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& }) j5 b9 V1 J. H% i4 q3 y$ L% S
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 % `* J4 g6 F) s
; t' i, W+ L1 p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( x! R5 M$ Q* U# K
3 x- }" ~- \$ u# M; F
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。
& e! D% Z/ C% i1 F7 u: R% S0 J, X# F9 f9 ^) ~
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) h8 ?* X! ]( O% I7 Y' e
. P7 e; @7 {7 w n3 ?3 `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
- E! @" Y! o: H. Y1 J( l3 B6 a
- n. P/ u: ?) @0 W* V4 ]0 |; u6 Z2 ?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 W/ a! |* N0 v+ |3 f- ^' N' x
$ ^3 j+ [5 @( X+ Y
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。
7 Z8 h/ g( h- K% V3 |' t/ j# `. e/ |3 w! {
比特币协议最令人赞叹之处在于其优雅的简洁性:
- F, y, Q) ^/ L( t- x! ~- ^- h5 j2 X3 J$ P% I: z' p, E l
9 x" _% w- f9 Z9 N9 j) ~
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。
& d5 r% T4 z6 M
0 X, M+ @1 R) j. q9 O& w 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。+ c4 {5 \/ ]- s, m
5 i* B! ^0 e5 e$ u& v; ^! x. z
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。
) M5 P( ]4 l. Y4 ^+ d0 z% q- e/ w$ d, g; v+ L: ^# _9 M
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。
" d0 R/ Z8 \' c, ~$ J
4 L, s. @" j! @ 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 } L* I2 Y; ~* Z2 w$ e6 _
" h$ \/ g. g0 m6 O0 T/ v 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。
6 p! H% E4 x2 t8 l& k4 t# ~0 ~5 i
- E; F! j6 r4 m0 y! Q* F 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. p0 v5 M" p; Q# E2 n' f) N! o& ?: }8 w, W: ?
3. 减少维护负担:降低长期协议维护的成本。8 C' N, J3 b8 ]9 ], p- S- g
6 j( w* \; D7 s, c2 A: o3 M# L( Y
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。
0 Q) q3 E# k' c
3 C4 Q: E* A5 Z# l/ A9 b. o 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。. U+ o/ M4 m& @' \- L; p3 o
# w' W1 S9 [# U8 {9 _
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。
. k5 A. I0 z# W5 P4 A8 i( ?
* C3 x- e5 c; l4 s6 I本文将探讨五年后的以太坊如何接近比特币的简单性。
; e( S# L0 D& k8 H3 R j
8 @. x1 ^" L- B1 H V8 ^+ ? 简化共识层* F) F& o$ m( j# k) @, a
( ?6 b C+ @- M8 U4 `, B2 m0 n
4 t0 Z! }1 j4 m5 w( T6 F( f- t2 G. T, _ I
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。
! [$ p* S" b" p) m5 A! l' `2 s& E; F' K2 t/ u
相比现有信标链,新设计显著简化:
" M1 r/ s0 y! d6 X7 |
# P4 a& w4 v% c5 c$ N+ Y& _% H/ W- V 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
! b) i" o* u% ]& O4 K' `" l# r$ p J
约 200 行代码,且相比 Gasper,安全性接近最优。
+ ]2 X$ c; a/ a, p1 k" l5 p: v+ j' ?2 s
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。
! D1 _4 \& d8 m
+ ~$ R) h' ?. Z, H$ s/ \ x7 Z# y 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,$ V/ u5 ?9 Q# r. g/ q
( V6 V5 d" D( M x: Y系统性风险较低。/ X( [1 e! v# e/ l7 [
0 o; p. F6 Y& A 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。
: j3 v4 t1 ] T# i' D0 W" E+ P/ x3 j0 T0 b
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)。! h: J" z* C( O a8 @6 e9 p
; f/ p1 t4 ?5 V% ?7 z! g7 o 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。& B0 z" A! ]$ m; m8 ^( Y7 Q
8 h% l( k2 S5 w
简化执行层4 n2 Y4 E) s+ V; p# j! j5 J8 Y3 f
6 N9 K$ K+ e: A7 h* h6 i- ?1 f- ^ 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8 |1 e5 }3 E1 v' A6 g/ o$ g
/ p4 j' Y5 p" I# M1 H
(precompiles)为单一用例优化却鲜被使用。
2 b( a- `9 |4 G8 q5 u7 v3 O- ^1 _! Z3 Q8 I5 K; Y9 N1 t2 h( [" ~7 S
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- F. x& l6 F: }4 C8 O3 E
) y. ~ D/ e9 o& D. h/ z8 ~
示出类似挑战。
1 B! h U' N0 ]3 r4 ^: g- c+ a0 o8 T) v# 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
0 r6 E e1 O" H" S
% B5 [7 Y* B' F' C- J3 T& D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
- ~$ q# Q/ _9 T3 L, p2 V: n
0 e/ @! h1 T* d4 T0 y0 F% A, ]以太坊 ZK 证明器使用的另一种虚拟机。这将带来:+ J! j. g( Q) R
: E' c7 [% O* {8 o0 O. ]% e/ u6 \ 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。7 K$ m( {0 h0 R
2 G! M G3 m# b& \" z 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。
& j9 E7 D* `7 _
8 m3 Q, a% _% j& Q A2 N0 a. ~! J/ r 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。5 E/ }% M! `& A
. g5 I, L( x# p 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。" r! f8 K, R M* `2 @/ A6 U
" r% F6 d3 D' d; k' f
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)。
( T' H$ ~5 V: C; j1 {5 n
" H6 d2 O# p8 I, k! H 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、% y6 C! y8 \5 T# g! F- r. y
5 n6 R7 x3 B d5 {* B! |支持 DUP/SWAP17–32)来缓解这一问题。
) s; m2 c1 k: m% F1 P! ^1 p; b6 ]7 r9 `9 k" M& |; J, N- k, p0 s9 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?
7 c6 w9 O2 j. \
) F" r+ }1 f( ~, @/ r 虚拟机过渡的向后兼容策略& @5 C) N0 ^, n7 b# }" A- B$ X
. Q5 B5 V6 u& \! u1 e' B" ^4 }% T 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。' N% Z7 u+ i% ~; I' N8 j
6 r8 S' a" o5 [8 ^. t5 K 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。
/ A( ~; R% `! \4 e0 R% N& {
( ]. Y# l) a6 t' u; C9 d" r
2 u3 C l( U3 ~% U% g X( m% Z/ 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。
1 }" j! i+ U' s5 X' S
$ w4 m# w3 C3 E* ] 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- W( t8 [; u3 A* E. ^
% [3 Y6 U& B ]6 R+ N+ ~3 V2 a5 F3 c形式化证明器可完全忽略橙色区域。
1 t# v* W+ _( E1 b: S7 B! r5 j$ w$ x7 h3 k* k9 C
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; N% H$ o ^: E- J$ [+ z
% e3 g. ^/ Q' L
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。
4 N! H0 j; Y2 S6 ^) V+ p* Y8 |/ P# d2 ]3 ~9 y& 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
7 }- w0 m% c5 }* C( v
/ d* ? a- C8 v& F: I1 o) y: `+ t+ F域的代码复杂性远比绿色区域的复杂性危害小。
, d7 r! e6 x! c5 ]. R7 D8 B
0 `% x; {9 x* r! D% N, X: l! W 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。
, Y1 V4 f1 g- l; ~4 N
: i/ t5 [# c8 u3 U& }- \! \. v 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。+ _' O- H2 A+ a+ g$ y7 b& N
3 u3 H, b2 |/ y7 H1 u 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。* Z' ?# b1 z; k! c% Z. o5 v% |& f
+ i6 d* T/ z) l' Z" V9 u2 \" y
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
( }2 f% Q4 m6 r7 M5 a
7 \2 Z8 X- m5 M- U- d$ L(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。
S3 k+ t0 ^# Y# m) n- }) ~" m6 r9 ^/ c4 O: S+ t
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。
1 }- B* g a* H
4 q+ m0 v& r# S$ \* \0 l+ I1 s3 `5 I$ N
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。
( g) `. E( ?; F, V7 v" a; s$ r# g
通过共享协议组件简化- r0 h- w: I+ t$ y f
' N/ S! P; C1 x" 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3 L; \/ d" R$ [0 Z4 s& [& Y( C
8 j5 z S6 l' S6 P
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。: w% @& L3 J% t& L
, A! r" C6 X& R6 \" Z; c# J, {
统一纠删码+ W+ b# P+ d/ c" j$ a0 V
7 c' f! x1 O1 d5 b" O3 V! p$ y- r6 R- Q
我们在三个场景中需要纠删码:6 d6 W( F1 v3 S- z D
9 q4 G9 k0 i* h# g) v
1. 数据可用性采样:客户端验证区块已发布。 b" N6 w) L' y
9 O7 a1 ]& G7 |; o$ p0 U0 j0 c
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。1 C! b8 M0 U0 a
6 t# F; D& |0 f" G, @9 q( u 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。* s9 U& H% m0 b8 L5 S
& ^2 P( }0 ~( |! v 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:$ ^0 O0 d) ]/ L* V
" D# w. F( w$ n; [4 S! D+ ^ 1. 最小化代码量:减少总代码行数。% n2 _' [ l5 V3 ?" u& |& H
" J& l1 Q- \+ G7 a! o+ q 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。
# y3 N# u$ B4 _/ D& d: J0 }5 v$ X6 j. o
3. 确保可验证性:所有场景的片段均可根据根验证。& f. {/ o! V# q: d1 z* ~$ u
$ R2 ?* `% K' n5 T! f
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。
6 Q9 m/ Z7 D" F6 u# i R8 c
) U; ~ C6 E! b3 j 统一序列化格式+ m& Z. n* T7 g. @* q
; L/ ~: C+ e* q3 ?3 `; h6 q
" Z: Y; s/ A( h) z8 a
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" u- }- f) \4 m4 N
$ r+ k+ l: N( e! E2 K
度将因以下原因进一步提高:
4 L* R6 B/ a" U+ ^+ k' ~# d" z' V. W6 K6 r. M5 n; q' d9 n
1. 完全账户抽象(EIP-7701):交易完整内容对虚拟机可见。1 { L: j0 z! s) y' @2 e
, z1 H& ~0 n6 p# }( z; \ 2. 更高的 Gas 限制:执行层数据需放入数据块(blobs)。0 x' Y9 q7 ] h" |; v+ U, g
3 y# P* K0 N0 o! }& S9 S 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。
* A/ c3 N- `" O% o6 A, P+ N( `" K4 y9 L- Q/ u
我提议使用 SSZ,因为 SSZ:
6 W2 b& E6 T$ b$ w, | P6 C0 t5 {9 a) W
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)。
9 x$ R4 @" |# {
) J# P( b6 ^+ ? 2. 已在共识层广泛使用。; x; |2 k4 p9 A2 D( Z |, }
. k# D; X4 s8 }) H, z- v
3. 与现有 ABI 高度相似:工具适配相对简单。
G" y3 |6 B0 _9 u
5 D5 T+ X( o L _ 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。
( K5 E7 \/ c& `* t ~9 |/ g" q, U! W0 j/ ]" |
统一树结构8 Y. E/ C* F6 I* m7 U8 Q3 U8 \& ]
2 Q3 }$ c9 N) ?: X9 _/ R/ f) n
) T5 M/ A3 w9 R 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
) b8 w% g. n8 p7 a( q' \
7 V, b0 X5 q" B! M: e- Q: X$ X0 K8 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 x7 m x! l9 x% h! o1 n) {8 E
' j! H O" q. T5 ]( J* L 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。
3 T$ q0 _' |+ X" h- S2 p* |+ M# n5 b
从现在到未来5 ] H3 u# p" S
5 J+ ^- P% i) }4 |% N
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
6 w- }6 l1 k( A. x6 u! m0 @4 J: O% h% P0 @
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。
) y( ~2 [* Y( l) ~. K& o2 O/ }. J# p- Y( w" Y5 _
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
; A% n/ _7 J% R( L5 U6 f3 c
) A. M1 v( y% M( e5 r P0 } M+ O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。, b; `' d# h0 P: K- Z1 [. X: Y4 @# I2 H: }
" U4 N. W3 d- R8 D# s8 p
3 M- }# l' q: d' J+ f
. y' Q- r: H* y# k
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