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合併在即：詳解以太坊最新技術路線

Jiawei

閱讀本文需 37 分鐘

未來幾年，Rollup的整體價值將變大，甚至超越以太坊本身。

原文標題：《 IOSG Weekly Brief ｜合併在即：詳解以太坊最新科技路線》

原文作者：Jiawei， IOSG Ventures；編輯：Olivia，IOSG Ventures

本文僅做產業學習交流之用，不構成任何投資參考

tl;dr：

如果「The Merge」進展順利，分片將成為以太坊在 2023 年及之後的開發主軸，而距離 2015 年分片被提出，其含義已經發生了很大變化。

在Vitalik 提出「以Rollup 為中心的以太坊路線圖」和以太坊的「Endgame」之後，以太坊的大方向發生了事實上的轉變——「退居幕後」，作為Rollup 的安全性保證和資料可用性層。

Danksharding 和 Proto-Danksharding 是一系列的技術組合，表現形式在於「發現問題」、引入或提出新技術來「解決問題」的一套組合拳。

時間線拉長到未來幾年，Rollup 的整體價值將變大：以太坊上呈現多Rollup 的發展格局、跨Rollup 基礎設施高度完善、Rollup 生態高度繁榮——甚至超越以太坊本身。

引言

圖片來源：https://consensys.net/blog/blockchain-explained/the-roadmap-to-serenity-2/

轉眼 2022 年已走過一半。我們回看 Vitalik 在 2018 年 Devcon 演講中提出的 Serenity Roadmap，容易發現以太坊的發展路徑幾經更迭— 對比當前的路線圖，分片被賦予新的含義，eWASM 亦少有人提及。

為了避免潛在的詐欺和用戶誤導問題，今年1 月底，以太坊基金會宣布棄用「ETH2」的說法，而是把當前的以太坊主網改稱為處理交易和執行的「執行層」，將原ETH2 的說法改稱為協調處理PoS 的「共識層」。

目前，以太坊官方的路線圖涵蓋了三部分內容：信標鏈、合併與分片。

其中，信標鏈（Beacon Chain）作為以太坊向PoS 遷移的前置工作，以及共識層的協調網絡，於2020 年12 月1 日啟用，迄今已運行近20 個月。

合併（The Merge）指目前以太坊主網與信標鏈的最終合併，也即執行層與共識層的統一，標誌著以太坊正式遷移到 PoS。在IOSG 的文章「黎明將至：以太坊合併近在咫尺」中，我們介紹了合併相關的重要進展：當前以太坊Ropsten 與Sepolia 測試網成功完成了合併，緊接著是Goerli 的合併；如果一切順利，意味著我們離主網合併不遠了。

圖片來源：https://medium.com/decipher-media/blockchain-scaling-solutions-4-1-ethereum-sharding-e88e8cacdfc

本文我們將著重討論分片（Sharding）。原因在於：

其一，假定主網合併能夠在年內順利實現，那麼分片將緊隨其後，作為 2023 年以太坊的開發主軸。

其二，以太坊分片的概念最早由 Vitalik 在 2015 年的 Devcon 1 中提出，此後 GitHub 的 Sharding FAQ 中提出了分片的 6 個發展階段（如上圖）。然而，隨著以太坊路線圖的更新和相關 EIP 的推動，分片的含義和優先順序都產生了很大變化。當我們在討論分片時，需要先確保對其含義的理解達成一致。

綜上兩點，梳理清楚分片的來龍去脈是很重要的。本文將著重討論以太坊原分片、 Danksharding 和 Proto-Danksharding 的由來、進度和未來路線，而非具體到每個技術細節。關於 Danksharding 和 Proto-Danksharding 的詳細內容，可參考 IOSG 先前的文章：「擴容殺手鐧 Danksharding 會是以太坊分片的未來嗎」、「EIP4844：即將開啟 L2 交易費降低可預見的窪地效應」。

Quick Review

這篇文章中將會多次提到 Rollup、資料可用性和分片。

我們在這裡快速回頭看一遍三者的基本概念。

目前主流 Rollup 分為 zkRollup 和 Optimistic Rollup。前者基於有效性證明，即批量執行交易，依賴密碼學證明SNARK 來保證狀態轉換的正確性；後者「樂觀地」假設所有狀態轉換是正確的，除非被證偽；即需要一段時間窗口來確保錯誤的狀態轉換能夠被發現。

資料可用性對 zkRollup 和 Optimistic Rollup 都非常重要。對前者而言，使用者可以基於資料可用性重建二層的所有交易，以確保抗審查；對後者而言，需要使二層的所有資料都被發布，沒有被隱藏任一交易。至於當前數據可用性面臨的瓶頸與相應的解決方案，在下文中會提到。

圖片來源：https://www.web3.university/article/ethereum-sharding-an-introduction-to-blockchain-sharding

以太坊全節點對EVM 的完整狀態進行存儲，並參與所有交易驗證，這樣確保了去中心化和安全性，但隨之而來的是可擴展性的問題：交易線性執行，且需要每個節點逐一確認，這無疑是低效率的。

此外，隨著時間推移，以太坊網路資料不斷累積（目前達 786GB），運行全節點的硬體需求隨之水漲船高。全節點數量下降將引發潛在的單點故障，並削弱去中心化的程度。

直觀地看，分片相當於分工合作，即對所有節點進行分組，每筆交易只需要由單組節點進行驗證，並定期向主鏈提交交易記錄，以此實現交易的並行處理（例如有1000 個節點，原來每筆交易都必須由每個節點進行驗證；如果把他們分成10 組，每組100 個節點來驗證交易，效率顯然大大提升了）。採用分片使得在提高可擴展性的同時，也降低了單組節點的硬體需求，從而解決上述兩個問題。

原分片

圖片來源：https://vitalik.ca/general/2021/04/07/sharding.html

以太坊原方案中有64 個分片，每個分片中都有獨立的提議者和委員會，提議者是被隨機選擇的一個驗證者，收集交易並進行排序；委員會是一組驗證者的集合（至少由128 個驗證者組成），每隔一定時間被隨機分配到各個分片上，並驗證交易的有效性，如果委員會的2/3 投票通過，則呼叫驗證者管理合約（VMC）向信標鏈提交交易記錄。有別於下述的「資料分片」，這種分片又稱為「執行分片」。

背景

在聊Danksharding 之前我們不妨先花點時間了解其背景。個人猜想，Danksharding 推出的社區氛圍基礎主要來自 Vitalik 的兩篇文章。這兩篇文章為以太坊的未來發展方向定下了基調。

首先，Vitalik於2020 年10 月發表了「以Rollup 為中心的以太坊路線圖」，提出以太坊需要在中短期內對Rollup 進行集中支援。其一，以太坊基礎層擴容將聚焦於擴大區塊的資料容量，而非提高鏈上運算或 IO 操作的效率。即：以太坊分片旨在為資料 blob（而非交易）提供更多空間，以太坊無需對這些資料進行解釋，只確保資料可用。其二，以太坊的基礎設施進行調整以支援 Rollup（如 ENS 的 L2 支援、錢包的 L2 整合和跨 L2 資產轉移）。長遠來看，以太坊的未來應該作為安全性高的、人人可處理的單一執行分片，以及可擴展的資料可用性層。

圖片來源：https://vitalik.ca/general/2021/12/06/endgame.html

此後，Vitalik 在2021 年12 月發表的《Endgame》中描述了以太坊的最終圖景：區塊產出是中心化的，但區塊驗證實現去信任且高度去中心化，同時確保抗審查。底層鏈為區塊的資料可用性提供保證，而 Rollup 為區塊的有效性提供保證（在 zkRollup 中，透過 SNARK 來實現；在 Optimistic Rollup 中，只需有一個誠實參與者運行詐欺證明節點）。類似於 Cosmos 的多鏈生態，以太坊的未來將是多 Rollup 共存的——它們都基於以太坊提供的數據可用性和共享安全性。使用者依賴橋在不同 Rollup 之間活動，而無需支付主鏈的高額費用。

上述兩篇文章基本上確定了以太坊的發展方向：優化以太坊的基礎層建設，為Rollup服務。以上論點也許基於這樣一個看法：既然Rollup 已經被驗證有效並且得到良好的採用，那麼「與其將花上幾年時間等待一個不確定且複雜的擴容方案（註：指原分片），不如將注意力放在基於Rollup 的方案上」。

在此之後，Dankrad 提出了新分片方案 Danksharding。以下我們把 Danksharding 的具體技術組成拆分出來理解。

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Proto-Danksharding

圖片來源：https://l2fees.info/

Proto-Danksharding 提出的背景在於，雖然Rollup 方案對比以太坊主鏈而言顯著降低了交易費用，但還沒有到足夠低的理想程度。這是由於以太坊主鏈上提供資料可用性的 CALLDATA 仍然佔據較大的花費 (16gas / byte)。在原先的設想中，以太坊提出在資料分片中提供每個區塊 16MB 的專用資料空間給 Rollup 使用，但距離資料分片的真正實施仍舊遙遙無期。

今年2 月25 日，Vitalik 和DankRad 等提出了EIP-4844（Shard Blob Transactions）提案，也即Proto-Danksharding，旨在以簡單、前向相容的方式擴展以太坊的數據可用性，使其在Danksharding 推出之後仍然可用。該提案的變更僅發生在共識層上，不需要執行層的用戶端、使用者和 Rollup 開發者進行額外的適配工作。

Proto-Danksharding 實際上並未執行分片，而是為將來的分片引入了一種稱為「Blob-carrying Transactions」的交易格式。這種交易格式區別於普通交易在於其額外攜帶了稱為 blob 的資料區塊（約為 125kB），使區塊實際上變大，從而提供比 CALLDATA（約為 10kB）更加廉價的資料可用性。

然而，「大區塊」的普遍問題是對磁碟空間的要求不斷累加，採用Proto-Danksharding將使以太坊每年額外增加2.5TB 的儲存量（目前全網路資料僅986GB）。因此，Proto-Danksharding 設定了一段時間視窗（例如 30 天），在此之後對 blob 做刪除操作，使用者或協定可以在這段時間內對 blob 資料進行備份。

即，以太坊的共識層僅僅作為一個高度安全的「即時公告板」，確保這些數據在足夠長的時間裡面是可用的，並使其他用戶或協議有足夠的時間來備份數據，而非由以太坊永久保留所有的blob 歷史數據。

這麼做的原因是，對儲存來說，每年新增的2.5TB 不在話下，但對以太坊節點卻帶來不小的負擔。至於可能導致的信任假設問題，實際上只需有一個資料儲存方是誠實的（1 of N)，系統就可以正常運作，而不需要即時參與驗證、執行共識的驗證者節點集（N/2 of N）來儲存這部分歷史資料。

那麼，有沒有誘因來推動第三方儲存這些資料呢？作者暫時沒有發現激勵方案的推出，但Vitalik 本人提出了幾個可能的資料儲存方：

1 、針對應用的協定（例如Rollup）。它們可以要求節點儲存與應用相關的歷史數據，如果歷史資料遺失，會對這部分應用造成風險，因此它們有動力去做儲存；

2、BitTorrent；

3、以太坊的Portal Network，這是一個提供對協議的輕量級訪問的平台；

4、區塊鏈瀏覽器、API 提供者或其他資料服務商；

5、個人愛好者或從事資料分析的學者；

6、 The Graph 等第三方索引協定。

Danksharding 資料可用性取樣（DAS）

圖片來源：https://notes.ethereum. org/@hww/workshop_feb_2022

在Proto-Danksharding 我們提到新的交易格式使得區塊實際上變大了，並且Rollup 也累積了大量數據，節點需要下載這些數據來保證數據可用性。

DAS 的想法是：如果可以把資料分成N 個區塊，每個節點隨機地下載其中的K 個區塊，就能驗證所有數據是否可用，而無需下載所有數據，這樣就能大大減少節點的負擔。但如果某個資料塊遺失了怎麼辦？僅僅透過隨機下載 K 個區塊很難發現某個區塊遺失了。

為了實現 DAS，引進了糾刪碼（Erasure Coding）技術。糾刪碼是一種編碼容錯技術，基本原理是把資料分段，加入一定的校驗並使各個資料段之間產生關聯，即使某些資料段遺失，仍然能透過演算法將完整的資料計算出來。

如果把糾刪碼的冗餘比例設為50%，那麼意味著只需要有50% 的區塊數據可用，網路中的任何人就可以重建所有區塊數據，並且進行廣播。如果攻擊者想要欺騙節點，則必須隱藏掉超過 50% 的區塊，但只要進行多次隨機採樣，這種情況幾乎不會發生。（例如，假設對區塊進行了30 次隨機採樣，這些區塊都恰好被攻擊者隱藏掉的幾率是)）)

既然節點不下載所有數據，而是依靠糾刪碼來重建數據，那麼首先要確保糾刪碼被正確編碼，否則用錯誤編碼的糾刪碼當然沒辦法重建資料。

這樣，進一步引入了KZG 多項式承諾（KZG Polynomial Commitments），多項式承諾是一個「代表」多項式的簡化形式，用於證明多項式在特定位置的值與指定的數值一致，而無需包含該多項式的所有資料。 Danksharding 中透過採用 KZG 承諾來實現糾刪碼的驗證。

如果我們可以把所有數據都放在一個KZG 承諾中當然很省事，但是構建這個KZG 承諾，或者一旦有部分數據不可用，重建這個數據——兩者的資源需求都是巨大的。（實際上，單一區塊的資料需要多個 KZG 承諾來保證）而同樣為了降低節點負擔從而避免中心化，Danksharding 中把 KZG 承諾進行了進一步的拆分，提出了二維 KZG 承諾框架。

當我們依序解決上述問題之後，依靠DAS，節點或輕客戶端只需要隨機下載K 個數據區塊，就能夠驗證所有資料是可用的；這樣一來，即便引入「大區塊」之後，也不會過度加重節點的負擔。

（註：特別地，Danksharding 中採用的糾刪碼演算法是Reed-Solomon 編碼；KZG 承諾是由Kate、Zaverucha 和Goldberg 發表的多項式承諾方案。

區塊提議者與建構者分離（PBS）

在當前情況下，PoW 礦工和PoS 驗證者既是區塊構建者（Builder），又是區塊提議者（Proposer）——在PoS 中，驗證者可以用MEV 的利潤獲取更多新的驗證者席位，從而有更多機會去實現MEV；此外，大型驗證池顯然比普通驗證人有更強大的MEV 捕獲能力，這導致了嚴重的中心化問題。於是，PBS 提出把 Builder 和 Proposer 分開。

PBS 的想法如下：Builder 們建立一個排好序的交易列表，並且把出價提交給 Proposer。 Proposer 只需要接受出價最高的交易列表，且任何人在拍賣的獲勝者被選出之前，無法知道交易列表的具體內容。

這種分離和拍賣的機制引入了博弈和Builder 之間的「內卷」：畢竟每個Builder 捕獲MEV 的能力不盡相同，Builder 需要權衡潛在的MEV 利潤、以及拍賣出價之間的關係，這樣實際上減少了MEV 的淨收入；而無論最終Builder 提交的區塊是否能夠順利產出，都需要向Proposer 支付競價的費用。這樣一來，Proposer（廣義來說是所有驗證者集，在一定時間內隨機重選）相當於分享了一部分 MEV 的收入，削弱了 MEV 的中心化程度。

以上介紹了 PBS 在解決 MEV 方面的優勢，而引入 PBS 還有另一個原因。在Danksharding 中，對Builder 的要求是：在1 秒左右計算出32MB 數據的KZG 證明，這需要32-64 核的CPU；並且在一定時間內以P2P 的方式廣播64MB 的數據，這需要2.5Gbit/ s 的頻寬。顯然驗證者無法滿足這樣的要求。

於是PBS 把兩者分開，Proposer 仍然作為一般驗證者節點，負責選擇交易列表，並廣播區塊頭；而Builder 作為一個專門的角色，負責上述工作和建立交易清單。

圖片來源：https: //ethresear.ch/t/two-slot-proposer-builder-separation/10980

去年10 月，Vitalik 提出了雙Slot PBS 方案（註：每個Slot 為12 秒，是信標鏈的時間單位），但具體的PBS 方案仍然在討論中。

抗審查清單（crList）

圖片來源：https://notes.ethereum.org/@hww/workshop_feb_2022

但PBS 也帶來一個問題，如果某個Builder 總是出最高價（甚至寧願承擔經濟損失）來贏得拍賣，那麼他實際上有了審查交易的能力，可以選擇性地不把某些交易包含在區塊中。

為此，Danksharding 進一步引入了抗審查清單crList（即Censorship Resistance List），即Proposer 有權指定一個交易列表，這個交易列表必須被Builder 所包含；在贏得拍賣後，Builder 需要證明crList 中的交易都已經被包含在內（或區塊已滿），否則該區塊將被視為無效。

小結

圖片來源：https://notes.ethereum.org/@hww/workshop_feb_2022

把上述的數據可用性採樣（DAS）、區塊構建者和提議者分離（PBS）以及抗審查列表（crList）組合起來，就得到了完整的Danksharding。我們發現，「分片」的概念其實已經被淡化了，儘管保留了 Sharding 的叫法，但實際上的重點已經放在對資料可用性的支援上。

那麼 Danksharding 比較原分片有哪些優點呢？

（Dankrad 本人在這裡列舉了Danksharding 的10 個優點，我們選取兩個來具體解釋）

在原分片中，每個單獨的分片都有其提議者和委員會，分別對分片內的交易驗證進行投票，並由信標鏈的提議者收集所有投票結果，這項工作很難在單一Slot 內完成。而在 Danksharding 中只在信標鏈上存在委員會（廣義的驗證者集，一定時間內隨機重選），由這個委員會來驗證信標鏈區塊和分片資料。這相當於把原來的 64 組提議者和委員會簡化為 1 組，無論是理論還是工程實現的複雜度都大大降低了。

Danksharding 的另一個優點是，以太坊主鍊和 zkRollup 之間有可能實現同步呼叫。上文我們談到，在原分片中信標鏈需要收集所有分片的投票結果，這會產生確認的延遲。而在 Danksharding 中，信標鏈的區塊和分片資料由信標鏈的委員會進行統一認證，也即同個信標區塊的交易可以即時存取分片的資料。這樣激發了更多可組合性的想像空間：例如 StarkWare 提出的分散式 AMM（dAMM），能夠跨 L1/L2 進行 Swap 或共享流動性，從而解決流動性碎片化的問題。

在 Danksharding 實施後，以太坊將變成 Rollup 的統一結算層和資料可用性層。

Closing Thoughts

在上圖中，我們對 Danksharding 做一個總結。

綜上，我們大致可以看到，未來的2 至3 年內，以太坊路線圖的指向性是非常明顯的－圍繞著服務Rollup 而展開。儘管在此過程中路線圖改變與否仍然是未知數：Danksharding 預計將在未來 18-24 個月內實現，而 Proto-Danksharding 將在 6-9 個月內實現。但至少我們明確了 Rollup 作為以太坊的擴容基礎，佔據著一定的主導地位。

根據Vitalik 提出的展望，在此我們也提出一些預測性思考和猜想：

一是類似Cosmos 的多鏈生態，未來以太坊上將出現多Rollup 的競爭格局，由以太坊為它們提供安全性和數據可用性的保證。

二是跨 L1/Rollup 基礎設施將成為剛需。跨域 MEV 將帶來更複雜的套利組合，類似上述提到的 dAMM 帶來更豐富的可組合性。

三是多 Rollup 的生態應用將超越以太坊本身。由於以太坊的定位退居其次，作為 Rollup 的資料可用性層，我們猜測更多的應用會遷移到 Rollup 上面去做（若第二點成立）；或至少在以太坊和 Rollup 上面同時做應用。