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# u" i7 Y2 Z" s( k# H5 e' K9 K* E2 |: n8 `4 k
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 " N: f7 w* O% x, a1 c k) e% d
2 i; Z9 B" e3 A3 a& j$ Z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
0 h- |" w9 H; Z+ i
; y+ M- e9 r7 E2 g7 ~+ ^, |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。8 L# C% } }0 h
1 p$ K9 L& e1 b1 H; T+ C
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
3 P% {2 e! U; i0 }+ @3 b
: b7 |4 d7 w3 V# C V" M0 \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3 e) e2 n2 H# [" I( r: `
" B3 l0 \! Z' A K* i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" ^! m- r$ M. v7 U$ a
1 r* B9 c: `4 B9 o8 A2 \3 t
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。
. P' ?5 R4 w, f3 \- x4 V$ ?. x4 I5 A* M B
比特币协议最令人赞叹之处在于其优雅的简洁性:
# ^# }/ `6 t6 x# e+ l+ q
$ k7 Y: W' E, u& U* i' Q
$ a4 T C" D7 { 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。- Y+ J) n; U0 K h o8 F2 [7 S
4 m$ v) x" k2 i: |
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。1 r) X3 V% w* K l6 i m% g
" w# T2 L( j! S: F8 |
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。9 o- P1 g5 U' q# d: K5 Y% l
& v# K7 y9 c I* x# h5 ]" m 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。
5 Y# L. N. M( q3 K: T) P
9 D0 ^/ t: z0 X9 I7 {' b0 Z 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:" {* L0 a+ Y# X
, N2 m* v( L& M" A0 v/ u. o5 J 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。7 x* G0 d! u: h$ s) T
- [' [: @2 Z5 M! k% I6 E S* Z
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。/ q/ X2 y5 N. H, G9 a2 y, P
. C8 f3 A6 r% F/ c; Y' a
3. 减少维护负担:降低长期协议维护的成本。$ B! X1 I4 y5 }
/ Z, a) }# b3 O+ i- X+ R+ A 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。
+ |, E* F5 B' T9 R: t6 R, _& _
( V# F5 L5 W& x/ q 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。
0 R1 k" |. L4 h" h4 W0 ~( e: Z' h A+ X
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。
9 E4 R9 v [2 k" ] M( V1 B" w0 a5 a% F5 U8 y( w
本文将探讨五年后的以太坊如何接近比特币的简单性。
% P/ n% J% W( ^8 e! |
4 o8 Z- X: \; q# c 简化共识层
8 V+ T" R3 {- P& O7 X! E1 i2 Y$ ^& ^2 h
! Z0 {7 p" ^* S ~
+ |6 F) s% k$ q& i# {6 `2 V
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。
7 n1 u; c; D' R b3 G- o/ i7 X: X! g1 w( w- w
相比现有信标链,新设计显著简化:) H6 ?4 L& j% s; Q7 o
8 ?+ ~2 e% `3 e/ [% E 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
+ w3 Q- X$ [4 M. L5 \* D A3 m& C7 i5 I7 Z Q
约 200 行代码,且相比 Gasper,安全性接近最优。
( i0 e0 l; D: ]6 m% Z% J; ]* n4 O
9 O A* Z8 f: Y. v9 q/ n" ?) T; Q 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。
6 M5 {3 D$ a0 O2 C7 s4 {7 h5 @+ G: W, b% h @
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,( D; `3 J- g$ r5 j) W; P
+ |; x1 r ^/ I" w# m8 ~系统性风险较低。; e8 M W5 E% a. l( o4 C
" `- e, i- G0 Q5 U
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。
4 E- F- p" w( J, Q/ i
: l& u1 z# J1 p 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)。# m4 O5 B% ?' p! p6 F: y+ `; Z
0 }, V" j. P: ~. H7 r, n
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。3 W1 m4 V. n( A) x0 p. e* ?
1 z8 v% J8 ?, f. h5 g0 [ y 简化执行层$ t* E. J& y3 E9 W' F& d0 U
, Q7 ]" H% B8 w3 ?$ q1 x/ ?6 y& `7 U/ V 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' l( N4 E8 X8 g3 R
4 u; o* F! `! m" T1 a. n- R(precompiles)为单一用例优化却鲜被使用。
( [' y ~# w5 w$ j
5 C0 @" D4 I+ Y% F# a, K2 L 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
+ f- k" m+ n1 J3 j9 K* c* S4 g3 Q
1 k- ] {# l3 G# f, I) c' h示出类似挑战。+ g; c% ?# t9 ~6 x: Z
3 E& a2 H& J& {5 Y: l5 c" }! B
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! g1 C$ R: o+ p1 E' E6 K5 W( \
- u U; y) t6 X. b/ |1 _7 ^
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+ S, \% `6 n' o* e# Y! a( ?- L
* B: o4 c) e9 X1 k4 Z以太坊 ZK 证明器使用的另一种虚拟机。这将带来:2 M; ]# ^, t5 {! [) r
( y* D$ Q6 ^$ u
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。
6 j/ H6 O6 M, ~0 V! D6 {
% U9 j( j2 L( ]2 E* s/ H: m 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。6 H5 M: \$ O1 D; y8 F
8 {& o7 O2 e9 p: X, E9 y [; n 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。
6 T _1 Y3 ]' n& o* Q' W' M _7 z: g8 l1 y, J
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。
* j' A1 V& c# N% Z2 i+ i: o
. b$ P& o2 i8 u7 c+ ~) x& K 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)。3 W( F2 F5 ]1 r9 s& g( J) `6 T
. T3 I3 [5 ]: E! 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、0 o7 ]- D5 F S6 [* W; ^
& C* @: o) g- t
支持 DUP/SWAP17–32)来缓解这一问题。
K! t& J: k }! }1 f3 C7 S- i0 \
4 G! P# Z7 X. h 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?( E+ Q# o) N0 g" o0 x
; w0 T' x: N. }7 W+ |. B" t
虚拟机过渡的向后兼容策略/ ] `& m0 k9 Y% S2 V4 ^6 k
& Y9 ?: t9 Y# i0 z
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。
3 K; ?7 [! @' I2 [
- d5 Z5 y$ e# ^3 ] U h/ k: | 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。9 {5 u: r/ r% Z) Q) M1 ]+ G+ B
+ q* h9 `0 `+ O- C9 P- p+ r- y% [) n
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。: s3 B J! U1 e; E6 f6 }
7 A* a* e" o2 r/ ^- q, p7 {
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$ U! w8 H6 z0 `" }% f
- ^- g$ i* l& c7 R; P形式化证明器可完全忽略橙色区域。
; q U5 t7 {; F* P! T
" r$ l A) ]! l4 B8 @ 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
, I9 b4 d6 O/ |- \/ P! m0 [8 j, u$ x5 H1 z2 O
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。
1 f7 W3 Y- J: q3 }: p. @+ u, y2 s6 Q4 W
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
& C' O$ w, x9 I! @7 F3 c
1 M6 N' U, Z8 c0 `6 ?- s% l域的代码复杂性远比绿色区域的复杂性危害小。# ~. s0 O6 j; m0 m1 L4 G
# @, h6 @5 _6 j5 e
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。
# m# S% G3 R, K. H2 G- [0 \
- k% `4 j& F4 ~# b# m 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。4 ?0 l$ x& b I% p
7 R% t) x( X1 {1 O P( e9 [+ 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。4 t- z# I+ F8 P1 D; e% x4 r! F
$ m* c% _" Y+ E7 _. \5 C" h. Y
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 O# S8 O6 X8 L
8 {2 i9 | W C(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。( \0 E; z* |/ k6 T" b& C
5 X1 t$ i& X3 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。
' O; F0 P/ h- u3 C7 Y L3 P+ y& M; ]3 {) U3 ]: j, t# Z
: b3 b; h5 }! T0 U0 S
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。
! m0 j7 F, i0 w9 n8 q( ^* ?( B% N. Y( O1 f/ R/ Y: J% t/ _. a7 S
通过共享协议组件简化
; ?: O; S, q* a6 h
2 ?9 i* Z% U2 r9 X 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1 n; M! `& E) B. r1 N- u& y
% p' M) W: X! C5 |8 G8 r( \
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。
3 Y: c- e8 {' _2 O) k+ H8 h) E" P C
3 \" p5 Z) i6 ~9 |0 z5 g# Q 统一纠删码
6 Q( r' f& R" ?( r3 x% u8 d. i9 [; y k
5 v; O# E9 M7 N8 s$ c5 ^% w4 t7 E; B e8 Q7 n) E( B- C5 k( ^
我们在三个场景中需要纠删码:
, u3 r) ?6 t7 z% ]. Y8 ` k$ A) J. d3 I7 e% F7 Z; ?$ r7 o
1. 数据可用性采样:客户端验证区块已发布。
: U$ Z3 m4 T7 A! B0 Z
0 B. L" s* x. r8 f7 u 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。9 {5 v! X+ }! G1 k3 A3 H$ z6 U
, ]) c$ m, o3 N 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。 ?' j8 E3 V2 {" G3 {; V& N
9 \6 y, a8 Y8 v 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:8 ^' _, F! B0 z3 L. R- G, P- M
( n8 s+ P" p% _4 P5 p
1. 最小化代码量:减少总代码行数。
; D6 G6 w3 J- v g5 U
6 A* }/ X+ b) B1 N% c6 P9 R7 b 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。+ ^, J7 ~) @0 H; s, S
/ V' K* y! ^; @5 M
3. 确保可验证性:所有场景的片段均可根据根验证。0 m# O b" w: [1 H* W
! _- r$ `1 A) ^1 G% _& ~ 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。7 Q' G* y6 X. M/ V, j- J
$ z) g! b* E# B, t5 x
统一序列化格式7 D! b' B$ U' S! E& b6 p8 U. `" X
1 z# g7 o- o5 V/ y
6 l3 M: J# K( ]. ?/ F: \
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
( v5 h: i4 L2 f6 s
# t( A. a- Z" S& Q, W) f7 _% C度将因以下原因进一步提高:
/ q ]" {4 B* j1 ~ i4 O% C) s- T/ u; V+ [. j" _+ ~5 r5 i
1. 完全账户抽象(EIP-7701):交易完整内容对虚拟机可见。$ c+ S) l+ A/ g! `/ A
3 r% T( d8 t! K+ l1 v. `
2. 更高的 Gas 限制:执行层数据需放入数据块(blobs)。
' D) d! o3 \7 D5 p5 P" Q% ?% s5 Q3 h* M: ^6 F
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。
2 J( m/ x, r, o2 Y2 S, u: r/ l
; ?$ Z$ l. Z. h4 y x0 V. k 我提议使用 SSZ,因为 SSZ:! g" |3 | T1 B4 L" s6 J7 O0 O/ H
* L/ S# h9 Z) s2 j# b$ _ 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)。
/ s! P1 j3 E. C" V0 K9 o9 K" i4 O0 b% e
2. 已在共识层广泛使用。
9 B W, o# g# j; O9 l6 c6 m& h7 A: T% z' Y% `
3. 与现有 ABI 高度相似:工具适配相对简单。
( O: j% e) d& G' W' r% ~/ n' D
2 C3 n5 H' d- s% | F; q 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。9 r, m: {, |/ m. i- f6 `, e- k
& }$ w! M9 j( w9 I% f) } 统一树结构
# O6 K, p+ P3 ^8 {4 i
* [& G6 r! Q! D
1 v1 h+ j" H8 D- ^ 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3 f6 t; t9 t/ c8 v$ L9 D c- ]. ^ `
, `( s1 F9 {1 k2 Y, c& I- P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。7 F. k/ K& j/ N0 @7 J2 ?4 j
6 _6 W* l. x- k( }7 s6 U
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。
5 C e* Q2 v; J& h: {$ |% {% T! s. f
从现在到未来" [8 P0 g4 `9 f( o
7 z8 W5 N5 w8 U 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+ S! q* N$ |6 \7 v
' @6 Z c! }: Y/ r7 K1 A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。+ S$ ^& c* M) O5 Z
, @7 M D: O3 f& J* `% e$ b 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! j+ l: @- R& t7 w+ m- G
w/ \8 m, {% y/ w0 h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。
2 K- h% q+ z. @
6 E6 G" a5 E# K" }9 _* v8 N C# n# _- t G* C5 K8 M: P: l% i" @8 v2 z
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