通往“世界计算机”之路：详解以太坊的5个升级阶段及最终形态

原文标题：
原文编译：Kxp，BlockBeats

引言

「合并」（The Merge），即 Ethereum 向权益证明网络转换，计划将在今年 9 月底前在主网完成。本次升级旨在系统性提升区块链的可访问性，并将 Ethereum 从 Bitcoin 式的工作证明共识机制过渡到权益证明系统。Ethereum 从执行分片转向以 Rollup 为中心的路线图是为迎接下一个 10 亿用户而扩展区块链的关键一步。正如我们之前的文章《模块化区块链之探索》中所指出的那样，模块化架构中的数据可用性和分片可以让区块链在不牺牲去中心化的情况下扩展吞吐量。同时，文章就数据可用性、Rollup 和故障/有效性证明进行了深入探讨，为进一步了解合并的背景与目标打下了基础。本文将对合并的技术细节、Ethereum 的新路线图，以及这一变化对用户和开发者的意义进行深入分析。

来源： @ptrwtts

以 Rollup 为中心的路线图

最初，Ethereum2.0 的计划（现在已经放弃该术语）是想通过将主网划分为 64 个分片，每个分片都有独立的矿工/验证者来实现可扩展性。然后，用户将根据拥堵情况、利用率和吞吐量，将交易发送到特定的分片。由于 Rollup 的不断发展，加上执行分片的复杂性，原来以执行分片为中心的可扩展性路线图就不再适用了，于是人们便开始采用数据分片。在 Ethereum 团队看来，Rollup 将成为 Ethereum 扩展的关键要素，他们计划让升级后的 Ethereum 成为一个强大的结算和数据可用性层，并让 Rollup 从中获得安全性。

来源： ETH2 Book

信标链 (The Beacon Chain)

与普遍观点不同的是，合并的目的其实不是为了降低交易成本，而是要将 Ethereum 转变为一个用于 Rollup 的基础设施层，而建设信标链则是实现这一目标的首个关键步骤。Ethereum 将从之前的「工作证明」系统转变为「权益证明」系统，而在这个系统中，质押者要想生产区块必须提供抵押品，以此来杜绝任何不诚实的行为。在共识系统转移到权益证明上之后，验证委员会将作为原语被引入，从而加强了网络共识，为形成高效的协议内数据可用性层做了铺垫。信标链负责协调质押者，并不像今天的 Ethereum 那样处理或执行交易。更具体地说，合并其实是将 Ethereum 的旧执行层与信标链提供的新共识引擎合并，将利用工作证明体系下矿工的现有算法转换成股权证明体系下验证者的协调网络。同时，这一转变也为分片奠定了基础：以前，在工作证明体系下，矿工的工作并无记录，所以她们可以任意停止工作并离开网络；而在权益证明体系下，信标链会将所有受批准的区块生产者都登记在册，并且可以协调、并行化验证者的投票。

来源： ETH2 Book

验证者委员会的形成是信标链的一项重要创新，它们由信标链随机分配，负责对区块进行投票并形成共识。委员会的综合投票被称为见证消息，方便人们通过检查委员会的投票来轻松验证信标链的状态，与由单一验证者进行的验证相比，这种做法最大限度地减少了区块大小和数据增长。同时，见证消息也加强了共识，因为在这种模式下，创建分叉将需要大量验证者的参与。此外，验证者将被定期更换，以防部分心怀不轨的验证者串通起来发动攻击。

来源： Flashbots

共识与 MEV (The Splurge)

合并后，Ethereum 将对共识层进行提议者-构建者分离。Vitalik 认为，所有区块链最终都应该能进行中心化的区块生产和去中心化的区块验证。由于分片后的 Ethereum 区块数据非常密集，出于对数据可用性的高要求，区块生产就必须是中心化的。同时，我们也必须设置去中心化的验证者集，用于验证区块并执行数据可用性抽样。

构建者角色用用户交易构建 Ethereum 执行有效载荷区块，并将其与竞标一起提交给提议者（验证者集的随机选择子集）接受。一旦提议者接受了有效载荷，他们就会在区块上签字，并通过网络传播它。由于发送给提议者的有效载荷被剥离了交易内容，这种结构消除了验证者在前面追赶的可能性。在一个有效的市场中，区块空间市场的引入也激励建设者参与 MEV 竞价，从而让去中心化的验证者获得大部分的 MEV 奖励。与模拟 Ethereum 相比，这种设置可以有效防止矿工破坏共识的稳定性，并减少有害 MEV 的产生。

Danksharding (The Surge)

虽然提议者与构建者分离的设计最初是为了抵消 MEV 的有害外部性和中心化力量，但 Ethereum 核心团队意识到它也可以服务于数据分片。

Danksharding 以核心贡献者 Dankrad Feist 的名字命名，其主要创新是一个合并的收费市场，取代了原来数量固定、具有不同区块和提议者的分片，特定时间内的所有交易和数据将由提议者挑选。该提议者背后其实是一个随机生成的验证者委员会，负责对区块链数据的可用性进行抽样。这样一来，轻客户端的数据可用性就可以用去中心化的方式加以维护，而受制于合并后区块内的大量数据，这在单点验证中根本无法实现。由于共识节点也在执行数据可用性抽样，因此该模型能够将结算层、共识层和数据可用性层统一起来。

统一结算和数据可用层为利用有效性证明的 Rollup 打开了新的大门：ZK Rollup 现在能够与 Ethereum 上的执行层进行同步调用。这增强了新的 L2 原语，如分布式流动性和分形扩展，为在 ZK Rollup 上构建下一代创新型 Dapp 奠定了基础。

Proto-danksharding

虽然 danksharding 有利于 Ethereum 以后的发展，但它在合并后并不会立刻发挥其全部作用。Proto-danksharding（EIP-4844）是 danksharding 的原始版本，计划将在 danksharding 全面实施之前发布。该提案创建了一个叫做携带 Blob 交易（Blob-carrying transaction）的原语。顾名思义，这类交易是指携带叫做 Blob 的数据有效载荷的交易。Blob 将作为分片后 Ethereum 的数据标准：它们与 KZG 多项式承诺（KZG polynomial commitments）捆绑在一起，并且由于与 EVM 执行解耦，Blob 也是一种比调用数据（calldata）更高效的格式。目前来看，Rollup 依旧在使用调用数据将交易数据调回至 Ethereum，产生着高昂的 Gas 成本。在分片化的未来，Rollup 将使用 Blob 来为用户节省与 EVM 执行相关的 Gas 费用。与此同时，proto-danksharding 的目标就是为开发者提供这种前沿的数据格式，同时通过为他们即将被分片的数据引入单独的格式和收费市场，从而临时性地降低其 Rollup 的数据成本。尽管 proto-danksharding 本身并没有真正实现分片，但却为分片后的数据格式提供了标准，而这也是构建高效的原生数据可用性层的第一步。

历史与状态 (The Verge & The Purge)

同时，我们也需要考虑 Ethereum 的状态及其存储。由于验证者必须在消费类硬件产品上完成他们的任务，不断增加的状态就可能会影响去中心化。Proto-danksharding Blob 与 EVM 执行层相分离，并在大约一个月后被删除。此外，EIP-4444 可以让客户端在大约一年后停止在点对点层提供历史数据。无论如何，我们必须在协议层执行某种类型的强制性历史失效（mandatory history expiry），因为分片后每年会增加约 40TB 的历史 Blob 数据。区块链状态需要存储在 RAM 或 SSD 上，然而，历史存储，也就是 Ethereum 已经达成共识的数据，可以存储在廉价的 HDD 上。由于历史存储在诚实的少数（1-of-N）信任模型上运行，我们完全不需要在执行实时共识的节点上存储历史数据。Danksharding 规范可以确保验证者存储并保证他们几个月内达成共识的数据可用性。之后，这些经过删减的历史数据将由第三方存储起来，如特定应用协议、BitTorrent、Portal 网络、区块探索者、个人爱好者或索引协议。

来源： Consensys

在路线图上，无状态 Ethereum 是另一个目标。区块生产者将使用见证信息 witness，这是由执行区块中交易所需的相关数据组成的证明。然后，客户端可以利用这个证明来验证执行区块所产生的状态根，它们只需要执行受影响状态的一部分，而不是全部状态。在这一设计中，该证明的规模和可用性是两大核心问题：第一个问题可以通过将 Ethereum 的状态数据结构从protocol-level specification）来解决。根据 Vitalik 的说法，在扩展 Ethereum 的过程当中，我们需要在保留去中心化验证的同时，仰仗于拥有专业硬件的中心化区块生产者。

总结

Danksharding 继承了 Ethereum 的安全性，也对 Rollup 提出了更高的要求。在将数据可用性与共识和结算层紧密结合来以后，我们就可以升级底层基础设施，让 Rollup 可以利用原生数据可用性解决方案，并取消有效性和自愿性的安全假设。这为 Enshrined Rollup 的建设打下了基础，从而在未来消除治理和智能合约中的风险。与此同时，利用 SNARKs 在协议内进行同步调用的 Enshrined Rollup 也成为了未来区块链扩展的一项关键设计。协议内 Rollup 的优势在于：它将消除智能合约 Rollup 如今每日固定且按区块数量计量的 Gas 成本；并且，由于计算与共识脱钩，验证者就不再需要重新执行交易以验证区块；另外，状态差异可以通过有效性证明得到保证，无状态客户端不再需要下载见证证明。有了这些优势，结算延迟将得到改善，同步性和验证者带宽将提升，而且跨链桥的安全性也将更有保证。Ethereum 基金会目前正在努力将这种设计落实到 Ethereum 的路线图中，计划将 EVM 升级为与 SNARK 兼容的 Enshrined Rollup。

在之前的文章当中，我们讨论了模块化链下架构的好处，以及第三方协议正在开发的数据可用性、结算和执行的解决方案。Ethereum 路线图的主要目标是最大限度地减少信任假设，并通过原生解决方案提供协议内的可扩展性。Ethereum 的基础层承载了整个去中心化应用的生态系统，有望从根本上改变我们对数字时代的身份、存储、搜索、声誉和隐私的思考方式。在我们将 Ethereum 升级为基础层的同时，也优化了这一应用层，从而让用户和开发者可以在一个安全、强大的全球基础设施中扩展更多用例。对于 Ethereum 来说，它的愿景是为整个世界打造数字化的未来。同时，它将继续坚守可信中立性原则，不断发展 Ethereum 的网络效应、去中心化和安全性，从而巩固其在未来去中心化网络中的地位。这样看来，此次合并便是 Ethereum 为实现这一愿景所迈出的第一步。