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观念:以太坊不应为了可扩展性而冒险转向 PoS

一个 PoS 的鬼魂,在以太坊的上空回旋。…以太坊,PoS,分片,Layer 2,以太坊 2.0,Optimistic Rollup,ZK Rollup,Rollup 以太坊 PoS 分片 Layer 2 以太坊 2.0 Optimistic Rollup ZK Rollup Rollup以太坊爱好者 图标 Logo以太坊爱好者区块链作者,团队,专栏,大众号,头条· ·阅览约 9 分钟

以太坊的开展路途不应该盲目寻求可扩展性,归根究竟,只需符合用户需求的功用进步才是真实有意义。

原文标题:《观念 | 以太坊的路途图应该改动吗?》
撰文:阿剑

自 《A Rollup-centric ethereum roadmap》(中文译著)一文宣布以来,整个社区都对以太坊(尤其是以太坊 2.0)的路途图产生了疑问。

2020 年 11 月 18 日,在以太坊基金会的 Eth2.0 研讨团队的第五次 AMA 活动(中文节选译著)中,Vitalik 明白地表明,路途图现已产生了改动:(1)暂时不再着重 Phase2 的重要性,Phase 1 致力于完结数据分片(shard data),供 Rollup 办法运用;(2)信标链将具有履行功用,即 Eth1-Eth2 兼并之后,信标链区块将直接包括买卖;(3) Phase 0 完结后的三大作业:轻客户端支撑、数据分片、兼并,将并行推动,任一模块只需预备好了就推出。

本文的意图不是为原本的三阶段路途图辩解。相反,本文是想主张,三阶段路途图虚无缥缈,新路途图食之无味,没有一种与 Eth2.0 相关的路途图值得以太坊抛弃当时的运作形式、转向以 PoS 为根底的体系。

在这里,我会先解说初始的三阶段路途图的证明思路及其技能难点;然后剖析新路途图的可扩展性。终究证明,新路途图的可扩展性优势,现已渺小到缺乏以使以太坊冒险转入 PoS。

Eth2.0 的三阶段路途图

在曩昔两年,广为流传的 Eth2.0 路途图规划了三个依次第完结的组件:

Phase 0:以 PoS 为一致机制的信标链

Phase 1:多条分片链

Phase 2:为一切分片添加履行功用

从这一路途图能够明晰地看出,原本的以太坊 2.0 的方针是打造一个 「分片化履行(sharded execution)」 的体系,意思是:每个分片都有自己的状况,这些状况按各分片的状况转换规则来改动;改动后的状况由信标链来敲定;由此,以太坊 2.0 就成了一个多个分片能够并行处理买卖的体系。这也意味着,以太坊 2.0 是一个 「一致」 和 「买卖处理(验证)」 解耦的体系,被分配到各分片上的验证者担任验证买卖和状况的正确性;但这些状况的敲定则依赖于信标链的 epoch 敲定机制,两个进程并不是彻底同步的。

这种 「PoS 信标链 + 多分片」 的架构,好像也非常好有利地势用了 PoS 算法自身的特色:为了处理 No-thing-at-stake 问题(PoS 出块不需求付出核算量,因而有资历出块的账户会测验在不同的分叉上一同出块,使体系土崩瓦解),以太坊 2.0 所用的 Casper 算法要求用户先存入一部分押金才干取得出块资历,而假如验证者滥用了出块资历(比方一同支撑两个分叉),则会被罚没押金;由此,像 Casper 这样的算法实践上在区块链上发明了两种能够彼此交流、但彼此独立改动的状况:一种是普通用户的状况,另一种是验证者的出块权重状况;一致进程以出块权重状况为根底,达到一致也会更改出块权重状况;因而,一致进程先天独立于用户买卖的验证,能够解耦;对恣意的买卖批次及作用状况而言,一致进程能够被笼统成一种 「结局性敲定机制」,逻辑上,多分片并行履行所以成为或许。

至于其可扩展性,以太坊分片技能的命名 「二次方分片(Quadratic sharding)」 透露了端倪:假定分片上的买卖,其履行复杂功用够被化约到与区块头验证相同的难度,则分片化履行的架构,能够使整个体系的处理才干,跟着参加节点处理才干的线性进步而呈平方级进步。浅显来说,假如参加网络的节点(均匀而言)在一段时刻内能验证 4 个区块头,这就意味着,在参加一个分片时,节点们能够在平等时刻内验证 4 笔买卖,此刻体系总处理量是 4 条分片 × 4 笔买卖 / 分片 = 16 笔买卖;假如节点的处理才干变成了 8 (2 倍),则处理量会变成 64 笔买卖(4 倍)。

听起来很夸姣,可是,这个「平方级扩展」 的证明中包括了如下假定:

(1)存在一种技能,使得分片买卖的验证,能够简化到与验证区块头相同的难度;

(2)不存在跨分片的买卖,即各分片内的买卖是彻底不会彼此依赖的。跨分片的买卖需求占用多个分片的处理容量,也要占有信标链的处理容量,会使可扩展性大打折扣。

关于(1),这个假定是有或许得到满足的,无状况性(statelessness)便是这样的一种技能,它的思路是,在传达买卖(或许传达区块时),顺便买卖所拜访状况的证明(witness),使得买卖的验证者无需持有买卖履行之时的状况数据,就能验证买卖的有效性。这一点极为要害,假如没有无状况性,参加分片验证的验证者就有必要保存分片的状况,由于验证者会被不断分配到不同的分片链上,那就意味着他们有必要保存一切分片的状况,在实践中也就意味着他们要不断下载一切分片的区块并处理买卖,从而使整个体系坍缩为一个大区块体系(例:投入能处理 16 笔买卖的资源,处理 16 笔买卖)。惋惜的是,至今,以太坊 1.0 也没有研讨出满足轻量的无状况办法。

关于(2),那就没有什么好说的了。假如不能完结跨分片买卖,分片化履行的体系就没什么意义,由于各分片各自为营。有必要使得 ETH 有办法存在于各个分片上,这个体系才干依然以 ETH 为主体。而直到今日停止,还没有呈现一种跨分片买卖计划,能够不添加信标链的处理量。道理也很简单,关于恣意 A 分片来说,由于并行处理,恣意 B 分片上正在产生什么买卖,需不需求改写本分片的状况,是不行知的,因而有必要存在一个通讯层,可信地证明 B 分片上产生了一笔企图改写 A 分片状况的买卖。而一旦需求让信标链具有处理买卖的功用,平方级扩展的作用就会被打破。(顺带说一句,满足了这一可信通讯层的需求的链,就变成了事实上的 Layer-1,而其它分片则变成了事实上的 Layer-2,像极了 「Layer-1 + Layer-2」。)

除了存疑的可扩展性,分片化履行还带来了许多经济上的风趣问题。例如,假如跨分片买卖的处理时刻超越一笔分片内买卖的处理时刻(这是必定的),这就意味着,不同分片上的 ETH 价值也不会相同。就好像美国国内的 1 美元,与美国国外的 1 美元,实践上并不是同一种东西。不论有多少个分片,都至少会有两种 ETH 价格,一种,是那个金融运用最茂盛的分片(也便是 Eth1 分片)上的 ETH 的价格;另一种是其它分片上的 ETH 的价格;后者有必要付出必定的手续费并付出必定的时刻,才干换成前者,因而对前者必定有一些折价。同理,即便每个分片上都有 uniswap,不同分片上商场的买卖滑点也必定不相同,终究咱们都会聚集到一个分片上,由于咱们都在一同的时分,流动性最充沛,资金功率最高。某种程度上,能够认为跨分片买卖的需求是很少的 —— 但这也意味着,其它分片上放置的买卖处理容量,也底子没有意义。

分片化履行体系的技能难点,此处不再赘述,感兴趣者能够自己想想分片化履行体系怎样付出手续费的问题。但我在这里想说的是,分片化履行体系的规划理念违反了咱们的实践需求,也违反了事物的开展规律。大局状况(可组合性),并不是一个问题,而正是咱们需求的东西;正是由于以太坊使得一切金融运用都能瞬间组合,发明了一个价值能够零冲突流转的空间,以太坊才有了革新国际的潜力;在协议层为价值流转发明冲突,是自废武功。有了一个杰出的根底层时分,应该想办法维护这个根底层,剩余的工作让用户自己挑选,让生态自己演化 —— 不要认为规划能规划出一个生态,过度规划仅仅给一切人强加本钱。

分片化履行(Phase 2)的放置,旁边面印证了其间的难度 —— 在可预见的未来,这条路途无法产生令咱们满足的作用。尽管如此,我并不认为 Eth2.0 的研讨员们现已彻底抛弃了三阶段路途图,Vitalik 也还着重,改动后的路途图,跟 Phase 2 也是彻底兼容的,仅仅 Phase 2 不再具有优先级。

可是实践上,抛弃分片化履行,才是以太坊应该挑选的路途。

可履行信标链路途图

在以太坊 2.0 的新路途图中,最令人瞩意图一点是:信标链区块将包括兼并后的 Eth1 分片的买卖,也即信标链具有了履行功用。其它分片仅具有保存数据的功用。

实践上,新路途图中 「数据分片」 的定位是 「供 Rollup 运用的数据可得性(data availability)层」。

没了履行化分片,平方级扩展就无从谈起了。那么,这种 「PoS Layer-1 + Rollup + Rollup 数据不占有主链区块空间」 架构的可扩展性怎么呢?

要回答这个问题,咱们先来看看 Rollup 计划与主链的交互形式。

首要,你能够把一个 Rollup 体系理解为一个无状况的合约,这个合约的内部状况(哪个用户有多少钱),对外是不行见的;可是,该合约内产生的一切买卖,其数据会定时揭露出来,发布到主链上,使得任一第三方,得到这些数据后,都能够重建出该合约的内部状况。

运用有效性证明的 Rollup (例如 ZK Rollup)的特色是:该合约每次揭露买卖数据时,都顺便一个这些买卖已被正确履行、因而新的状况根应是 XXX 的 「核算完整性证明」;假如该证明能经过合约的验证,则该合约更新状况根;假如该证明不能经过验证,则该合约回绝更新。

运用过错性证明的 Rollup (例如 Optimistic Rollup)的计划则相反:任一人每次为合约揭露买卖数据时,都有必要存入一笔押金,并断语合约的新状况根是 YYY;尔后一段时刻内,恣意其他人都能存入押金、宣布过错性证明来应战该断语;过错性证明即证明该批买卖有瑕疵,或许买卖处理后的新状况根不是 YYY;假如应战成功,则发布过错断语的人会丢失押金;假如一段时刻内无人应战,则合约更新状况根为 YYY。

这两种计划,都有必要在链上发布数据,因而会占用链上空间;并且,链上空间的巨细,决议了 Rollup 体系在单位时刻内的处理量(即 TPS)。想得更深一些,假如这些买卖数据,能够发布在一个数据量的束缚更小的当地,或许说,不去占用 Layer-1 区块的空间,则其处理量,能产生倍加的作用。假如这样的当地有许多,那还能够产生倍乘的作用。

这便是 「数据分片」 及 「以 Rollup 为中心的路途图」 的理念:让 Rollup 计划把买卖数据都放到分片区块中,分片有多少个,处理量就能进步多少倍;当时的以太坊区块数据量大概是 20~30 KB,这个数据量显然是安全的,则,假如咱们有 64 条分片,咱们每 15 秒就能供给 64*30 = 1920 KB = 1.9 MB 的数据量。并且,运用端我供给了这么大的数据吞吐量,但它不会成为全节点的担负,由于这些数据你想下载就下载,不想下载就能够不下载(也便是 「分片」 的意义),咱们你下载一点,我下载一点,节点的担负仍是很轻的 —— 横竖,验证这些 Rollup 合约的状况,并不要求我具有该 Rollup 的一切前史买卖数据。以太坊的状况依然是安全的。

听起来很合理,但仍是那句话,太达观了,太多假定了:

(1)这种 「想下载就下载,不想下载就不下载」 的办法,在 ZK Rollup 上底子行不通:当 ZK Rollup 要更新状况根时,ZK Rollup 合约更新操作的验证者(也即 Layer-1 的全节点)在承受证明时也有必要取得与该证明对应的买卖数据,不然就无法经过验证。(不需求供给买卖数据,仅验证证明就推动合约状况根的计划也有,叫 Validium,那不是 Rollup)。也便是说,假如仅考虑 ZK Rollup,那么 「数据分片」 的办法,从带宽上来说,与大区块没有任何别离。不论这些数据一开端被发到了谁手上、存到了哪里,全节点都要下载它们。

(2)对 Optimistic Rollup 来说,假如你乐意采纳更达观一点的假定,当然能够,你能够平常彻底不下载买卖数据,仅保存取得结局性的最新状况根,仅在产生争议时,再下载相关的买卖数据,从全节点的视点看,并没有因而损失对合约状况的验证才干;可是从用户的视点看,工作就彻底不同了:你开端不确认自己究竟是不是随时能够重构自己的状况,来完结取款。也便是说,用户将不能确认自己用的究竟是 Optimistic Rollup,仍是 plasma。原本,Optimistic Rollup 的计划便是确保了一切全节点都有前史买卖的备份,所以用户能够容易地重建自己的状况,并提交状况证明(或断语)完结取款;但假如这一点确保失去了,你就不确认自己能不能重建状况了。Optimistic Rollup 的安全性也会受到影响:它的安全假定是,取得了买卖数据的人之中至少有 1 个是恪守协议的;在数据分片形式下,你并不知道,有多少人会去恳求这部分买卖数据。

总而言之,「数据分片」形式调配 ZK Rollup 时,在带宽的意义上,无法供给更大的可扩展性,而与扩展区块空间的作用相同;在调配 Optimistic Rollup 时,相关于大区块,其可扩展性优势与应战产生的频率成反比;更严峻的是,它使 Optimistic Rollup 有退化为 plasma 的危险(从界说上来说,也不存在 Optimistic Rollup 了,应该用另一个姓名来指称这种介于 Optimistic Rollup 和 plasma 之间的东西)。

定论

Rollup 计划其实是从 Layer-2 开展进程中吸取了血淋淋的经验而飞出来的凤凰。它最大的特色在于,给用户的资金安全供给了充沛的维护。由于恣意得到了买卖数据的人都能够重建状况,而区块链确保了这些买卖数据的永续数据可得性,Rollup 计划得以供给 layer-2 计划中名列前茅的用户维护。只需这样的计划,用户才敢真的去运用。抛弃了这种优点,按最大化功用的达观假定来规划体系,只能规划出用户不敢去用的东西。

只需你意识到,Rollup 本质上是一种合约的规划形式,「PoS + 数据分片 + Rollup 能够供给更大吞吐量」 的迷思便可一眼洞穿 —— Rollup 不论在哪个一致中,都能够供给相同的可扩展性,数据分片能供给更多,仅仅由于引入了其他安全假定,使 Rollup 献身安全性来交换吞吐量罢了 —— 问题在于,这样的合约,比 Rollup 的安全性更弱、可扩展性更强的合约,不是没呈现过,不是在 pow 链上就规划不出来,而是规划出来了也没人用罢了。

自 2017 年以来,以太坊社区就为着实践的需求艰难地探究安全的可扩展性计划。许多人或许都信任过,「PoS + 分片」 能供给强壮的可扩展性,但那是 「分片化履行体系」,有自身的一堆问题。眼前的 「可履行信标链路途」,也不过是献身合约自身的特点来换吞吐量罢了。时至今日,现已找不到依据,证明为了可扩展性,以太坊应该拥抱 PoS。

归根究竟,只需符合用户需求的功用进步,才是真实有意义的功用进步。假如不从用户的实践需求动身,相反,从技能美感或许最大化功用的假定动身,只能规划出海市蜃楼。假如能够,那就让用户自己来做决议,在协议层操心太多,往往徒增冲突。

以太坊的路途图应该改动吗?当然,应该抛弃这些不切实践的梦想,回头问问用户需求什么。

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