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* }! C/ R$ b1 g" Y7 ]
, c1 _, U% @ I9 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 ; E y& k1 D3 B: O0 E# f( L4 A# I# [
- P& ~- X" g* c$ C. T( U G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# h% v9 U: y/ X3 D
- P1 }0 @0 n+ F3 Q; U9 E. I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。1 Q3 p& J- A# I! r( W. A
7 r7 `4 R% u v- \9 f 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
* S' o6 T5 J k/ y T3 z3 k" }5 d( N7 I9 u ]3 X' F& H& m
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
* T. `5 \: e0 X" f( L1 U1 D" D3 `: `" ^8 K
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。
+ c7 }& P$ U6 [- X0 r9 D
% |. _! x7 n2 [0 E 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。$ M2 D+ C+ j9 |: B
; |3 r M, a5 ]: J8 N% L4 R0 Q 比特币协议最令人赞叹之处在于其优雅的简洁性:4 f( h! K% f3 i9 |
1 M- i2 M' U1 I/ N3 S8 b* r, X, B+ x9 B7 [- I( M
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。) F* t! u$ U4 w. k2 Y" ~5 y
8 g) e, H& G, P 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。
; y0 Z8 M# }. L7 a3 u$ ?- ~8 X+ [6 J/ \/ K* x6 z/ t
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。
3 V7 G2 n7 @3 Z; `
, T1 v+ `4 e0 T3 X' h3 V7 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。
* F% x' b# R% d& |
$ z! h2 t( n. O% a( s% |7 u 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:
9 ?% b" M7 }3 |# q0 k$ M9 E. M, k; @# u
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。" l' A6 f& Q- S
# u( G0 d. @3 M- ~8 N7 Z* w$ [* _$ P 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。
. w% C" F& [6 H! R/ W* c
9 o: D9 B# O y1 r) k 3. 减少维护负担:降低长期协议维护的成本。
4 m) r. b$ d( R8 {+ I* ^# a2 R H
" r T; T8 f5 u" f3 O! I. a5 W 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。$ u2 s% Z% F7 J" C: G
/ |/ l9 o# t, q- T8 ]
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。' D. Y" q& n' `# g) r0 m
4 Q$ T2 z! S- j- O, e3 P" 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。+ E% P- N. M& ?' H/ ?% O! J
' K+ J( k8 ^; N% S% b2 @3 X
本文将探讨五年后的以太坊如何接近比特币的简单性。
' L2 W- ^# j; y: H9 N9 v4 B! a9 b4 x1 p$ a/ f! C0 D& C
简化共识层
& P/ \# X9 W: ?6 {+ n Y( U
4 G7 b$ S( t/ p& K
. ^, B; V- n# X1 t' H8 N- k `+ ^% {
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 m0 l8 v( B+ a4 W8 g
2 x1 y& q+ B: {) M0 u: f相比现有信标链,新设计显著简化:
: A$ U ^- T9 Q5 x. ^! I% S' l+ X4 \3 c& g: d' B+ W0 m) f- c2 U( z
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
2 ?* \( F: G9 y* b0 i( g; ?: _2 l+ |
约 200 行代码,且相比 Gasper,安全性接近最优。1 r K z, B3 Q: D
# q1 G5 S! _' A( p
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。: K. z( D+ \3 z% C) R# S, W7 Z$ u* ]; j
3 f. k3 U& W/ [ L9 V! V. 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,9 m* b3 ~8 b$ e1 A5 }8 m; J
$ } i ~: B1 I7 ^
系统性风险较低。+ T2 X. } h D4 ?4 t' x. G$ }8 M( A
( g" K2 B9 s% D, K8 I* p4 S6 X 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 @. `! I! {8 A7 I1 \5 O7 V2 c
. C, s; T' T! Q# S+ o2 J7 w 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)。
4 ^" B2 V: z8 l/ _4 P
0 b0 [) p* R2 X 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 A+ [. K/ ~ q( ]! L: d1 c1 a1 c" ?+ F N/ Z
简化执行层& b9 r) F0 K8 Y* M: U: H+ N4 D6 g
2 c$ d+ k# R9 S! K0 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5 L& D5 ]. u R: \
- B& G" i, |# h# |5 [
(precompiles)为单一用例优化却鲜被使用。9 O+ M+ ?5 C9 l: }
: `; S1 W5 S! @* r$ h 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
, S% H) x4 d9 s9 |" O0 F" j( V' n' }- C: V; ?
示出类似挑战。$ S- I# d- Z, D4 Y/ o
7 x: S4 n( b0 W9 I. y4 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, a6 m4 u% G: m; x( }8 s z! V
: {5 \, x. O" 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$ u. T+ L: `5 \+ r
" C* o x* y; z1 c O以太坊 ZK 证明器使用的另一种虚拟机。这将带来:: ?5 q( c5 }: l! Z4 }; ?
( |1 m i# q9 q/ O8 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。6 J+ n5 M( l+ N6 J6 V5 }# C
) b5 f$ {( ?# ^
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。
' t. O7 S) I9 S: D7 @( [9 q
: x( ]& B2 @. ?# }6 P3 x5 ]% R! [/ U 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。
( P. K5 M1 m+ b1 q8 [& m; g+ A: F7 B% [6 b/ k8 Y( m+ 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。
& b9 y$ P* v5 h; I
9 \+ O8 [9 ]7 P& v8 R) ~ 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)。' y& Z' i& T3 M7 B3 S" t! [8 ]
; q5 Z4 Q5 }/ z1 \ 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、
5 p. Y5 G: l! [
8 r6 M! K u$ B支持 DUP/SWAP17–32)来缓解这一问题。3 F+ X# G5 R. Y) P' \0 U
' _" U8 i6 ^4 e3 `
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?
^$ I6 y2 O( J8 @, b
! k+ F. L2 q$ _5 ` y 虚拟机过渡的向后兼容策略
: s2 b; K0 R6 A4 q1 x# `1 }5 n/ O, O7 E( g9 u3 F" ~
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 D s& }& {- m4 U; [( {7 H
* c: Y! q( R9 y' K- u G- L 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。6 a$ P6 W' y$ E+ m
- H* a& L/ c V0 _2 w. z$ Q4 _" ^; ?4 l! c+ S8 r2 L
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。) p. m. b( F" D& P* N
( [' F" G0 U" u 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
( d9 H% J. h( d9 n( C! D8 ]8 m2 Q+ i6 A% W' h" }
形式化证明器可完全忽略橙色区域。0 g3 d1 C0 I2 \ w( l# n+ w6 p
0 N3 g1 q/ U- o* B0 \! L
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& A2 F, r% F$ z( U
! X2 L S" }8 Y
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。; \+ h, `: a6 P7 a9 a6 u/ b+ x- c
+ o5 T I: u4 ?3 w. 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
3 j* O. ~: j( I8 w0 ?3 Y! D- [* Y& A" P& U6 F7 ^1 L
域的代码复杂性远比绿色区域的复杂性危害小。& }6 q7 i9 ? O+ q: S
1 Z- P3 E* R! @5 @( S8 z; p. m: v
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。- S. a9 F9 @6 \- |, ^% u5 L/ {7 o6 }! k
$ T6 M1 z' p1 A. Y- p5 \) [/ L0 c 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。0 ~" S& o1 \' `
; Y' W. I, s. U0 G L3 a7 _5 S 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。" s8 K! s( W, e- T$ O& P/ I( u
9 p+ ^, g" m% i* @; B- N 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- b/ _2 Y3 }! g- [0 ~! Q
+ W! `1 |$ w3 D
(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。' X9 s& n0 a0 F
~& r$ H! r8 [: } 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 g( y7 r% W, G7 Q! B% f# E; d3 N9 ?! r$ d$ I; Q2 M$ u3 b0 `
6 \ L. c' |2 c0 E
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。
2 `0 W+ S7 t7 G& R9 C5 f0 E, A L6 K( K
通过共享协议组件简化
N9 k) C: K# D5 K$ w9 [: ~ I' y: |
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: I. H. h" S1 @3 z) K
2 A( v5 d6 C. s- H
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。( E. f3 f" R+ l& T' Z7 j: b4 e2 k
7 D, l: S6 n4 @& m" x! ?; J% B
统一纠删码
; E$ C; y3 Q: a# A Q t' ^1 {; l) C7 y9 U1 h
: M+ h% u0 ], C% V* E 我们在三个场景中需要纠删码:
- t% V" g: u0 `% X& L7 ~3 M4 Y, f4 x% x8 @% w L& ^
1. 数据可用性采样:客户端验证区块已发布。
8 c0 m W# ]6 n
3 d7 R. J- V4 g+ s 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。
6 k) |% }8 D. X7 C* q% T8 ]% ~* N
% \' h1 B2 X# \- M$ W 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。- H+ w% e4 h* ~9 L" T
8 I6 j- W3 @# p/ |6 M, k
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:
1 n4 k) W: M0 n$ R% V' \1 H1 c0 k" I/ C C9 f" v! I6 h4 m& D8 A; j7 Z
1. 最小化代码量:减少总代码行数。
1 H+ E2 O! B E( }- M$ x4 R
" Z3 g1 F5 H8 r& h 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。; F: c9 ~# p b3 s- z( o+ f
# a( N5 c G* }2 P. M" @ 3. 确保可验证性:所有场景的片段均可根据根验证。
) e" c) f7 N6 W; W4 i4 t) l1 d, `9 c9 e+ U$ P V# m) W3 F1 x
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+ X/ M8 Z8 d* u A0 l& _: a4 h
统一序列化格式
& K4 {: s" ~2 m. G% E2 a: B0 A6 P% [( j( k4 t, `! ]( U
7 s& E$ h; {, 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9 [0 F5 x& `3 v! I k' R3 \
1 @4 H) K2 T. n \度将因以下原因进一步提高:$ A6 t5 {$ b; u, F; u# C
" S, {" J$ R, s' w [- V" ]
1. 完全账户抽象(EIP-7701):交易完整内容对虚拟机可见。! }0 Y/ ?) j- S7 @8 J% {
) _+ H# `/ S6 `/ {
2. 更高的 Gas 限制:执行层数据需放入数据块(blobs)。) Q" {/ b! L- s1 G- e- z7 V1 X Q( [
/ u' l4 h A5 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。
9 S4 H5 z1 T' k# p0 `; ^# D% x, X% q% V0 _. R3 u$ ?- O Z
我提议使用 SSZ,因为 SSZ:5 I' ]' B' l3 }1 [# A
+ v' ~1 t9 i% ~1 I5 Y
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)。7 I. U5 Q1 ~" g5 N, I/ K7 Z/ u
" o2 r% e. T' ^& m! l+ G 2. 已在共识层广泛使用。
6 y3 Q0 a; I: A# h: X q" K i- {
3. 与现有 ABI 高度相似:工具适配相对简单。
7 m4 [3 H; l# ~* N
K6 X- c' K" R( j$ {8 |; T 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。
' M) B, U* c W I3 O/ k0 `( V" i
5 U. M5 H8 o& ?) e 统一树结构* ~ ]9 G3 j/ _3 P. O- B
" K1 c/ @% D* ^& Y7 r) O5 g4 Q, X. w* L) H& `8 q# y
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 X% e. x9 h6 [9 |2 t: w0 X5 F o8 w5 _0 z9 @ ~+ ~
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。
- l: r/ F6 `: M% x% y
1 _" s- T4 A$ G- r 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。" n+ D) G& Y( }! g2 a! f
7 i3 D3 F0 F* |3 H/ M! F 从现在到未来5 W; Q( u# y4 L3 {
" {5 k+ L6 W) |% I. Z w
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- r! U/ Z1 d3 @* @1 h& x/ X
$ n+ }7 E2 S3 r6 I1 X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。
/ f8 V0 U# [5 x4 H
d* ?3 `2 {- ?* A; e7 h# Z y 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
) a6 d) f4 y/ N7 ?& W) @% b
! i& h3 W' j# }3 X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。; V7 m0 b# B+ c- }- e3 \
; a9 i8 Z3 C C% p) G2 y
- n/ ?9 }" V0 j% m! S9 M0 H9 M4 [% X( k/ P. _9 s2 y5 d# t
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