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4 s% [5 ]; X1 V7 O& O: \& T, o. x/ J5 n& M6 P* ~/ 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
* c7 F6 J5 x+ ~! M2 J: M1 f2 O8 r9 g$ v- p+ V& v
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! M7 d' J" R4 ?9 |. U" z+ I
; \& L5 J( {1 q8 G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。$ v. S7 s3 b; s* J0 M
. N* m5 m. g) h* U. l- O 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 z7 B6 D! i! D/ q7 r: y
2 w" ^" y$ _8 r. ~9 A4 D, }0 g
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, {3 H9 `% ]) D G" f' ^
9 ]9 Z! ?" u0 S" _6 Z- C
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。
4 _" V6 F* Z. O2 [/ a& m. ]4 B" {2 b7 C2 H; o: m' F1 i4 L5 D7 P1 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。
' u1 R- J& B; W% s/ L9 f0 A% V# ~
比特币协议最令人赞叹之处在于其优雅的简洁性:2 l/ [2 A/ c* Q G% u0 n3 F% V
+ v3 a, @* Y a& m* i* Q6 x9 a" b8 u5 f- Z( }
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。% U- b Q1 T; s: f. ~: v0 e2 y
0 \" p5 r5 y. t: U% l 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。
5 l' `! N- ^; ~3 n! l9 I h# B, u6 L1 Z2 m# l
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。
7 }4 J: d4 T. {4 g0 i A ^$ ]" x0 c, ~4 v% A2 K" R
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。
! \) d$ I- x1 d8 G2 M
7 |; Y. u& u. n! |0 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:! i( n8 B& D/ {' Y H, t: F) K
: x$ S% x1 P- X) {" P' ~/ s& y9 _
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。" c" s+ U7 X5 Y5 Z9 _4 j/ [ Y k. Y
3 B) ^0 ^) Z5 t( n
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。* s+ q$ d4 E/ Q F, B- L) x* V* m1 f
9 }& s, G* R5 f* {$ ~" F1 z3 m
3. 减少维护负担:降低长期协议维护的成本。
) m1 `; m" N( d/ T! w7 Y& K9 w% ^0 L1 n
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。
5 R) \0 x# _3 l5 J# X0 Y1 |) X$ r
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。" h5 h( i4 F5 Z: H* b0 [; P
" g+ i# `2 Y$ l$ h9 w; S" H 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。
$ Q. i! l) Z% S3 b$ _% j/ C. `/ I( K5 I# E/ {
本文将探讨五年后的以太坊如何接近比特币的简单性。 Q8 X$ D! q$ A6 Q0 W( C3 }, J
8 P# w9 C* X% P' k: j9 ?
简化共识层: a( ~- i1 X+ x" ?' t' k
8 h$ f9 p+ y' w9 k( h
8 t# s O& {# W% }' E9 N# u7 v6 E
% D/ ]+ z! Z4 V. B' t
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 |3 U$ c J$ t' L- q
7 |, D1 F9 D: x% k" t+ {1 C相比现有信标链,新设计显著简化:5 Q+ v) i9 I# P5 e% `
8 z8 @, u6 ?4 F1 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
9 ^+ G* T _. _( r" B( n6 j/ c% b, o4 |
约 200 行代码,且相比 Gasper,安全性接近最优。/ D3 f% S! v9 C
! K, s$ |& \0 O; a) {
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。6 e! B6 |& J$ N# Q9 F' O; w
9 B# R0 d' P8 x1 _* 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,& U* J% D8 r0 R2 o0 k+ I9 B, y5 y
! A' R J. s* K; x系统性风险较低。# c) r& g( ~+ z4 O
+ X9 C% l! O4 Q9 s' {6 Y! N$ D 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。# Z+ x! p% j; _: n; G: Y
* e! b8 d8 k. {, R8 p+ w+ Q/ e
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)。
3 C0 r7 ]2 K) v& Z; ^9 W: N/ c9 q* b: l0 D& x, w3 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。% K0 }6 G0 k5 M D- u
( L: \& |0 f! X, A- W
简化执行层
6 D+ n$ S2 [ N# z! t% p
M) I. j. s: t' y 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; o) f- H/ F" ]# {
4 }, c, e! [. E) W& B(precompiles)为单一用例优化却鲜被使用。
1 m3 c1 ~7 D# z) B9 W" O( l. E
2 o$ k$ p3 @4 [, n4 U) y0 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
- v8 q+ t2 ]$ x* M O" U0 m& R# C) T S6 I( j
示出类似挑战。- L) ]7 C4 j( S& T0 N
. u% W* M5 i3 ]. S* K @ 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2 ], X8 y) _! ~# m, Q
" ^/ p4 {9 f, v3 l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
, H% Q) M/ a& t3 o- `( y: Y4 i: j0 G
以太坊 ZK 证明器使用的另一种虚拟机。这将带来:" K' A% y/ d( {$ Z$ R
9 ]) [/ M4 e8 }3 y 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。
! [ ~- h; }: D: F, x; l. ]. B W* t7 _1 A/ u$ n4 T
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。" A: A) r$ H7 T, f9 U6 ]. |
, @' n; N. D/ t' A! w% E: @4 w 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。6 I! V0 q6 E5 L: s0 w' h- b1 ]
: _& b0 j% a% H' P2 F, t; }0 D
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。, a- i" h1 B" K
7 P6 k( A* {9 n
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 b+ _0 |# y2 w" E( j4 Q/ U9 `/ e/ u+ \% @
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、8 s) A) F, ~) @
) [% D' o7 M/ c8 U" s支持 DUP/SWAP17–32)来缓解这一问题。
6 g* o' Z8 a6 X4 F) ~% X0 @" ?$ p5 u; R. w& d/ w
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?
4 F8 R: Z* l5 C7 p% Z' f
: I+ m) \& H# i5 H 虚拟机过渡的向后兼容策略
! |8 C: a* |4 B0 h9 R
& a$ |; B% w5 ~ 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。
! p0 q+ z4 F$ a5 q# e8 m# P* g1 Q. F: d' ~: c4 `, L; c
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。
% I! W. I1 `0 h3 n1 }1 \6 V3 S- q5 h6 w0 o
; z, q6 Z5 Y0 h4 N+ y 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。 V" {9 i: U; G# C
6 c* S$ n$ Z4 s4 d( a 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
" p4 Z( i6 m8 Q. N @- Y# l
6 \% i/ |- d& b. {7 W2 X* x5 i形式化证明器可完全忽略橙色区域。
8 G% n [! N/ W! E S( s& w
/ }" S3 K' j9 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2 c: |" [) r7 o! Z" Q5 n1 [: J
4 M! P- G' Q3 M
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。
& r8 b$ @5 c5 K, m$ ~' X4 O
) i8 E* W( Q5 E( U" y- S @ 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
! i7 ^9 _/ J- `1 X9 c; z
9 s" b6 Y4 N# h; O/ {- c# H7 O, }域的代码复杂性远比绿色区域的复杂性危害小。
9 c! l0 i/ C& b$ K/ M- x8 w2 P B* b7 s: u
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 [& p2 g, ]6 e8 Y+ S% F: ^/ c: k2 z% y
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。) C9 n$ j4 j, ^+ j4 I( i- r
7 ~ Q! R1 ]: V' b' c( C/ W, M
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。
! B9 e$ \9 M% h3 j- q: f/ `& P
7 _: f3 x/ {, Y. A4 y) E+ ?. d 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 v; r8 N4 @% i
4 F: u- k. G. I% k Q$ m# F7 i) p(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。) {4 l5 ~ M1 W0 d6 d$ ^6 b
" v' M: i8 e+ F2 |1 I7 e
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。# X- n2 i+ z2 Q
9 l# B; W& r/ P, P' L9 f) U6 u5 l/ k" C$ O" T9 P
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。) R( g* j) [/ z1 ~
( v4 J# r! x3 B. a Y" f3 M 通过共享协议组件简化7 K! e0 s/ z! v
_7 f; y+ o1 D! T2 N$ L 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
+ t! H" \7 z: p5 s, d- T1 J
1 Y3 n/ z* r; q7 h9 u" J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。# I1 E8 L$ O7 y- _. F! m% i
. e: b G$ {- M3 [ 统一纠删码
, S; p. i& o x( ]5 _" K
4 Z3 z/ O; N$ i6 e$ W( |8 J- t8 I1 O: d7 w f/ E
我们在三个场景中需要纠删码:
7 P# O% Y& R. C' j6 c: v$ Z2 Y$ z3 u. h
1. 数据可用性采样:客户端验证区块已发布。
0 S: N0 m6 Y W) m" E5 b- u% q4 L! s) t3 Y# ]) L& L
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$ Q; \+ b6 z9 e2 D
$ f. O' u8 k, k+ B: T" O 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。
$ q4 B" R; H* @, X/ A* N* e0 l6 d3 W, u; F1 w- H: 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:
5 E6 O0 c' N; n& \+ ?) {# O% G! [! U
1. 最小化代码量:减少总代码行数。. P; l- i. C! `* a5 q/ o3 _
- L& o2 ]# M! O% _; Q! m
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" F$ j; u2 Y& f' \/ R( }, ?# k! }& @+ I R( c
3. 确保可验证性:所有场景的片段均可根据根验证。
4 y) n4 l8 L0 l5 b% e r9 m& D9 R2 f" E( [4 E5 S) d2 c
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。
) u8 _4 M9 \) }& g$ u
) s7 R& u+ V( T k 统一序列化格式/ [; _4 N+ {6 l# }+ w
" @/ E3 |" O( D' M% ^' D# n
$ ~! q; t1 n$ [, I; M5 Q2 H: n 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
7 b4 c k' P1 N+ y" {$ n9 O* b9 ^! t
度将因以下原因进一步提高:
$ ~3 J- S7 K+ O" M$ t9 H6 A
: U, }2 [6 ~6 V* ` 1. 完全账户抽象(EIP-7701):交易完整内容对虚拟机可见。2 L% }, K7 H7 T1 H3 f/ k# p) g
5 x4 a9 N0 ~: X" p/ z' e" n 2. 更高的 Gas 限制:执行层数据需放入数据块(blobs)。
" d; Y/ H! |# j: [2 |2 E1 G8 a' n F& Z/ Q: D& d9 |
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。( |4 M. e, Q3 G4 g1 u- D+ A8 W
3 n6 v( j) e0 P8 [7 o, L7 p3 G# k
我提议使用 SSZ,因为 SSZ:% W9 r i& x- N0 m5 s
+ q9 K# ]* h+ }* R
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)。 ^2 ? q1 r' e+ I8 W* J) p
" M) P) V; C4 b& ]
2. 已在共识层广泛使用。
7 ?3 E2 W$ U4 I- s: _* X
/ M! @, N/ x9 Z5 r) z9 K: L 3. 与现有 ABI 高度相似:工具适配相对简单。
+ Y2 `6 _. q x! ~5 n
% i6 E6 {/ ]' I6 I# g 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。
2 }: E3 s/ ]- G8 l# Q# k1 a$ \+ R9 I0 |7 N1 |& m9 q$ }
统一树结构
3 w! |5 e j1 o8 e- H( _" s
1 e% o5 F% t1 I9 X8 @1 \2 q7 F7 j# ~* a/ G
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 G9 H9 w* R, i5 |
! r* \; |; `3 \* a) O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。
. N2 @8 @* \0 ^$ @4 I1 n% f. s7 M' Q
/ g" `: N1 v- v 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。
$ g- [7 M; }9 V( z0 _4 `. |2 G* b4 h) n- z& N' @& a9 K1 z
从现在到未来
2 j5 p: a# o6 D; b2 s
; I' J, p, `! r! k3 \. F8 x 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
! G2 l7 V; Z0 y3 N5 Y ], u+ ] P, s% R7 G! Y) h
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。! c3 O J# _( Q3 G9 i p+ {0 U! ~
T" g- P& g, D 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
& w- Y; {+ P6 |6 z9 f5 O: V( `
k, J, b6 @5 v, B- C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。
7 K ]; H- z$ O" U5 o+ a% r u! n/ W+ F& S! ]5 z
1 n. r( `* H& K: z3 a5 d0 ~
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