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1 X! U5 ?' i: K |- c# y' V5 K% |& k, m7 q- _
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 % q0 D& f' d1 \
0 Z; N, V( }) B5 @
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5 i; J: b9 z1 B7 W! | ^" z; }
( K4 {- A7 d7 x4 U: S- }
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。
4 i2 n/ w4 @3 P3 o8 y# }& p& k3 f& |! q
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
0 w% S: m& n+ y2 a" {
1 s% ?( L* R2 \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& R. ]3 F, j- F: s
1 ~$ S9 a( Z4 T$ |# E; H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。. j: N7 I- Y7 U4 H% {
4 l7 D! A1 a+ z4 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。
. c3 J3 H& {! B% U9 G
9 O# J# j! J8 \. ~& w0 l 比特币协议最令人赞叹之处在于其优雅的简洁性:3 h, Q, t, l! D) f5 A }* M
6 R8 ?5 _* ~ M; l
- O( @6 t/ b* C1 D! t" |
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。: J2 ^4 p, A1 x5 `6 F
% q. W0 H$ u3 @, S 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。
( q5 A. K8 X+ W% Y# H
, Q% \: ?0 R$ P4 a! G3 p) E 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。+ Y1 _7 h" g2 G# z3 `3 I7 P0 _
" F! m8 e( D' P% k2 A& E& S
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。
& G7 r) n* u+ }# x. ^+ a: D, C7 D# p: G% C, A1 ~* V. x b" v( ?
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:( r& \7 M, [+ J9 a2 N
- P0 j7 f" Z$ @6 B" h4 g
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。: W0 \8 v7 D* [0 }9 ]0 B
`& T& g4 V* j. ?' [$ s
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。. K( C# j, [+ g$ ^
F8 k4 a3 q0 R7 |9 R, Z9 F, V" ~
3. 减少维护负担:降低长期协议维护的成本。& \3 u; s. \1 T D% d
8 g- k+ A8 b. w9 \( N# Z1 w1 k! T5 Z 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。
/ y' P' q1 ~) s+ `# b0 ?
) e2 V% D9 c# t 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。4 Q) J: ?- T5 ], x
3 k$ P8 I. M i9 R4 h! |) 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。
, e8 p8 ~ S. W# O, Q
; z' ]5 ?; B* [- k' F, g; u' h本文将探讨五年后的以太坊如何接近比特币的简单性。4 r8 m) \, N) `+ p+ B& [
6 a# ^5 C5 b9 C7 b+ |0 e4 }% i3 o
简化共识层
: \; a8 L) j4 y+ G, {2 T
9 |) n1 G. A( M5 M! E 1 C$ x5 @) p: _3 o' H4 Z' _
9 m- E! T+ d* d& }6 v8 Y; W M: z
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 ?, |" c/ D- q( f2 t
6 I) a; a1 O8 Q. ~, q
相比现有信标链,新设计显著简化:# u# h K( f. b4 Q) P+ y: F
. g, v0 O) d0 B, Q* H9 i, m% E/ f 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
( b1 w% d9 J T% Z5 j0 ]7 N8 V" i7 X }, b! N' ]; G4 P8 _
约 200 行代码,且相比 Gasper,安全性接近最优。; @& y+ X. X; E* ?4 o. L: r6 h8 ~
* S9 v1 W' I2 P6 q) ^9 z4 F 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。- a. k' N: L! b6 [% U
* W4 M- S. x# ^3 M' \8 R- n* o
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,
$ p* N$ Z$ R) r
0 `: B) q8 U+ d/ C1 O- ~6 v系统性风险较低。
8 y8 Z4 s7 G1 H; N7 |3 F6 W9 {$ `9 l9 X2 v" S" C8 H
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。- |2 B$ ]' R4 S" O# c
3 A+ }5 v* G H- j6 R: D
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)。0 k4 F- e: a# |( V
# N4 T1 [# R4 M5 m& K- 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。
3 _' a" t- t# a3 r/ B/ z) O, J+ {1 o6 I3 f" Y7 _+ W3 c6 f& z/ d
简化执行层
! s' ]: P9 [0 ?9 }# J" _
* j9 t, A8 V; U2 D* K0 ? 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
. d9 o1 M. ]1 B4 d0 K7 @$ a7 \2 [1 m9 T4 P
(precompiles)为单一用例优化却鲜被使用。" _9 P$ L4 A. h. H: G; ?
( y2 q# V' Q6 O1 S* m, G 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
1 s, s" C* u2 y* s9 ]$ w# T0 Z# g. N- S( A0 }; \& [+ P$ {
示出类似挑战。: [9 [6 E! R: l5 Z
0 K. e# f1 z, w, n0 R
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( T* P2 M, n+ A+ \1 s4 a
& G8 W+ f) A# e# h" c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
4 I/ F* q) v. _# K$ {+ w. a& v8 t* C9 X8 M/ m$ u* [- C1 K1 J
以太坊 ZK 证明器使用的另一种虚拟机。这将带来:
: b* `8 K0 B' s! V5 ] k6 v, j) @% O+ G" k" \# h
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。
+ D8 j$ r7 C/ r/ _, |1 I- J. Z5 I1 s& ?0 \2 J& ~2 ~
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。, s; ~- {+ T# n% d* q* w2 l
2 x, J, D9 [, q" s; T
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 E0 ]9 B$ @$ @; t
+ @" W& s" U }% V& D( c5 n5 u+ A2 ? 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。3 k. j$ b: G% G
' V/ J$ V" b2 P0 V9 R* J* i4 z& j 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, t; w4 t1 A; M4 G
* }; e% C: P( w/ g$ V
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、
3 G( i$ k5 W; N5 ]
7 `6 P/ ?# K9 J q, l' V* `( z支持 DUP/SWAP17–32)来缓解这一问题。! q) g% V' b4 e: _. j, t
/ ^$ B( v& o/ 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?
/ N: }$ ^* {% @; [
$ P3 F9 e6 {& ~' J 虚拟机过渡的向后兼容策略' x* x* R* `# [9 m: h' Q
5 C6 m( M/ G; l, x, D# r- 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。
7 b2 B& N6 d/ |! L1 X! d7 r6 h/ a1 U( v4 D3 @) 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。( X# H' v I6 P
& y0 F: M4 E' E' `
9 \4 m* P9 U3 J6 ^" @ 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。! k" ~! D S3 a! U
# r- [8 Z. E! K& J; v( _9 x
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1 v; M' H; c) N7 R$ H6 P
! O6 {1 S* c* n形式化证明器可完全忽略橙色区域。
6 k, @. B. N; c) x2 t! Y1 Y. ~6 _$ @" z+ q& Y
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
) Q. Z2 x+ o0 o3 r3 M7 Y" z# O2 p/ {# r5 c) E
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。+ \( `5 g- Y r, H5 M% f; S
$ Z: n$ [, t* b9 t+ M 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
" F1 l+ t' r# c* b4 w \4 Q9 E/ y+ i3 m
域的代码复杂性远比绿色区域的复杂性危害小。0 u* [( m; @: y+ w
/ k6 b! m }! G( J- ~8 f: B& A
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。
0 Z& ]& R( J: a7 j. }$ I2 h! Y- u8 b9 g3 ?5 G; e# E
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。+ H6 V; _6 g o% U. Y
* h. D! t5 R( _3 I' b. P
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。' D6 l1 W7 i) V+ z; M+ S
9 ]0 T. w* @# n' v+ ~5 J- M
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* D: a3 x+ o2 T
! Z: }' c( H8 z(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。: E& L9 g$ [1 p/ B
# r/ |* d0 q' {& L6 k 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。; g; {) N& E+ o5 W, j2 ?0 z
: E$ d2 `! h% E
! y9 @& U; G3 z5 I1 l; \ 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。- S6 ^4 b: A7 o' c6 K' i$ |8 ?8 [
- S6 }) D. M3 C* j
通过共享协议组件简化
2 O0 S: l2 I. @7 h) b# d5 i+ K
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
% z3 P7 U( R; f' M/ \1 f9 [
7 ^9 p; f7 x) p5 v) t- @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。& I3 W( G5 ]) F; b8 F& d0 e: c
2 ]5 l, ^8 q A* U2 p3 O5 p
统一纠删码
* g3 B1 t* H% n) j; ^! Z% P
1 G: h8 i1 Q+ U$ n% H. d" [
- n! Q' Y3 O% }8 F& d3 H8 ]- x 我们在三个场景中需要纠删码:9 D( W+ z+ a* b s( ?. c6 T$ c
/ r# R5 Q( |* S, d( J8 F 1. 数据可用性采样:客户端验证区块已发布。' d4 q# O; m4 S3 A
- w6 a* j! }# r8 L) d
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 Q5 @/ G" g6 p5 U8 n0 B& h/ z P0 j5 C w% |1 D6 l
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。
6 M/ i8 w w' r/ P' g, g+ J+ u6 w# p0 f; D- D* \3 Z
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:. l7 g- ~5 e* F
/ E6 c3 E' G& U$ O) }
1. 最小化代码量:减少总代码行数。
3 F5 x: }% U, P3 Z0 T" h& o6 s4 K
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。! m6 F6 ^7 K& r- n* y& q3 J
7 ~5 b' l- {, [, u3 b
3. 确保可验证性:所有场景的片段均可根据根验证。1 E3 P r0 V8 B
# E, ]' T- C0 K4 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。
; {" k4 R8 x" i4 \
+ V" T: p+ m0 x 统一序列化格式" A3 M5 r P4 q8 A# @
( h- F& `; h$ ?# h6 T, o. l
( Z( B8 N4 V6 R: H; ?$ W; L) o 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2 G0 _' R7 Z4 z [4 k r
+ k8 J# K: a7 R2 S/ p& J! h. o) a
度将因以下原因进一步提高:
4 t& p& [; l; z- J# q" r( l
6 `+ A( a7 w1 ~1 T- N- Y) t, L) d 1. 完全账户抽象(EIP-7701):交易完整内容对虚拟机可见。/ M+ p7 x& w% e/ s
& J- A) a8 m& D 2. 更高的 Gas 限制:执行层数据需放入数据块(blobs)。
# A }% w6 ^7 f2 R8 c" `' p
6 q& F, S3 n) 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。
. @' K- f, h8 S" g8 @6 _- f3 ^& W) y$ g$ L% }9 e8 p) g# K) j
我提议使用 SSZ,因为 SSZ:
9 `# b9 c. }- q& L7 Z) Q0 _/ q4 C9 T- g& S9 [
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)。
4 h' r. w, y( V; I. \* c
* a0 O% l8 r* {' ^4 |+ A9 E$ T 2. 已在共识层广泛使用。: r- R- |/ o! @$ N9 L2 ~: t) B
- f1 L# s: y) Z6 v' B
3. 与现有 ABI 高度相似:工具适配相对简单。( {. B3 ^4 C* h/ b: E
* K: {' a5 `3 N 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。( Y7 J# ?4 E; j$ \1 @
8 g* l9 V$ p" ? 统一树结构, j5 z" X! ]; k% `4 ?$ |( m
3 ?: {9 v0 v( |# @- x2 J5 c& n; m2 E2 d8 n" u! l 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5 |; x9 M) T8 i! D4 `4 f( ?
& ~6 r; u3 U) X3 q6 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。
+ _- _- ?% z! u, @ u, z
[4 y1 B3 u6 ?) W0 p2 h. o( r; a 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。. a. u9 T, |4 r0 B' E
* F( F. C; u8 Y. D' t$ Q! } 从现在到未来
m, H0 X+ d' u, L6 {; ]' Q" e0 ?
& I/ k3 g9 Q9 Y- |1 O& g! V$ I 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
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# z n! l) T2 q: s- `& {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。
% M# J+ d, H: J; |5 d; n3 b6 `9 b: V g. a% m1 d6 R! J
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
; Y/ _/ |+ z' Q& K* D. T& A. i# F' `1 V4 ?+ [& n
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。
$ ]) i( y0 d' ]7 Q5 |) h$ Z
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