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; o& N2 ]* z+ f+ u
, v t% ~( Z* H. ^0 Y) } 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
5 W+ Q* Q7 R E
! Z& ^$ t; |0 Z' D# a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
, [8 [' g% V- r. `3 k! E
0 Q$ m0 a/ M2 A1 b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。
' K3 r4 l( x- [8 W+ S& e5 F: S+ `
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
) O2 g/ ?& ?* r( G- R$ U1 x& |8 t& f" N& e; v2 V
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
* G& d+ [+ [' h0 j$ y
% o$ Q% }5 _6 z, o0 L7 r& `! L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。! P; L5 t `9 Y: U6 |; g( d1 }
" ?5 S/ r5 a3 x/ ]
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。1 B6 |! d9 F- }" k/ j
0 W, d- V1 X- w7 m) V
比特币协议最令人赞叹之处在于其优雅的简洁性:
* X( `: F: c3 m# n7 `2 E5 D. o& O) x0 s, }
3 E1 p; u C$ o; r1 A
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。
1 D$ S$ W7 K3 P6 ^0 v* y0 F* G& P; {% v5 d" J* G
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。
# a- N% q% R6 h$ K
E4 n( ?# a Y" g \. G 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 \, G" n+ `7 ?$ |& S/ V. c+ F& u3 \2 j; a% q) k/ _$ [
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。
4 f2 ]" P; e- A1 x8 s: A S5 }, {4 b% K
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:
6 t) W% \9 a& s2 C/ o. H5 b8 o& e% z* A% t8 a9 x( K5 {
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。8 K, d- j) `- A# [) l
; ~; D# Y7 `2 I" T 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。
: M- {2 l4 S1 |- [. b% A1 f/ t1 K k# Q
3. 减少维护负担:降低长期协议维护的成本。* j6 [- m8 v! }8 j' @, K
0 \# S2 g) w% ]. u$ o$ O
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 `$ U6 J" ]& A
9 D# c6 F, T2 ~ 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。: X1 Q: G; }* a5 H7 \0 w5 L5 {
: L5 M: O x6 o& ~' O0 A( s. ? 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。" h! x8 c, G$ \! @+ g- U* |5 D
& a" v# I3 p8 {3 S本文将探讨五年后的以太坊如何接近比特币的简单性。 O1 i! a3 {1 p4 ~2 S- Z1 x7 ?: r
! v. g0 `9 U/ ^" J0 P3 U, J0 C
简化共识层
) C" ^+ C7 B! _6 e$ k& s2 G9 a$ ^/ ^; D8 c$ O! o+ u7 b9 X5 L
" m4 s$ j% G \9 W
+ x' n' K# |; s 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。
8 y: {# ?; i. L0 a6 d& x% F: S, N& h) H1 J- h, H
相比现有信标链,新设计显著简化:
/ k& d. c4 @, ?( S* E0 r* ]% l! g# B% q9 H( g7 u" [& V( 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3 V' a# y ?" q% j
1 u2 j9 A, ^7 c. X7 S! ~0 U3 @6 @2 v
约 200 行代码,且相比 Gasper,安全性接近最优。8 V, J& r m2 f5 Z5 L7 }6 K
& ~ J% p* F# b* {* y6 W
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。$ i2 J. f! g( _; M. o
( N* \2 p6 q; B% K' f$ G
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,+ G" t0 I, m# w" {3 e! ^
8 O9 h! r0 V3 ^, |# E/ v8 c
系统性风险较低。; L# m" P7 J% w% b
6 ^7 g; Z# @7 A) S: o
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。
9 X! D9 e3 M# d( o1 q7 l& ^7 |
) h. i! } l* `# X: a# _$ l 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)。7 r0 y# W1 [+ {8 g8 @) k( }
: |: I/ t& D9 p" ~( M 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。
) o6 m: N) s; _+ s& d$ l! K7 S# B' R' l1 ^ m6 Q, F
简化执行层" g K& T; d: B
7 h% Q' C: m+ p4 Z 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
1 U# @7 f4 u% m0 Q2 ?# i4 D* d2 Q1 P8 g( r
(precompiles)为单一用例优化却鲜被使用。
! b+ x3 i6 Z9 J, g- t( V+ _+ D
* y6 z J+ _5 y6 L3 \ 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- Q3 Y7 f- @) Y- x) B! S
8 j: c6 p5 n0 k' w! K0 j8 l
示出类似挑战。
. f6 f9 `0 b+ k' X
3 T, x& i# P+ X6 _ b1 j 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
, m4 b5 p, P0 M& k
1 l& k/ g' A6 Y7 w6 d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
; W- k* i) _, o c2 e2 E! _- u, H+ E, _9 l1 P$ z! f
以太坊 ZK 证明器使用的另一种虚拟机。这将带来:9 O# h7 }3 j* ~- }" P
- h' H, s/ {# h j$ O) I) }
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。
1 Y/ J* ~! Q' B& w9 w) A, l% I- e1 W2 U" t! A3 G& P' A
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。% y3 w5 p0 T3 e
- N, l0 l$ s, P. w$ @- O* X" k. z
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。1 {/ e1 N6 a3 C" l$ K6 R. \2 p" b
! ^% [/ z' h/ ]( C 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。' n2 ?# ^6 r2 E: S- U" u
2 }; S' d, U" z% ^; U
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)。( a7 r" |" h5 p0 m& C/ A
8 J; c( x0 H6 `/ }% q
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、
/ A/ b7 Z5 o; j' Z
( @; G' }3 i4 b6 i9 X支持 DUP/SWAP17–32)来缓解这一问题。
7 @/ }: \3 E3 M6 n
% Y% |/ c1 [& \9 A( x 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?
/ l; S0 b( G+ i/ f( u+ P% C! r+ }( E+ G/ x2 P# E: X$ K4 d
虚拟机过渡的向后兼容策略
/ a9 t: \$ t# E' }+ X3 p; D k
& B1 {7 i3 K0 _. N* i, E: V 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。, h# t2 E3 T2 ? z2 x' i. W, _
* @* S* T8 V, X2 V& H
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。
, z9 \' V$ G5 P/ }1 V) y# D9 E& h X! A
9 |. S: `8 _$ c. j l* Q 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。
) ^1 `8 D8 @# P+ u
( q( }9 f% Q6 F8 |# u/ Y! w 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
8 K/ A S! c1 K8 ~5 D& O
- f$ l% l2 H5 ?/ j5 k, c形式化证明器可完全忽略橙色区域。! o% V6 s9 z+ M! {4 X: _
0 A$ ^# d5 ^$ Z! [
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, z( w4 F5 D6 ~+ n4 O* N1 v9 _
5 C7 H. e6 d: n) I. t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。0 b2 W/ ^$ g# X- ?3 f/ `
' ]: r# T' `; y( u" Y) n: }: ^
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
% D: c. I$ {; ?0 [$ T6 {( k- {, |7 r
域的代码复杂性远比绿色区域的复杂性危害小。1 a: S7 [6 J/ p" N1 z
' q j% H5 G( Y( Y) a3 T) ?- Q
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。1 |/ T4 {& {6 z/ l' U: S
) ^4 @, O$ l6 }' z/ d0 d# ] 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。# {6 N c* p3 C1 s6 Y' M
' _9 N4 O. u# `
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。. h4 A- X" V! I6 H) ^! K7 p
. m" i1 n7 Y3 O; E: K7 ~ 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, Q ^, B$ V9 z
( P {8 n8 U2 @, ^(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 W5 ?- w+ Z( } @
* Y) R- S* U! j$ S1 j# }% q 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。5 P4 }! a' s2 V" L, m8 v
: n( u3 F, W3 B- d7 B
- P7 p/ a9 j7 A) F5 i' ]5 N
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。0 I$ u ]$ j$ Y. l
. f: i6 L5 ?6 U# n# q% ? 通过共享协议组件简化# Z; H( L m% d2 z; K, B; F
. D/ ?$ V# ?, J) {; ^0 g 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6 n0 f9 l( p: p" u
% Z7 Y0 k4 e, E' Z1 A
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 `9 q5 j5 [5 f2 W
0 X% K7 _" @5 T/ Z7 j; J 统一纠删码
0 Y5 ~5 k7 p: j3 S
9 U& g, ~9 E$ t- ], D- n9 S9 A8 S! q% ?. c5 t. }: q
我们在三个场景中需要纠删码:
5 K. f1 O* A) t% T" O. W
- N3 ?# ~) D; R* P4 l. g 1. 数据可用性采样:客户端验证区块已发布。
6 A* `4 w* T0 u! G, A R
& q0 E) s; d3 Y( ]7 w) m1 |; M" W 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。" S6 w1 H' E. l
% N' o+ R0 S/ N( N8 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。/ X) V e5 ]) p) U" I3 @/ S- \
! X3 |0 H0 e2 |3 u 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:4 J" I" A/ ]7 v# \% Y
! A% j' {4 ?+ |/ N2 @6 J% i9 f! R5 y
1. 最小化代码量:减少总代码行数。* [; |# H3 T% w% ~4 Q
. Z0 }# O- E8 o7 x 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。& Z( C# K4 @3 I: y! _
3 }8 C! J# q, _0 c/ F; a
3. 确保可验证性:所有场景的片段均可根据根验证。4 _- F, R% k7 i0 j" T
1 K0 `, i% z" ?8 I& Y* g7 L) ]
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。
% T- p' ?% @$ A! }: ?) W1 o4 G. B6 [) J! }" O h' y; h
统一序列化格式! |# D% R- v& ]
; D* o, p# K: m* o V; a: _6 x, @7 m9 _* t [" X/ f; B
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' F0 { p* b" L+ I
! r. u" x7 O) ^5 v& e
度将因以下原因进一步提高:6 d6 F6 B D0 U% j
0 ]4 R' C( t% U9 V; [9 c! J
1. 完全账户抽象(EIP-7701):交易完整内容对虚拟机可见。# d' `! {4 {3 e. h
3 r$ W' c7 R& S2 \$ a
2. 更高的 Gas 限制:执行层数据需放入数据块(blobs)。
' I: r+ s9 u9 K* `' o4 v1 U1 m, J" N
1 o6 Y8 O, }) U/ |: m) `% ] 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。
: P$ m9 [: F9 X" E& P8 `* u$ j& r" p5 m% K
我提议使用 SSZ,因为 SSZ:
& V* B% s2 x' U
9 A% R0 [+ x5 ~ Y& m 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)。
- \0 d3 w p5 o3 e7 a0 ^$ e& x$ T! |$ K7 Y6 a
2. 已在共识层广泛使用。
9 ?( t2 }* w# B& X9 C6 A# t2 d+ w4 C5 t
3. 与现有 ABI 高度相似:工具适配相对简单。
# z, m4 }5 J4 b% V# g3 t' \# o# u, `# E1 L5 T6 `: {5 p* i3 v1 L# a( \
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。
- O' L/ ?" B2 x7 j1 U8 F1 m ~" X3 y+ @' ^
统一树结构
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' I4 F0 z; V1 x B: C6 s' `( j2 o6 K! S# z
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8 n8 j6 p$ z q/ U
; m+ [. F4 u5 c2 M
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。% G% ^9 l* ^" L2 L* [
8 I4 k( e0 f H! O0 X
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。* t7 [& Z" m0 S3 _( S3 C
6 k: H4 D V3 ^% O( n" W) f
从现在到未来
q( a* D6 N% r, Y) C, O& @. H+ {
+ N O2 S2 z. t$ _. m! r 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, E: d- @9 O7 C' U
+ l, Y) n, B/ I/ {' J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。
4 u! f3 ?0 c- ]: ~ ^: ~+ O$ M) r/ ], `7 W1 z3 b% S4 r. s6 w. c
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2 O( d8 m+ q' ^5 V
$ T: J a" X: J1 s S( a
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。0 G F/ S& m( R" T: q, Q O# E
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