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4 W' S, Z5 `4 i# 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 2 h: U- {4 q; R5 W1 p" G7 a
) ^( o! w2 Q& K" G" C
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
$ T& h" T/ L. \- T6 g
l% V. ~/ J# P, o) z8 U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。+ k' r1 ?4 n- y/ { k
$ U" k7 a! s! B# H# ] 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2 N2 U/ ?2 R+ e* y8 C
& G k) R7 c) G1 q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
# g( v6 _4 u& B' q& ~- t
8 t% s5 C# E; q5 j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。
# g; ^8 {5 \( d$ R; q5 V' \, A4 S _
' j. R, c* \/ M9 A0 ^6 N" b- W 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。
' C6 L1 ~9 ~- E, l- p, ?% f, h7 b+ J' L7 T5 m- T" C. Z
比特币协议最令人赞叹之处在于其优雅的简洁性: q4 d# H( P O. I/ _3 K
# S- u) i6 m9 k" i2 h$ t) N
3 O7 f w5 q8 k3 P2 f' d/ M+ e 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。$ m! c" ~, O/ r7 Y9 P2 F% `
, t$ c+ Q0 Y8 ]
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。4 x$ t z& }$ b. ~; e
$ j8 \1 b* f& u% ~' 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。
! P: X8 U& W6 ^" ]2 f
( N" s& Y8 W0 x5 @ 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。# p E& x# e, A3 Z
7 z9 \% \+ B9 z' V; M 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:' {, Y0 G9 R6 [- H* s& P+ @8 V
8 [/ g, U+ G4 i9 p6 ^" ]' D
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。" {2 q3 l i* N; _9 ~% J& t
8 _9 u% ?; F4 K. W; {6 |* 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。1 c) E: t5 I9 R. y9 O- h
- o& N$ H% _; E. m 3. 减少维护负担:降低长期协议维护的成本。& i" z" T4 \6 `& H* n j
& F! h. |0 a/ j* T7 U0 }
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。
6 I: t6 J" G1 Y# R% d1 `8 [0 V! w8 c- m7 ]) Y0 l/ B
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 k- L) [0 P' B+ P# Y: M
8 Q* n* I+ G% z 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。
, l* E- g4 X9 B6 {0 i, ]8 F8 A+ W) L* W9 P4 m, d5 h0 b
本文将探讨五年后的以太坊如何接近比特币的简单性。
" y' L3 ~8 g- W8 i- W a& f
7 w6 M! w* r* `. \# v; K8 T 简化共识层3 _+ E1 n5 r3 g9 O
# d# [7 m& u) v2 c) z8 v% b
, h3 h( W) S- a1 t/ l' P s$ S" D; C7 \
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。
, X/ v" o6 ^6 H; Q7 H- K' `- s0 N5 w5 M7 d+ _
相比现有信标链,新设计显著简化:
/ @* x$ v8 w0 t3 j8 _3 [3 Q4 C+ |) h8 f. O Y
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
: a6 i& W" A1 X) E, N( @1 D' {$ w7 N6 p) ]
约 200 行代码,且相比 Gasper,安全性接近最优。
/ X3 W. m n9 L/ X0 g! H9 Z" I* b$ g: Q0 l& u
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。
! H6 e( Y2 n, P' b- E/ c. u; A) o1 {0 N! N& {7 W3 K" e
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,
$ q8 c% X5 N4 S" m4 C" z9 q# ?6 w, ~3 i5 B9 t* s: i4 k
系统性风险较低。# I4 D+ v7 X, L" T( }: H: E
- y4 u* w+ R4 z) t5 a6 F6 s N) G
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。) m; I, M7 t) C3 ?" @4 ?) n& Q
4 \4 ?3 b# T$ A
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)。
, A$ S8 H9 O9 d7 @' [) N8 Q+ ~1 {: b* }! y( G, V1 e
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。+ C* y: K' Y3 D; |8 E
! A2 X) n8 E5 K& A# @, J# V! e
简化执行层- `& U9 _6 j6 Q& p9 [
4 x7 i. o: k4 J. n
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
( x& a1 d3 _2 }" h1 g) `$ ~; f! c; g: Z
(precompiles)为单一用例优化却鲜被使用。4 v7 E4 E! }8 {) Z' A
/ r/ o) g) e/ z7 e
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
' J) ?$ M# d4 u6 ~
* [1 m5 e3 J' ~2 M9 |& G示出类似挑战。5 t l/ J* p p8 w0 m
8 d9 Y/ m6 I: k% J2 d 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
9 x) L) |( s1 r
) h( L- S6 B1 Y5 {$ s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/ J3 Z6 w) S9 H2 S& ~8 o, ]
$ I' s7 ^* _3 D; [以太坊 ZK 证明器使用的另一种虚拟机。这将带来:$ A0 u- W, ?, P
& E7 H$ g2 P8 c0 F- a 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。
. _, W+ W' {( |- ~6 m6 U4 D3 {3 j) F3 U( g1 }% v a
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。
' _+ J1 h" @- [% P8 _& S% T4 T
! V( C7 W) G) S$ 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。# q8 v; m1 C' l; O$ g* s' H
% d3 p+ t0 r7 y1 {; c3 w$ ?( H
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。
7 I9 S k. {% }% A# k
0 y' W$ q& x' R9 ], h# V+ N5 P 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)。0 x( s" k; Z. T2 N" }/ C# v, z
! n( l7 K5 h6 f7 G7 l; M! g' p% A& W 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、) w" ` b, U& b' Y
9 y A7 Y& v7 U. h- R) u
支持 DUP/SWAP17–32)来缓解这一问题。3 _9 @' D, x1 z. S6 B2 u' j
! ?" T; t, @" r4 ~
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$ U, a
. E9 w {! y4 D& L 虚拟机过渡的向后兼容策略. Z6 t% z8 s* a0 ~$ n
# p0 B7 }% ]9 l$ 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。3 b4 h' t0 E3 m' y+ W
+ Q7 g8 R$ P/ h& R 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。
8 v/ d: p& m3 V Z6 s: g7 ^8 W( Z% x, k% k8 P8 c- j, ?- l; ~
1 h, @3 X6 d' ]2 O1 P: l* u/ f
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。
+ l- N+ e6 b8 \! a" M) K0 m) m( |3 v2 ]6 r+ \
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
" \) Y' `" W1 f" O e
8 R- C4 r/ s5 Q4 d5 ?5 _形式化证明器可完全忽略橙色区域。
) b5 M; N$ ]7 W" i) U% I
3 u! N& I3 A1 o+ B# p 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
6 O: X/ I% _4 e/ [+ [* s' V1 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。; N& I) {) E3 H( C% P. G
5 ?9 C1 R! Y* @8 H
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" G% n& K1 X/ Z' \9 {: s5 K
+ {$ n) J8 s' ]$ F! h/ `# j+ N* ^1 l
域的代码复杂性远比绿色区域的复杂性危害小。. x1 z& a; C D7 a- B. X
) U+ N) {. ^, a f+ H3 b7 X3 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。+ v4 E, p n8 J3 n
+ _( u6 C$ U3 i8 ` 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。. J+ k$ C* h; W- v+ s0 x
- p3 }9 T5 E9 c L6 ?8 C
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。
' z7 C: M8 S# g0 R( w7 s! _* T, l' N |+ i8 ~8 o/ u
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6 m9 [8 L* a X9 I
& J& {" l3 q6 n! C" P6 X* Z& R
(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。
! c/ B" g& j8 O# M/ ~ p" H; E4 Y, t3 |& g* ?
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。
" _- ^# U0 B9 L V3 S z/ @% p: @- J: Z
' k' `+ ~4 W, v) 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。
" O, I+ x5 r1 O) ^. d" S& q
) M3 Z: A6 p8 t z7 s 通过共享协议组件简化& U" X$ i9 n9 e E
3 Z |! D; e- q# K7 M, V4 ` 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
4 ~3 P% i0 b6 e7 `; C) c2 h2 i( ?8 |( l
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。
% s, O% I6 K$ A" x9 Q/ Z, X( j9 {# e t9 R( n
统一纠删码0 w0 ]) w- S6 B% I
$ ]& e7 P0 J7 z/ J0 ]/ m: n& B
, O$ @" ^& W0 H8 U2 I
我们在三个场景中需要纠删码:* u) @7 {$ _: _! _
# r4 X9 L0 R4 r5 L
1. 数据可用性采样:客户端验证区块已发布。
0 p( o8 @+ o! o" r8 j6 m' n
0 |- w# i4 C$ k0 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。
/ r; K" \. g0 y1 {8 s# J3 \+ U2 Q. M6 V
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。
5 j7 v4 V6 u( |
# @9 _: \ l8 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:
2 V+ v4 _/ L, m( e6 S6 K2 x2 n, G! c/ u
# C6 Y R" `% H5 c% f+ p 1. 最小化代码量:减少总代码行数。" J9 C) q0 G! z& ^- b b
) V: I* i6 Y. P$ N7 F 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。
" L, G% A& q. C7 {+ |5 p8 t; L9 ~5 H$ C0 j' `% Y
3. 确保可验证性:所有场景的片段均可根据根验证。
, C k+ N! B/ l; Z- X: q$ e0 d
; H- g# Z4 \# [ 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。8 ^9 r- s# q3 x6 \" G+ L* e
8 ]- ?* }# ]7 [9 i% y {: b 统一序列化格式
) v) O8 u. u' O. _* s% @1 k D/ A# q+ s5 f
8 v8 p( z. O; w0 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+ U" m8 ^# z, ^) X
f. q( B, h8 G4 J
度将因以下原因进一步提高:
/ Z* x7 O! _0 D. a8 D* r" {1 p& h; t
1. 完全账户抽象(EIP-7701):交易完整内容对虚拟机可见。
1 F/ ]8 g6 K2 v; Y+ b: g
6 z+ _6 b7 V9 n B8 @ 2. 更高的 Gas 限制:执行层数据需放入数据块(blobs)。
6 |/ ?- V) w8 z( z. v4 A" ^8 v+ Y7 T- ]! T( @. ]- P2 Z+ K
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 i9 G0 X2 m, D- H9 G- e8 D2 D$ u& ~. H. S! N
我提议使用 SSZ,因为 SSZ:9 q5 O- ?8 j8 l/ Z# v4 \3 b5 Q
; C4 g( Z' ? Q5 \) t1 [
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 a( @, g2 c. n9 n$ U! A- I9 x c
" Y* w% F4 Z D2 g4 m( N) R5 b 2. 已在共识层广泛使用。1 w- S7 C" O! M- Y+ s+ S+ J
% h% v& ]7 Y+ z7 e- F 3. 与现有 ABI 高度相似:工具适配相对简单。: C4 g; b2 |/ l8 J& n3 S
- n9 ^ X+ {: o( 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。" L% h K8 o: R K
& x" c9 f2 r, d- U6 z, Q
统一树结构
2 C) A* U l% C% q) N$ D% z
( u( k+ J0 N: _( N& f$ n( x2 N2 k8 [7 ~. b
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. i; K: @/ _" ]1 S" @% _( w
/ o, q. w( s; d) D5 V8 p, |+ ^; q* n
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。: T. K; R0 G, X' h( r z
# n9 `1 o. K+ n# g- r3 f 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。; z0 w% S( F Y/ C% H
4 h5 J, t4 g, K8 J2 ~2 m 从现在到未来
2 a D* V0 X+ }7 P9 f( k5 g0 Q& R' e' s+ q" v
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
, `; U0 _9 Q [! {. c
" ]! A* D- I7 l8 p4 T5 r+ {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。; R; l O% s3 }! ]& Z/ J( Q4 {9 t
9 e5 i' ` h+ I& x 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" C2 s9 u/ L' ?! g
6 [: 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。
! ~; N% {% w& ` j& x2 J6 h0 f3 P% M+ v& o) w
$ S1 g5 w1 }( [6 _8 R2 p6 t- v: e( N$ g5 Z5 X, o) k3 P( V
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