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& {" \4 B3 ^ e4 h" D- u' q
% y5 H% G0 t: P/ I8 p1 E 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 7 y$ j& ^8 {# e, s
* w* p% f3 I* o" `4 |0 t1 B+ y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
3 d- N* \2 F* i" Y& d$ ~8 }5 d0 M
$ ~, m$ \0 ?0 x! H2 W% G/ o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。 d, N! S; F/ C% H' d" m
( u, m% T1 q8 O, w( b" L
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 O2 X# q7 y: G6 T& M L0 f
! y* v s7 L( Q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
/ H. x: N+ L9 r- T( O% `8 S8 U4 k5 H+ V) i5 i3 d4 V1 ]
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。
+ G" Z$ `# {. D% v6 D. @! w: T9 E# l
8 n& \6 D% ?$ R% w# d 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。
: E5 E4 v; s: i/ t/ m% N8 N3 ]
, g( [# E* N) t 比特币协议最令人赞叹之处在于其优雅的简洁性:9 v6 E( v: W0 a" h9 Y0 M
T: K( K. d0 m; W+ t e/ u& ]+ c0 V: S3 U: c7 R1 c7 l
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 b% D; j' W4 W& g- H% o& u, F) w4 O1 o6 d% B
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 N: [ }1 Y! X! M8 r4 }
; W& V+ E7 C; C# v5 U' f& O 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。/ T$ `' e2 q9 J$ h! |$ `( O
5 _( E; ]; A/ d6 ^7 ?$ U. L 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。8 j3 _. Y8 A$ h4 z- W" \% }3 I
2 `: P S2 P9 O6 i+ G5 @6 S3 C 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:
( P9 \! X* m. h, @2 X8 f
" }- Y8 V/ ]* C) O- u) K5 d 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。
# w5 R8 h v6 N9 E, M, h$ i
( l# t% I! K; n; ?" S [0 C9 K 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。
, R1 X8 p9 S5 {7 o5 i
3 @+ ~0 `* b$ E 3. 减少维护负担:降低长期协议维护的成本。! P5 l- a2 s/ L: W' ]4 s
0 }( c( f" h5 T7 t C# y; t
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。
9 |+ L* y, Q3 d5 J4 }/ m5 M2 l
+ ^. o7 K' E) X* U! `( a 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。! l4 Q0 k$ f1 j! K$ D
0 ~! \' n7 y: j5 _: J. J
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。
$ T/ m8 j8 P3 q- k7 }, V& g. ~! F: d- X; ?( o
本文将探讨五年后的以太坊如何接近比特币的简单性。
- k y n/ E( H, a# o! I1 |
: ^) o2 o& H3 l( I! P 简化共识层' {7 X3 ]# `% ~* b! L7 A
* g$ `' m6 h3 K' ] Y+ \4 e& j2 l4 o 4 O! `* `$ b8 u4 K
- n3 Q+ s$ K& ~) Q; m. K# [6 I4 I 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。 |9 e( D9 C- M1 a& C: d
( I) H4 [' Q# @相比现有信标链,新设计显著简化:
, e2 w1 c2 e1 c# K7 c9 C
9 W" p8 K0 A2 A: G4 |; J1 f& F4 N+ P 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
+ L/ E- V. M' l/ f+ @( Z& G. U% B$ m
约 200 行代码,且相比 Gasper,安全性接近最优。" J$ R/ z) x { k0 |% y, k
5 i! {8 k: Q% J0 m' j; D6 y
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。 f, W9 N9 O( e; P& b
+ v: f8 l0 y% X4 I 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,; I2 I2 v9 x" n; P
' B9 j9 E4 w/ [. e系统性风险较低。0 i/ m: `4 {* x) V& C2 U
, H! `6 X8 C, U5 ~0 E% y 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。- y( e: d9 B$ L5 X. D+ J
% C7 N+ o8 B8 B/ X2 X! H1 t% Q, B; g; B% | 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)。
1 q* \1 d* Q- z) m1 N0 |; s0 v" o0 ]
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 H6 e' \2 E9 q; H9 Z4 v L+ t# V, O- D5 j9 ]1 C' B+ I; g
简化执行层8 ?0 ~3 h1 ^0 ?$ x
( v. w/ g: d9 r8 F4 R& [1 I
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
g9 Y5 S$ o7 Q6 U
! ]4 [7 p8 ?! I1 k5 s) d(precompiles)为单一用例优化却鲜被使用。: y' f X0 `' j p! X5 k
8 f( Z$ O9 b: f% d* V6 Z4 B 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' o o0 r* T0 e
3 T% m3 G' |5 F) m- L1 _示出类似挑战。
' u* |2 n4 n" Z4 K7 J6 l' q. B+ l/ Q
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
0 F0 C* ?5 K; H) f3 M+ P9 V% Z0 ~( M; E
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
" X |: p1 M: w4 Q+ O& H- j6 ~
( w* B0 k9 j; f6 l5 X以太坊 ZK 证明器使用的另一种虚拟机。这将带来:
7 s7 C* M" g7 r: X R5 R. }5 }( @/ G2 m
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。
' u( X6 o6 b- T7 p+ F! n
$ B W3 V. [& r) J. e" y 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。3 U* t/ B; [! r! d* u9 x
/ G1 g' v4 w& F 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。
# K. y) f# c: w1 D+ A! \. t) G
, d k X0 J8 b) F" s! P6 f4 E: S 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。
# i2 v8 h* J4 h# y9 a6 @4 q0 B- V2 K$ F
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)。6 X2 d" E; K/ {: f- c
5 v: T/ d3 A' x7 P: D' {
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、
( K) ] g; Z2 k1 J3 c# Q
; S/ L7 K! c( Z1 u3 p; v. C5 [- h支持 DUP/SWAP17–32)来缓解这一问题。% A" X, T- `$ M+ s
) _5 B9 p) G$ c _+ V# e* u: u0 J 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?2 Q& z' y% o# e% W
+ }' s5 n% s1 b* x; _ 虚拟机过渡的向后兼容策略* i0 a, m4 Y2 I' I
; G/ b M8 f0 I 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。9 k( r" t; _0 f
2 T* `8 h( R- r, x% x7 e
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。) ^: r4 F1 K2 U& O# h9 r+ q0 F& d4 q4 [
0 N1 C; o7 q/ |# I( i* k2 n1 |; O, i0 V) c3 L8 b3 n4 U
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 B2 v8 m" `4 |! u
3 s7 e' M8 C3 p/ e1 Z 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
7 s* Q7 S, U6 ?% l, r/ ?9 Z7 u3 u1 {5 v0 [! e1 T8 a+ A; A
形式化证明器可完全忽略橙色区域。
$ C% ` R* o" z( }/ d0 I5 F8 N* ?2 |( L3 h3 _
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3 i0 K( ^* R! P$ d% r8 J+ ^
# n0 v) I2 {4 G
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。' s: c0 g* d0 L) R, M. v
- s+ d/ M, L+ O' d 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
7 P6 M3 u* z) L* [" I# g' W4 c2 u9 H
8 ^" k4 |5 z- B9 y7 F域的代码复杂性远比绿色区域的复杂性危害小。
1 u- K( z6 N( B) O, }2 W1 N
" R+ A* e |2 g9 D. q" n$ R6 ?. 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。7 ?0 M! d# [5 B& Q" p5 s l
- O* K9 {, c: p4 O2 |# B
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。
9 U7 K9 Y8 o4 Y6 v% ]! r. S! ~
5 @, ^2 v9 J5 A+ g- O0 }: @ 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。& D2 V( _* e4 N4 k) s) F
% s3 @- r0 @6 E5 ]1 H9 T 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4 K: K* h$ Q8 ]: e% S
2 _1 \- K0 ?5 Q* p) x(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。
: P8 c6 P+ N ]5 Q2 J
' _( ~ e! |! 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。
6 J; R( L! u/ N0 N9 Z& ?9 c2 ~3 g5 A- J' K/ h
& g4 I1 Z- r8 i 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。
4 u3 m9 Y2 u x1 b( s
! p0 Y" M- k7 t$ H3 \- B+ f9 P 通过共享协议组件简化6 S" a. `9 n% ]5 w6 }) D6 D
6 f1 x/ ^8 o) z- K$ t' u+ Q
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
4 @, @+ O$ e; Z3 B8 u1 z
K( b( p8 Y# d5 M* J) q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 M, \0 D) X3 U9 J4 t1 Q
7 V+ Q1 j0 k5 H* U% a
统一纠删码6 L' m& B% z$ k$ U( S% l' @' D2 k' i* ?1 h
. y- T& H3 ?# J4 M8 n# w* s v* i, L8 x
我们在三个场景中需要纠删码:3 ]: F( U, ~. P' _0 g
, ?9 [' p. n" @) M( D# C3 ~
1. 数据可用性采样:客户端验证区块已发布。# b: c/ F) [8 x8 b4 E( n
8 X N# f0 V2 X S5 ]3 G 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。
" p; c" e# V, L& d- ~7 X5 q% K/ o. C, h8 X S# _0 u
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。
: m% t( `6 y& v+ v
?$ I! r+ W# V. n+ a3 l3 _$ j 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:
0 q0 Z, M, ~- B$ u
, ^ x* C2 v8 H! S; D) w! P4 p 1. 最小化代码量:减少总代码行数。, V3 k+ z& ` k5 I: e
* w0 E; l, u; \, [. \3 F/ 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。
/ m$ t! w* [% J- C
* T* m& k6 T; W 3. 确保可验证性:所有场景的片段均可根据根验证。
( E8 @+ }7 L1 P) D, o+ l5 J: Y+ ?7 H9 h& b# E& n" J
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。3 K6 q M5 z# C" n. T% {# Z
$ b2 V3 ?/ c- m. T1 E
统一序列化格式0 f' M8 |# \# O3 p+ Z9 @) G8 r. h
: W& M, l" d+ ]1 }. u: `, A% F3 R
% Z4 W) R* z% A i8 ~ 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, H8 h) ], U7 v$ n
. t4 h& j+ y. A6 E6 b2 H* l6 T
度将因以下原因进一步提高:1 S; G1 @0 _* C
8 h# A0 h! @; g2 C
1. 完全账户抽象(EIP-7701):交易完整内容对虚拟机可见。( k7 j/ D- a" W1 d8 a6 J, O: O, m
3 _ I- i' Y7 k3 j- C' E
2. 更高的 Gas 限制:执行层数据需放入数据块(blobs)。
5 S0 P" d; ]" `+ b$ J. W9 [$ d! q
6 N8 g8 f' z8 C# X 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。; G# g% {0 v1 A
0 q; e) V. Q+ p. z
我提议使用 SSZ,因为 SSZ:4 z* E, N3 W; N3 S
8 T' }4 P3 Y0 ]" u 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)。* k* }; }' B7 z9 l8 [
7 A3 Y/ i; d" Q! N5 H 2. 已在共识层广泛使用。7 F2 ~+ u% |4 R
+ K+ U/ h4 x+ ^" E& n: D) O6 e" N
3. 与现有 ABI 高度相似:工具适配相对简单。3 A- G0 B: t! ~+ n
9 R) }3 Q" ^; Z. o 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。
8 [! d1 @, Q" E" K6 G8 G- |- s8 U2 c! I, h
统一树结构$ A- X& X9 ?, Y7 O! A7 d$ m
, @ c# O. ?0 T N, w3 J
x! X) H) h% o
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
k" @( B. C' G* a" ?+ b
) k. l: J3 ?+ j- g- c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。
' U H0 y2 j1 o* @- B
: }+ l4 V S; |! Q6 ~( N$ O9 N! Y 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。( i3 \% ?& X6 i" r% O
- k2 Q( d3 Q+ I9 E 从现在到未来: O% |' x9 c' v2 f& I
( S0 g7 q& J" X& w3 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5 p# Z: D9 X" X9 n) W$ Z. ~, e
7 v; e1 v* i1 Z6 c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。
/ v6 Z( o9 ?4 G5 q: |# R. ]+ O$ Z! M6 l* f# _- G; H3 r
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
4 B, m: \# c5 \' [4 L |, r8 N$ U" O9 p, J" u, Z& k0 ^( _( {6 F
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。 u* @2 @) w7 R h* Y8 E" C
6 S7 ~; R( d- w; W( o- F3 T1 Q' s" }/ W3 E: z Y5 j/ W3 a
% O% o. R0 S1 E9 Z; x @ k8 b% z |
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