Y: M" h% f
$ i. Q3 e( o; H 统一纠删码' O; Y# @$ x/ ^) n/ G1 I* g
& N# M' B& r& U+ w1 r, ?8 ^+ h
+ K: [* D. |# `3 }5 D; d r, P 我们在三个场景中需要纠删码:
" L0 |. e; l6 t
& ~0 \; C, J' f: Y! p- @, \ 1. 数据可用性采样:客户端验证区块已发布。
# ~1 T. u! t& X# i1 ~# K
- C+ r; l, i/ G8 H 2. 更快的 P2P 广播:节点接收 n/2 个片段后即可接受区块,在延迟与冗余间取得平衡。
( ?( b* h, R9 K/ ~# |# f3 d) l" i3 Q4 A3 A6 k$ B$ x
3. 分布式历史存储:以太坊历史数据分片存储,每组 n/2 个片段可恢复其余片段,降低单一片段丢失风险。
: a; r1 d: I1 y- @) y, }, i
1 F/ m4 R' C) s/ F 若在三种场景中使用同一纠删码(无论是 Reed-Solomon、随机线性码等),将获得以下优势:5 W3 d- y2 D8 V
! E3 y' D- G4 Y1 h
1. 最小化代码量:减少总代码行数。7 ^ r( p6 d. g6 P1 x7 k
/ f: `* F, q% R* I 2. 提高效率:若节点为某场景下载部分片段,这些数据可用于其他场景。
! p7 g9 k) B1 P; s- ~
+ S7 d6 n1 A5 Z+ ~" G& }7 N+ }9 W 3. 确保可验证性:所有场景的片段均可根据根验证。
% \- Q) s$ n. a" c- i6 z" z
7 r: M7 A7 n9 V6 W/ W9 u 若使用不同纠删码,至少应确保兼容性,例如数据可用性采样的水平 Reed-Solomon 码与垂直随机线性码在同一域操作。
) z2 G# f% O) n( w
* G6 h" z1 s$ K5 y8 m8 k' @' H 统一序列化格式
j) Z8 c! e! L! Q( x8 [$ R7 S1 I* O& ^
1 Q# Z4 z& J& a5 `8 j8 l
以太坊的序列化格式目前仅部分固化,因数据可按任意格式重新序列化和广播。例外是交易签名哈希,需规范格式进行哈希。未来,序列化格式的固化程
; s( z& F6 `5 h- P. L7 a
: C/ d- k4 i+ L, N5 c9 H; J" ~, g度将因以下原因进一步提高:/ V7 L j7 w1 R& C
Z6 }1 i) `* w7 i. o7 P 1. 完全账户抽象(EIP-7701):交易完整内容对虚拟机可见。
0 }: S2 F# K* o" q+ {& L! G1 l+ T( j6 K& ^/ O! [% ]
2. 更高的 Gas 限制:执行层数据需放入数据块(blobs)。
" V @2 _* u9 A* L% z+ d9 ~* w. H) g- J
届时,我们有机会统一以太坊三个层级的序列化格式:执行层、共识层、智能合约调用 ABI。7 F- p- ~8 w7 ]6 |9 A& r" b
8 P. D& x2 U4 o 我提议使用 SSZ,因为 SSZ:5 X, W# C9 u4 P% x
; q: n. a+ h. d' s J6 \, [6 ?
1. 易于解码:包括在智能合约内(因其基于 4 字节的设计和较少的边缘情况)。
. {, q, }& w. N" _3 s
% @; a+ K5 `4 u, I9 N 2. 已在共识层广泛使用。7 F5 |4 n- j; _5 x/ U" }
9 w. A8 b0 w# D. F- V8 w7 K- B 3. 与现有 ABI 高度相似:工具适配相对简单。
" y8 T' J% L) H7 S1 ?) ] L: h, q7 J2 y# f: k G9 Z
已有向 SSZ 全面迁移的努力,我们应在规划未来升级时考虑并延续这些努力。
+ h0 r* B4 q4 I1 G r2 t2 f) d" W6 l; _
: M) o3 ^/ M! j; r0 ` 统一树结构1 K# V7 U- b+ u p$ o1 S3 s
9 E+ ^' F4 Q" n1 h8 B( a- d
" M2 h2 N* F8 N/ T
若从 EVM 迁移到 RISC-V(或其他可选的最小虚拟机),十六进制 Merkle Patricia 树将成为证明区块执行的最大瓶颈,即使在平均情况下也是如此。迁移9 O5 A, @$ {3 W; P _
: C, n# @* g( k
到基于更优哈希函数的二叉树将显著提升证明器效率,同时降低轻客户端等场景的数据成本。0 L" K0 J; c2 F$ ~( ]0 Y
4 N1 P" c3 Y: ~$ v8 J 迁移时,应确保共识层使用相同的树结构。这将使以太坊的共识层与执行层可通过相同代码访问和解析。
8 o5 i, B' J/ b- r5 R" s* W$ `/ @# m4 s* P; G
从现在到未来1 |+ ^3 R- z! e' [" N; X
8 r6 Y$ t( ~( t3 s" S* g/ i
简单性在许多方面类似于去中心化,二者均为韧性目标的上游。明确重视简单性需要一定的文化转变。其收益往往难以量化,而额外努力和放弃某些耀眼功- o5 j; C$ t' x8 C
5 I; p6 x8 F# M# t' V' L$ N能的成本却立竿见影。然而,随着时间推移,收益将愈发显著 — — 比特币本身就是绝佳例证。5 P( D( w! M% w, A3 q8 f3 v
7 x- `. M1 ~) I 我提议效仿 tinygrad,为以太坊长期规范设定明确的最大代码行数目标,使以太坊共识关键代码接近比特币的简单性。处理以太坊历史规则的代码将继续存
8 B( p9 y( U: B, Z$ l* r$ s; p& z2 K# |. t
在,但应置于共识关键路径之外。同时,我们应秉持选择更简单方案的理念,优先选择封装复杂性而非系统性复杂性,并做出提供清晰属性和保证的设计选择。% J" j$ w! d6 c; W* F
# {, U% J* j; ]" }9 G
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