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8 A+ w( Z0 B4 l2 W; a
' v- L7 ]1 U( l
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 1 K' s9 Q9 K2 I3 m4 |' I( i9 W
9 Y$ k& O7 N$ W4 @+ Q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! L _6 k# A0 ?( L9 z; V4 V
9 a6 Z3 }3 x8 z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。
) \* C" D; W" t9 C! Z+ P$ R: B
( k+ {8 _; f7 s1 B: H3 u$ i. t 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; t$ q4 ^9 U! d, z) s9 p2 z7 }8 {% G
$ e8 t; o1 u9 t( i# k. P5 j" C1 B; A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( N! E: |( G* D9 @8 E& m1 C- F& {& Z2 N
; i8 O7 `( C' w5 f" B
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。
r. u& b( [: K- K' ~/ L# p9 {. P, b% n, S4 N9 `# i. @- L6 ]
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。
) E# E1 l: T% |' N P/ o+ Y; N; {; m% c9 m, g0 l+ z, z
比特币协议最令人赞叹之处在于其优雅的简洁性:' W. G g. V2 |. _
/ L, U2 n X4 W. f
& Q6 [- a4 X8 R# P3 g4 s
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! f8 o" c$ o- S8 f+ @
3 j) U! V4 H/ `6 D
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。: n( I$ \5 Z) u
1 S$ F: B3 L& M# B 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。# V2 p( L( r3 \
- J, H# H0 o( N2 g5 U: Y( E/ w
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。
1 [7 V! v1 `: y# |% M$ O6 a) e/ j3 c3 O& G8 O( F8 ]) L
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:
. K8 r. m1 A0 T# H# r: Z/ ~' ^) O; x8 }7 W; ^; S* f7 ?
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。
$ Q3 C A+ x8 t$ @! I) F5 S
% f' \% k% ]* n8 j J 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。
k2 y" O2 g, P0 T2 d) h
# \9 @/ a4 z( f 3. 减少维护负担:降低长期协议维护的成本。
2 z3 K$ p& @7 G) Y
; T; I1 z, J7 N! n6 r7 s 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。
: P* x. b3 w2 u# F. _2 ~8 X- Q, m; ^" q0 b
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。7 N* i% l% q, O; l
; J4 T% w* \ 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。
' e5 r+ X' x7 e* w2 S% A2 }. a! o" W5 p6 J
本文将探讨五年后的以太坊如何接近比特币的简单性。
4 o8 x& O* h& |% V* }( t6 U; E" e( j, ^" M/ o
简化共识层2 T; ~4 d% r8 o. x& p2 u
- T) h5 x' r! C# U4 t( W' A2 O8 F
4 v$ ]* ^: D$ z; z* D+ B# z$ A
# t! O8 V, E& C) I6 X1 _ 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。
2 e- h; ?0 m0 \) j/ T! i: Q/ I4 f2 e; t. r/ ^& i
相比现有信标链,新设计显著简化:4 n* w4 q$ j+ E. z4 J
6 h# x8 j5 z% w( j" l
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
! |0 b* f8 ~" x J; Y+ t
( ]* @! Q% y2 t& `4 o+ n) T1 G约 200 行代码,且相比 Gasper,安全性接近最优。
- I. H& d" }! D2 o- U# r
' V1 E6 n7 O! n* Z0 f$ b 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。
+ [8 G7 ^$ V5 X+ e) }9 f% K, ?3 H9 }* u" b, I: a x
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,
5 P. T5 g$ c" d" r$ w+ T* `! R3 U- L' L5 I! A6 Z# o4 ^' x
系统性风险较低。; `: t) g$ l. _! R. M
' g% u6 Q1 y G0 R, Z 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。
' g9 u& D7 s9 \6 r; ]1 K
, e# {2 Q2 e) |3 k 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)。
" y' |6 z" [- }( X$ i
$ L( J! H3 Q% V* W+ Z 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。9 f. t9 m4 U8 E- z
. l- U$ [& q- ~) z9 [" i% j
简化执行层! P; q7 L9 c. h7 R( j
0 Z1 [( d1 [1 v% f6 u: x( c. | 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" r3 y" ?2 |( q2 N% X* r6 o
; T4 r8 }: v* S(precompiles)为单一用例优化却鲜被使用。
! G0 D( O7 n. r: A6 t
8 t9 x4 ?, y+ x4 z% I- O 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) ?) q8 z& _+ V( `+ ~/ ~
( F" w2 {( j4 y示出类似挑战。
3 Q: Z4 @* ~- C9 U K1 I2 m% K7 o- ]( R* S1 y
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( R* U2 I: g' v8 i( j) t( X& \
1 ?3 J8 N4 q m. D1 P1 ?! M* ^
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2 @$ Q/ o4 ?, S8 V* S7 Y4 V4 w! s
2 ?3 {$ a$ W, o, W以太坊 ZK 证明器使用的另一种虚拟机。这将带来:
9 p/ i& x; T$ ^4 b# Q# x9 Y2 W; v) n
P1 }9 ]9 V6 R! r3 Z 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。
, D1 \1 _: s$ J; w0 @
5 R# P* n; U" E. ? p8 _ 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。% U+ X$ v1 `3 ~" _8 s& [( G0 `( s
! Q% E# Z6 j- L
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。
% z. B+ V# Z! E9 w$ K: `
% u- H. [1 T: Q5 L 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。
) Q1 U# }+ y# }: X. ?" d+ M) [/ r
) q3 @& F, p1 g$ d9 U8 s 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)。' ^- s/ n, M, C Y ?% P# h. R x
( p6 m7 |2 ~; n _1 G. z$ F, x 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、( D, u) g0 a% x( _$ @; n& N
4 c. ^% K6 i( o& W# r# j+ {支持 DUP/SWAP17–32)来缓解这一问题。
+ W D* t2 N4 s- x7 v
* n4 m0 D+ l5 l% i3 N! q+ ~ 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?* N s/ l0 j: d$ `7 t G2 C
) @+ S9 H& ]8 C7 `% S4 W
虚拟机过渡的向后兼容策略
* g j$ c+ X8 |2 T* Q4 g2 g F1 ]+ H
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。
# M+ y9 u9 Z; s8 z) x& |' I3 e+ ]) R' r
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 ^% U- R& X3 z
: N2 D, t# q, g! o" W. ~9 H3 P
& l9 ]+ i# J3 C; b* R0 b: v! 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。
0 n% \3 U( i; e
* L" c6 Q! q) X' 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
5 z. C3 u0 j6 w3 g4 m7 ?2 V8 ~
p- y3 i7 B/ X% T! ]' w/ `形式化证明器可完全忽略橙色区域。
. m# G9 e) U( _* x# e/ V5 G4 v) {' F+ `
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" H k. ~4 M& V# ?: s3 u" t* G# @/ O. ^' _2 ~
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。$ \2 B6 i5 k- R" C# b& [
# e. e, [9 @& j; R; f 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 l- `. M! k* `9 b/ j
1 v- R! T. P/ M: w域的代码复杂性远比绿色区域的复杂性危害小。3 m3 v2 Z0 n9 A- z- d+ X1 F
+ g7 J8 X$ \, t. s: D) o) z 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。3 G2 f3 T3 N6 M1 J* V" p9 Y% p
! A! S( H: ?/ T2 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。- F z% D3 [) e+ m0 X8 f2 V
7 B% i1 }$ Z' L: |' g5 v 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。
7 p: e( `3 q! ~" K( ^; v7 I, O; n: S7 g2 Q
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5 o) }4 m- g3 j
; m# M( @1 c# o8 S# e% y) {* M(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。+ n% H. O" W1 F) r
( Z1 Y+ v4 u- h3 z6 y# J 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。
% F* w- A& J8 b: D0 p
! f9 V8 t+ r! e: |( z: p: G+ w. P9 _* p: O9 g. n0 [
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。
c' }% [* e6 k$ h& Y; A# p' x$ p! W6 {1 e
通过共享协议组件简化
5 y% R9 n" i" s- D' ~( |3 F2 \0 d% K0 G9 b' o- c
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, c8 e6 h" {! x7 K+ Y; W/ v
3 V0 X' J% \. Z$ E% _# ?
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。
! B5 Z* J- j" H4 Z6 F; A8 r' ` |# u; V, }+ E! G6 g& O' h: `( t; |
统一纠删码
5 g. n% [+ D0 a2 Y9 ?1 p0 ~: J- p& r: Y& v0 e9 @5 y
2 s) f" f. d. Q7 _8 f k
我们在三个场景中需要纠删码:
+ i. T9 v7 c5 Y( c5 q; q b
# b7 I# m4 U# H3 H. l. T 1. 数据可用性采样:客户端验证区块已发布。8 L, T- R- `+ E: b
0 {) s1 p+ Z3 u& I 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。
" M+ W: K& [# H1 d9 c* M v O6 u& s" ?) J
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。2 |* o, I! T7 I
' U% N6 Z4 m7 I 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:7 o: g; ?- S) J' ^5 G3 ^
) C; j; X" A+ A$ f! `( I 1. 最小化代码量:减少总代码行数。
! n+ k9 U4 c3 k8 a6 d! Q4 B
: P7 w$ c+ D4 V l- T( S4 D( L 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。
; |, `7 ^! x5 l3 F8 b4 T( {7 p# L) \( |! t3 k Z
3. 确保可验证性:所有场景的片段均可根据根验证。4 P q" w1 [1 b8 I+ q! ]+ V
4 x( Y' r" U6 {, y 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。% J+ N9 X! p6 P! ~
' w v) |# ~, g7 u( c8 [+ t 统一序列化格式
: {1 L1 _ s3 k; z; l2 h9 U0 Y) L' x
$ N k, u p7 u* X/ [. T' C" |' Z( B( P
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
F8 ~) c. [. ?3 ^& j" G: v
2 B; N* X% ?/ D; ^# S, D度将因以下原因进一步提高:
0 `/ H# m, d$ @- t$ h- p0 _9 V$ h( N/ [1 e p/ m# n
1. 完全账户抽象(EIP-7701):交易完整内容对虚拟机可见。& X+ O* D) F( @ ^/ X3 `
+ x3 Y& n2 o: _
2. 更高的 Gas 限制:执行层数据需放入数据块(blobs)。4 ]3 L( D; g3 @' l( h& G1 P3 h
. R3 Y3 `7 P0 O9 w* u
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。
$ S" H9 ?* D$ z7 N+ f$ |. k* E- i0 ]$ _' V
我提议使用 SSZ,因为 SSZ:: Q f! N+ s2 t
& e( ?6 v5 R% \0 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)。
( Q; d/ z( ~3 A) r$ h7 \' h5 F
5 G$ I% |+ S/ G; C6 r5 d6 L 2. 已在共识层广泛使用。
, y2 A. P4 I* F! @: M# K, m5 i! e' y
3. 与现有 ABI 高度相似:工具适配相对简单。
& @( K% A6 s, J0 a- j6 `4 B5 E; V3 Q. J
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。: b4 |; g: ^6 y4 i: G
# O4 C( D% T- n5 b( r
统一树结构
8 n: N7 `8 N( { Q
* i6 N( d+ i) D1 H
5 j% {2 `# j+ M+ u 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
. M/ n3 R( W( N8 x9 W; ]
# y6 w( p' k: D: v7 q4 b B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。
! ?) z5 U# c3 z& H; u
9 @$ @# E& r0 ]* R" k% G/ H 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。
: Y/ w" P8 g" L& Q* ~1 \9 A( |8 ~ \0 I
从现在到未来
2 K) b. T! \" O0 z
[% e% f% L N) r0 H9 y, G- E 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0 G" s: D" M4 W
9 J6 e, c" l9 n" n! T
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。
. j6 k! v$ N, ~0 s8 Y! E# |: b0 \
8 g. y2 A9 R& _! b0 _, o( ? 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
. s9 M2 a" W6 ], W; k8 w6 t
" J- {/ E* l7 R; 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。8 E R1 g" I. }( A: D9 j, N, H
8 w) H" P3 u: @. F
3 ?. K4 S7 h( D Z& P3 L) T
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