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3 u% F# s; E+ Q* f5 N5 r
T2 x, i" {# H0 }8 M. _
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
" z$ l; T3 ]+ D- R" b$ f
/ V8 N/ ?( z2 u. Z' }4 |3 e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) U" D' r, Z A/ q1 s
7 \( n; k; k; z3 y. B8 a, Y
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。
, o) N8 A+ }* }! I& \, c) k' ?8 _1 e8 \8 C# Z; F, @5 G7 E
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; b2 M1 z6 c( O# T: J3 x
# @1 n" p% r U
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/ A/ d& S1 y& Y; j6 w
8 u5 p) ?% I' d8 s
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。
D7 U( c2 ?7 u$ Q' b! U" F7 G. V z3 a; \
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。
6 B3 M* f0 P; k8 b5 ?; ~ r' w5 r! J* V. b- o4 h3 f
比特币协议最令人赞叹之处在于其优雅的简洁性:
& J, u" |/ x* j {+ _' H" U3 R5 Q: I5 ^ N. w
! S- L" A0 L, Q$ B, \3 D3 @: T) Y2 h 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。1 m3 Y& h: D0 h k8 ~8 ^; X
" P: u9 a1 o2 U& V i$ { 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。2 l# T; W" q0 ]# J
( F8 r2 r7 N/ R$ V
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。
5 V' }' W/ P6 R/ d& S9 E a* a0 H. W9 C) D' }
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。9 S, I; ^1 V7 Y! T$ B& ?1 y
" ^8 \8 x! n4 [
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:
, V4 A- I" G0 z2 Q" l! E1 U, G- }$ T
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。
E5 |( T2 m9 f) k$ d1 y, w
, |0 v; K' b! Z3 Z7 T! H 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。
: B: w& D6 v& W8 D, P: N
E% H7 a/ O u; j) m0 }* K 3. 减少维护负担:降低长期协议维护的成本。. c+ F. B! ]1 } _. v8 f# D
$ R! Q" [9 V G/ h0 j 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。
% N' y9 }3 V* [" F- u" K$ ~* \7 s" M0 `* |
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) z3 N5 z: Y0 A: q
( D/ K2 C) ^$ ]! |0 W 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。9 P! S6 _# L) T/ \2 b( r
6 ^( N8 @5 {& E' @3 o3 b6 u
本文将探讨五年后的以太坊如何接近比特币的简单性。
4 U5 u( ^0 e9 T3 z% N
4 ~. `: d6 S! x7 Z; q! { 简化共识层
9 J% ]" Q. O2 Y% m2 J5 M' M- Q( R; V( d6 ?* [
6 P* L4 d7 |6 O/ o8 ^& j9 Z
/ W& E1 `* A) J5 S 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。
, J7 X1 U5 h* U- i, p! i8 z
6 D& o* i$ r0 m" N% R% e9 @相比现有信标链,新设计显著简化:7 M8 d; V) l* l/ L, w: z
6 ~: Z- n0 V* S+ t1 z; E1 U
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' i( m- a+ |0 b% w C3 ~" H- T3 X) ~
约 200 行代码,且相比 Gasper,安全性接近最优。
0 u! E; c. r! ?/ c/ r0 s
: m) i8 m* w* B- k* R9 d2 {6 H+ _3 ~ 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。
7 j* z* e5 K! ]3 A" M0 {8 R& x
& q+ u6 x4 U) t8 Y8 _ 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 k" D) D6 I3 z- O0 @% H, a4 X6 J: Q0 Q( X: }/ N2 ?( V
系统性风险较低。9 F3 M ^' l8 p& P K$ N
8 Q# `6 o: {+ m z3 r6 o; e2 I0 G6 e
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。
6 y H. o" ~) _% i1 a& J2 I1 C1 f) h/ R
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)。
% ~" u! B. i" ~$ D% l! ]4 `& u! O% d) v0 h; w0 h
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。
( g5 b! e* ^& h( X8 P
9 F$ y$ Y% f( P 简化执行层
2 V1 s5 B/ t) Y9 w6 {& r* c) s9 f+ g
+ ]& e6 X% _& A/ r. @) G/ V: Y7 R 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1 g8 } L; Y/ N+ R/ B2 \
, U4 e% @% Y W; n(precompiles)为单一用例优化却鲜被使用。
) _- Q7 ]9 Z$ e# z) e7 q s" S/ a4 Y
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0 s( H6 ~/ p5 f6 Y
# _2 S5 Q( x- b/ \5 ]示出类似挑战。1 I0 Q3 C! ?, D& Z+ B( v" O: b
7 \# ?( ~3 X% f2 [
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
/ `8 Q7 K: w/ b6 Q8 v1 u
( `2 p* [( M; |* ?) 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; W, I! p0 b+ d2 I; K# b
_' f; t6 ]" U! U
以太坊 ZK 证明器使用的另一种虚拟机。这将带来:. o% P- {% _0 O& V
; n9 k2 Y) e. m. S0 k# G
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。
, V: _, q/ I5 A* g( g. S+ f
5 \, I& ~; v5 n# G 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。) p6 n) w3 K5 R; L) Y
( i- @7 X! a8 q0 q5 y# Y% g
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。- D- q2 A- i2 d" _7 H. G# B: \: D
o% w# f* }. C2 u# R; ]: a$ u 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。9 R( c: V9 }& Q" {' |
, B- a" A% x& a( q
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)。2 H' I2 K( g6 n5 V2 J
) w" u8 J8 K( K5 B- y* A# Q
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、
; I; I1 ~; C" T- @6 _) \, Q( \* R+ |; d1 j
支持 DUP/SWAP17–32)来缓解这一问题。
' B% r6 q; a- c
$ M% _' g# B& t) D1 t2 a# v M9 r+ ~: f 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?
3 l0 ?0 m# b, `2 c& M1 o) _7 B5 ]+ @. [8 _: W, o
虚拟机过渡的向后兼容策略$ E2 Y) K" X% Q* E$ B5 v
2 b+ J$ D6 U3 h' 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。
; k4 s1 H) R! O6 C4 k Q" t5 {$ U; c7 k$ W! s' u5 ~' g
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。
! O4 g7 U0 }$ w, v. I
) S _ ?( j2 N8 A) J" Z2 F8 z$ 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$ z2 E- t) r) N6 y6 O7 j' |; i k% u: p7 h- a+ J; _7 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1 {# l* T0 f6 P1 Y/ y
4 T2 E, Z+ P$ V. r形式化证明器可完全忽略橙色区域。/ ^/ I' z7 m4 I& v3 }
. R! w( f, 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
0 }9 {( o( y: p8 b
% R5 k: g* x5 r& 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。
% E- M2 Y2 ^$ @2 K0 @ ^% F1 d7 t8 ]) v% f- d$ x6 r4 z: p6 j
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 R3 Q4 n. h7 G
; k/ _- L Y4 s; l& L+ D i1 D域的代码复杂性远比绿色区域的复杂性危害小。
~3 `. ^" t, j6 W' a0 O0 T/ B$ W" o2 e
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。& t- d! M. e; d; n7 h3 n1 `
( g8 o: U9 [9 }+ _+ K, ~6 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。
* w- P& W. E# V5 b$ T
8 m. n! n6 C3 d e: S% x0 I 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。
3 \5 x0 h3 g" W! K( _; S" |5 P1 z7 A' T, K
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
" G. }* v: x5 u. s2 a0 t
* W7 K$ R) N+ u1 Y1 J- v2 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。4 a" C$ o9 ]# @5 }8 x3 ^
1 s6 Q! i/ k: d6 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。
+ d4 n& J: m- d+ t4 b, i9 `; m7 R; B3 d+ Q! Y- ?
8 M- \+ v* O3 ]% t% s! c 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。
" S4 G2 r7 {. B5 O& D. T3 j
! |6 C1 g! U7 `5 ]7 _ 通过共享协议组件简化; Q+ g+ j o m' b
9 ^; L* n: i+ W2 w1 S. o 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1 W" |5 H9 H& j, Q7 A
6 a V* R* L/ n7 Y, ~5 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。
0 L1 U2 R5 _) g7 Q' a. q: x7 R1 I, J/ `6 {
统一纠删码
) r' ]- K3 V& G1 O
u8 G; X6 ]/ c
7 V* `# u' C; d4 V3 _+ r( f 我们在三个场景中需要纠删码:( T( y/ i& v, [3 v
+ q e8 [# K# s) k6 \6 J 1. 数据可用性采样:客户端验证区块已发布。 C! E1 H$ G5 o# }& m1 x' S
2 f, s: R1 {% |, M" O7 Y8 m* b& @, 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。
0 T! t# z% n. p( V' y0 i$ t* l1 q+ J' k+ {: V5 X, q
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。
R2 \* \1 ^' i6 [" ] c+ |' j- ~
i; Y! a" c" q: _ 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:
4 r" b3 M% I* A* Q- ]: ~, R1 u: F0 V+ j4 S
1. 最小化代码量:减少总代码行数。# ] E& j0 \) W2 b4 [
2 B4 r) A0 r1 t7 e1 s 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。: @% J: Z, q1 k$ P& p6 r
9 z( b5 Z+ ? _4 N. H
3. 确保可验证性:所有场景的片段均可根据根验证。" W$ O& j' O2 a+ C! Y
) p5 y6 `8 L/ }# ]+ E6 C5 o) M
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。5 H- |7 F- k0 `0 Q" _
- V. s r8 p/ H. c5 q4 N- r
统一序列化格式, I' R: m, ?- b* T* |, h
+ ^& X3 }# [" F" a* {2 B- }, e2 M
, t* u0 d' l& @8 q- |0 ?
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
, L. _2 S; q* }! y* s& ~. y7 p8 ~, O# J6 L f* m
度将因以下原因进一步提高:
8 R+ r" U' ~ s6 q- y
! g6 f- R9 T, v" _+ I7 S9 v+ [ 1. 完全账户抽象(EIP-7701):交易完整内容对虚拟机可见。
2 i$ r& x* W) R. V; u/ U
4 M1 R4 X# ~ C3 k0 b 2. 更高的 Gas 限制:执行层数据需放入数据块(blobs)。: V; M; r. m v' Q$ F' ^
/ V* u- l& [7 N# I% K% M# F
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。
{8 g+ M* P: X- \
1 Q" X( c( b9 R1 [ 我提议使用 SSZ,因为 SSZ:$ ~& a7 M% Y7 |3 Z- T
) M/ v* N' E3 B
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)。
& y. ~& p/ w! o, x' _3 V( T3 ~6 D& y( t- a7 l# J9 `" Y6 ]
2. 已在共识层广泛使用。
! e1 M! U j1 L1 Z' ^2 b' l# f; w7 B$ X( U9 M) ~/ Q) r% ?
3. 与现有 ABI 高度相似:工具适配相对简单。1 e/ H. z8 X# @# L
2 ^1 ~1 {9 R6 p/ X1 S( 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。
) I' h1 y0 c! z6 l0 b' K
$ U1 ]! g$ ^/ H. R/ ?2 b 统一树结构$ I) X$ J% T5 o( M3 e5 K: t1 O
, m e# V m r( s3 `) s
' @4 [% S- y) [* O" V" R! d1 ^ 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
Y% X3 V: ^/ b6 h% g
: w2 {* v D1 t0 `& D$ {& U& 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。; @1 o$ b: g6 o9 m u1 ]4 C- }' \3 X9 ?
3 p% K' W. B0 U0 Q( h6 R3 T' D- o 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" Z7 n. t( {5 A8 b* I! X" q* S2 l8 q @
从现在到未来
' J$ t/ @8 h. \3 B6 O; i+ J5 m3 o6 W6 s1 j! i- @+ 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
5 H8 g, v0 T- g1 q1 i. K
; g" z4 E2 f2 l0 U8 c0 P+ G& h7 Q6 |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。4 [) {6 J; s! u5 X! w
) K E7 h+ w2 K- d9 [
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. \9 E4 R$ w: b5 C
8 U4 F; I H# {- [; D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。
9 j6 F7 ~& r/ F9 {* c T% N* j1 V- ~7 w, b. W& D% B: P+ q
' B$ \; A% y' g3 I$ ]4 H, U
0 i1 T9 _8 E. \ ^6 T9 r- j3 R |
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