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# U- p& O7 q/ W% x 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 ' F* A1 G4 ^7 [3 p0 b9 T5 F$ _
! m/ W! A4 G: v- N5 {+ M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- r6 ^" b* M. p7 R
5 v3 a# I4 r5 W |" w1 i/ s% {
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 G- B( f3 I' n/ k, Z1 _
0 i6 o- I5 g% v3 L* \3 o& P 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! [- _5 ]8 }5 m( |
; b$ x: P) I2 D8 ~' T) \
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, [( o5 s9 q9 s) z6 d) ?
+ h8 m; N n, `# A0 N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。
% m' X; L/ x3 W/ y9 h
% t) {- c# e8 j) R8 q6 {* I5 W 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。+ o% v1 m0 }, u
0 x/ p0 f6 N: n8 I. ] 比特币协议最令人赞叹之处在于其优雅的简洁性:
+ R& u( B% W7 @- H2 c% e# p
) B# x5 y6 _; C% U' S$ L$ ^2 r, i/ A0 B# J: z e
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。6 o, B8 s5 x/ v8 Y ^0 J4 w
- Q; U& T& k2 c
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。
3 A. W% z& H& O8 q" D `
0 H# _# n4 r; V2 q; ]- x! N 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。; F2 l+ Q: ]: t9 H1 x
* P% y: a0 k6 v2 Y 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。+ p( l, a: l7 D. j+ X# c. X: c3 f
8 M- O( n- [# c$ b- \7 m N0 f
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:; I& u* z$ p; Z* V% }
" L; _1 l5 b* I0 J; f
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。
1 _4 q! l) g, k. T2 O6 Z: a* q, W- N
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。
" D* l3 e9 q5 r4 [& ]+ q5 ~8 W# [8 m5 ^( ?. l( Q
3. 减少维护负担:降低长期协议维护的成本。
9 [, |. B+ y- g6 f$ L2 I5 h" w/ }" N8 B. V1 J$ o; x5 e6 ]2 s" K: ^
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。
* q6 s7 k& h1 s$ b! D7 T& I2 A. D2 i( {
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。
' B0 ^( q9 M# T1 x3 V, C2 d ?; o/ ?' ~& U, H
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。6 `$ ]& I1 R# Y
; Q3 u8 _% e( S8 o) m" A5 l
本文将探讨五年后的以太坊如何接近比特币的简单性。
* b! B* E: {2 k. |
3 [8 X2 E1 t( O/ S/ S! V1 Y0 { 简化共识层
% X4 v% y/ D: s3 f) J
: k. H( J4 s/ j5 z2 F: |( ]5 ^
( |/ c+ Y- v2 H l' h5 F
' j$ D6 c$ X; C% q% d$ m" F 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。
" L" b1 u( c: ^# a6 z- @
! @; h! a) y D+ F' J1 n相比现有信标链,新设计显著简化:
: ~, L2 S/ g T0 [- o( N
( f& T' F4 M! w& M8 q 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5 {5 z% o2 O" H6 q
7 ?# k+ ~! N! p8 }6 u8 n- L约 200 行代码,且相比 Gasper,安全性接近最优。$ P: w t5 Z( z; U1 j7 ?8 b
$ u! Z; w7 y- N3 e3 u
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。
: y7 M( e' V: ~$ q' V
+ s. i1 Q4 E7 B2 q: c 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,
) z( l1 r; ~" _3 Q. S* F, t- {* F! u# k
系统性风险较低。
+ V5 O4 L( |, Y E4 k
* u7 g# M* J0 u6 E- E 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。5 `, u. M0 Y l5 b& ?2 Y; U4 c' F
, I3 Z( ?) j: e% s% G( @" Q! t" s
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)。
, f; q5 E/ Q5 B6 q) p/ w- U2 L0 l* n0 d# s- ~3 V
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。( x+ a8 B* v3 W9 b- P* o4 }
8 x! |, }/ h" g, o0 h# _
简化执行层
4 R& s- ?, D" U8 t, ?
/ D- D7 B; v( q9 G 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) j1 n- [# s0 D
3 q: k# U0 Z7 V1 F: {" k1 w, y
(precompiles)为单一用例优化却鲜被使用。) Q9 R" Z7 s, p2 \8 Y' d6 F/ v
. @# p2 r @, `7 f 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
7 F( q6 F4 b% d7 w/ a7 E& O4 T) q, [: V5 Z3 J
示出类似挑战。/ ]: J* C/ k: c. u) J; D- ?9 T7 a
1 L7 q% a7 t7 s, b9 O 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
; O8 s7 p' m( W
3 f5 ~4 \! p* @* r: A) k+ Z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
5 M8 i$ w) W8 Z* F) Z8 [- o/ {8 L" k- I9 }
以太坊 ZK 证明器使用的另一种虚拟机。这将带来:
" D% ~+ H1 f& f- g
% M/ Z2 n& r. O 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。7 ] E2 y; E& S- S2 p
5 f: Q* N' _4 P% U/ j/ ~
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。
5 E& ~4 {7 n$ Z% n% \# k' C$ Q$ ]# t0 R( @
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。4 [9 e9 a* Y2 d! l. q# o, k' ^
5 F M4 @8 A( m* x
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。- F7 r2 H n* p; s- S0 ?7 T
- a- Z4 B! x: N# U% k# C5 v. ?
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)。
- f5 l5 \8 E/ e/ f6 j5 Z6 d" O6 ^" t
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、$ O& m* H7 p0 m6 @7 p0 G
& N5 Q6 ?1 q+ d% s9 N: s支持 DUP/SWAP17–32)来缓解这一问题。) q' H `0 L' }9 u7 L% u% _2 L
* S1 I$ O" E6 Q( R6 }
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?: s" ~1 p* e8 H% @$ T
3 S# i! T6 N0 z0 ]4 n, J$ g9 _ _ 虚拟机过渡的向后兼容策略
5 _; G, c3 l& W6 M5 d% d0 [& g* j3 H$ O1 Q* s, G
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。8 B: o. y( k( [8 ^# `
( L) r) @/ h1 A 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。
) s$ q3 k7 |3 r3 H. t; x* a4 c! R' u ^" v8 k3 @
+ j: G) i& \* b' j 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。
& y9 y; _% h2 O( p; c7 m7 d+ {$ }3 w! i
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
, H! ^+ \+ n) h( {6 k4 {0 C0 _* H5 `: w5 S" R; t
形式化证明器可完全忽略橙色区域。
% F$ [8 T+ u0 P- K& y5 G) s
$ e* k9 Y+ A& W% m9 z' T9 \ 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
* X- V% t+ C$ x0 N+ D; M) Q$ ?7 T! Y3 }/ o3 n; r; g0 x! Z
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。
* O; a4 S9 W, \# B3 D8 F j- ^, Y8 v
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4 [* u" C3 T H# _" Z8 H6 ~$ f
0 U/ a4 N# j8 |, R; c域的代码复杂性远比绿色区域的复杂性危害小。
/ V: M( q2 V# L. P- j, z
+ W% d* r4 z) j6 Q% n6 |+ p 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。 ?5 Q! E( L8 D; ~4 C# R# }
. |8 c5 |! o$ p, I) c% X3 P 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。$ T; m( p1 E$ b& v' o
w. l. G/ j5 ?% Z, @
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。
1 @) g' A: V( N/ [8 E) D% l" c; }/ p. W7 v
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( D7 e; C, t. m9 u+ ~
) Z; J; `( {- X2 K% X# R
(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。
5 F( |4 l# C7 h' }6 X2 a3 k
% i! @; v* b* A \ 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。7 F/ h4 @/ K6 d. n: E2 s: r7 @
; T3 r; ^# l+ n1 i: e7 S
, s; e. z% `/ f 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。
5 g* g/ C+ U* l0 ]: @6 J
, G) X1 Y4 l/ p; M: l 通过共享协议组件简化
, u! Z k$ C k7 U' g: v: j6 e3 j- R! A2 ]% u
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/ m+ z5 R, i) o4 k A) U
* m% q# G1 G# v. w" a- l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。
1 ~: x; Q; Z0 C
- c- I1 h3 S* v J. ` 统一纠删码/ N# k6 U( B$ b$ H; a3 D% @9 X7 u4 A
+ v' I0 Y" x! u! ^, I3 c/ c
. `+ n7 P1 ?! b1 |" r2 C 我们在三个场景中需要纠删码:
. I! C# z0 N! s- E3 b; p! b! Z% o- i; M! d$ X! F+ F+ f$ F# y3 h
1. 数据可用性采样:客户端验证区块已发布。
9 j) G z' c( Z( R* k' O0 C' `( h: s. J% Y) l) L: w6 U; q) t1 Y
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。
% Y% N- `& p# X0 p% y, A5 S# n6 g8 V
, u+ |, A- l. T7 F/ d% V, n0 o+ u" z 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。3 z- I! N) g4 T g4 ~
$ X6 U' ?) ^, N& w0 x0 d 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:
& [. W, ^0 S* s
$ F: _: k s! N 1. 最小化代码量:减少总代码行数。
. Z1 F' m3 S2 g: `% O7 K* f1 n3 k4 h; @7 A. u9 [5 L5 u
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。
3 w$ ?! i& D( e3 J' Y& x, I% j+ M+ I' r7 [" `2 V
3. 确保可验证性:所有场景的片段均可根据根验证。
" b. b/ H" F2 M7 M: L
" u$ a8 }$ g3 v# k6 E9 E$ ]+ T 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。
1 {( ]4 j3 e n9 Y7 E( S
) o; `, C" a8 B2 s# }$ s 统一序列化格式
! i& Z$ g) _1 B U, r* e2 | ~
% ?1 Q+ {2 z, h! K4 l" d( f* M6 a. q3 M# G) ^
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
. R( E! T# c2 N ] |2 {( w. x0 h" z8 D' K& e8 L0 c9 v
度将因以下原因进一步提高:2 _7 @ ^& n; [( X% X6 K
; d& X* y/ h3 q4 h$ R {( s6 \ C
1. 完全账户抽象(EIP-7701):交易完整内容对虚拟机可见。+ ~4 D" _& I- x0 r# Z: o U4 D
" U* D0 [, |% H" o. z; E 2. 更高的 Gas 限制:执行层数据需放入数据块(blobs)。. y' _0 x6 R) Y% O( r4 L6 d+ i
. ^' m5 V: G( Z" C E 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。- f! X: |, \+ Q: I p- J
2 M" n ?0 y" ^3 |. Q
我提议使用 SSZ,因为 SSZ:8 y' Z" y R. R2 `. s! ^7 m
& k7 b4 r; [; H8 t, _
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)。
5 ~1 V; I9 z7 Y4 m$ @9 `+ q- U' z* V" G( Q+ z# F% E$ ?
2. 已在共识层广泛使用。/ f) O5 ~4 u$ R. n8 e
1 D: I; c- O+ {$ g# z. }1 J
3. 与现有 ABI 高度相似:工具适配相对简单。
% p$ ~5 o7 x% y4 H! n1 |) s. }, H( h
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。- |5 x. W$ H; K5 k7 O6 ]
6 `1 n; {$ L& L9 b8 O 统一树结构
& ~# S/ ~, X/ q) E: d+ [9 [, A+ P
' G# v7 h* T6 s3 ^2 \$ ^$ f1 L% T' ?( d- ]; C
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- H: N1 X( y0 c) `
. k0 m% G; W$ a4 a( E, }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。
2 A7 J# K! J; t$ z: ^. {2 E
& f4 Z- v- s/ t% ?# x3 p" |/ \ 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。
# _7 D* K. h3 E/ X, F. @) ~0 o$ [) B! L1 Z
从现在到未来
! \% V C8 h, l2 c/ b7 | i" V7 H, K5 c& \" b) r3 O& s" f& G
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
/ y4 `7 O3 O4 N2 h7 ~# I0 F% G4 Z% x4 q4 S
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。
E$ J$ W: X0 `, X
! W2 J! Z: u% _ S 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
# V D7 _) P* v2 i; m* D7 h4 T, @% ~2 K- Q( ]/ P9 S7 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。
. h) K: h, ?, d; p: z% j5 O$ X+ C5 o, W+ w
1 F: C/ m: M2 J/ \! i9 x3 q0 l" m9 W# R9 I \" f! V
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