以太坊扩容新时代：零知识证明技术助力实现每秒1万笔交易

以太坊即将迎来创世区块十周年,经过多年探索,其扩容路线图正在开启新的篇章。虽然近期ETH价格上涨提振了市场信心,但真正令人振奋的是,以太坊L1终于找到了一条在保持高度去中心化的同时实现大规模扩容的可行路径。

未来几年,以太坊的Gas上限和TPS有望每年提升数倍。验证者将不再需要重复执行每笔交易,而只需验证一份零知识证明,以确认这批交易的正确执行。这将使底层网络的TPS提升至每秒上万笔。同时,L2也将同步扩容,实现数十万甚至数百万TPS。一种名为"原生Rollup"的新型L2将像可编程分片一样运行,提供与L1相同的安全性。

虽然这些提案尚未正式获得以太坊治理流程的批准,但它们是基于以太坊创始人自2017年就开始探索的思路,并得到了核心研究人员的大力支持。

在今年7月的EthCC大会上,以太坊基金会核心研究员表示:"我们正处于以太坊扩容的关键转折点,我坚信我们即将进入L1的GigaGas时代——约1万TPS,而开启这一时代的关键是zkEVM与实时证明。"

他的终极目标是在10年内让以太坊生态能够实现1000万TPS。这意味着未来必然是一个"网络中的网络"架构:不同L2各自承担不同场景、权衡与优势,共同扩展整个生态以满足全球需求。

以太坊L1扩容面临的挑战

尽管其他区块链早已开始尝试使用更强大的硬件和计算能力来扩大吞吐量,但以太坊一直对去中心化保持着近乎执着的坚持。从最坚定的ETH支持者角度看,一些高吞吐量链存在着数百万美元的中心化风险点,政府可能直接针对这些节点进行交易审查。即使是硬件要求相对较低的链,其成本和带宽要求也可能影响去中心化程度。

相比之下,以太坊甚至可以在树莓派上运行,这种低门槛设计让超过15,000个公开节点和上百万验证者参与网络,因此几乎不可能审查以太坊上的交易,并且使整个网络对攻击具有极强的抵抗力。当然,代价是速度极慢——当前TPS仅约每秒18-20笔交易。

从某种程度上说,区块链架构本身就存在效率瓶颈。每当进行一次状态变更时,全网所有节点都需要重新验证整个状态,这严重限制了可扩展性。

正因为在保持去中心化的前提下主网扩容空间有限,以太坊在2020年不得不走上了L2分层扩容这条路线。

零知识证明技术的突破

零知识证明技术被认为是解决区块链不可能三角的关键。它能够在不泄露交易细节的前提下,数学上证明一大批复杂交易已被正确执行。

生成零知识证明的过程非常复杂,但验证一份证明是否正确却既快又轻量。因此,以太坊未来的构想是:让验证者只需检查一份极小的零知识证明即可,而无需重复执行所有交易。

这意味着,未来验证零知识证明的计算量小到连售价7美元的低配版树莓派都能胜任,根本不需要大型数据中心。

zkEVM:通往1万TPS的路线图

最近有消息称,未来一年内,L1主网可能集成零知识证明驱动的以太坊虚拟机(zkEVM)。值得注意的是,很多零知识证明技术的实用化探索,其实是从L2网络开始的。例如,某些L2网络就是100%兼容EVM的ZK Rollup公链——任何能在以太坊上运行的应用,都能在这些L2上无缝运行。

零知识证明技术为区块链的不可能三角提供了答案:我们可以大幅提高L1的Gas上限,而计算量的扩展并不会让验证变得更复杂。随着零知识证明生成的延迟和成本不断下降,我们能够处理更高的吞吐量,同时保持验证的硬件要求极低。

不过,社区也不必过度乐观,即便未来一年内zkEVM成功集成到L1,它也不会在第一天就直接实现1万TPS。

循序渐进的升级路线

以太坊目前有五个主要的软件客户端可用于运行网络。在未来的升级路线中,以太坊计划先发布两到三个支持ZK验证的改造版客户端,使验证者可以选择通过检查零知识证明来完成验证,而不再重新执行每一笔交易。

最初,只有少数验证者会率先切换到新的验证模式,以便在早期排查和修复潜在问题。切换到采用零知识证明的EVM将是一个循序渐进的过程。

用户主要会逐步感受到L1的Gas上限提高,也就是网络的经济活动能力增强。虽然L1向ZK验证的过渡需要时间,但Gas上限的扩容几乎已箭在弦上。

最近,L1 Gas上限刚刚提高了22%,达到4500万。有研究人员提出了一项提案,建议客户端每年自动三次上调Gas上限,按照该计划,四年后以太坊主网就能实现约2000 TPS。

有研究人员甚至进一步提出,将这一节奏延长两年,到2031年可达到1 gigagas的吞吐量,实现约1万TPS。