以太坊The Surge: 10万TPS扩容目标与技术进展

2025-08-16 03:27:35

以太坊可能的未来：The Surge

以太坊的路线图最初有两种扩容策略:分片和Layer2协议。随着研究的深入,这两条路径融合在一起,形成了以Rollup为中心的路线图,这仍然是以太坊当前的扩展策略。

以Rollup为中心的路线图提出了简单的分工:以太坊L1专注于成为强大且去中心化的基础层,而L2承担帮助生态系统扩展的任务。这种模式在社会中很常见:法院系统(L1)的存在不是为了追求高效,而是为了保护合同和财产权,而创业者(L2)则在这一稳固基础上进行建设,推动人类发展。

今年,以Rollup为中心的路线图取得了重要进展:EIP-4844 blobs的推出大幅增加了以太坊L1的数据带宽,多个EVM Rollup已进入第一阶段。每个L2作为具有自身规则和逻辑的"分片"存在,分片实现的多样性如今已成为现实。但这条路也面临一些独特挑战。我们现在的任务是完成以Rollup为中心的路线图,解决这些问题,同时保持以太坊L1特有的稳健性和去中心化。

The Surge:关键目标

未来以太坊通过L2可达到10万以上的TPS;
保持L1的去中心化和鲁棒性;
至少一些L2完全继承以太坊的核心属性(去信任、开放、抗审查);
以太坊应该感觉像一个统一的生态系统,而不是34个不同的区块链。

可扩展性三角悖论

可扩展性三角悖论认为区块链的去中心化、可扩展性和安全性三个特性之间存在矛盾。这不是一个定理,而是一个启发式观点。多年来,一些高性能链声称解决了三元悖论,但这通常具有误导性。

然而,数据可用性采样与SNARKs的结合确实解决了三角悖论:它允许客户端在仅下载少量数据并执行极少量计算的情况下,验证一定数量的数据是可用的,并且一定数量的计算步骤是正确执行的。

解决三难困境的另一种方法是Plasma架构,它以激励兼容的方式将监视数据可用性的责任推给用户。随着SNARKs的普及,Plasma架构对更广泛的使用场景变得更加可行。

数据可用性采样的进一步进展

我们正在解决什么问题?

2024年3月13日Dencun升级上线后,以太坊每12秒的slot有3个约125 kB blob,或每个slot的数据可用带宽约375 kB。假设交易数据直接在链上发布,ERC20转账约为180字节,因此以太坊上Rollup的最大TPS为173.6 TPS。

加上以太坊的calldata,则变为607 TPS。使用PeerDAS,blob数量可能会增加到8-16,这将为calldata提供463-926 TPS。

这是对以太坊L1的重大提升,但还不够。我们的中期目标是每个slot 16 MB,如果结合Rollup数据压缩的改进,将带来~58000 TPS。

它是什么?如何运行?

PeerDAS是"1D sampling"的一个相对简单的实现。在以太坊中,每个blob都是一个在253位素数域上的4096次多项式。我们广播多项式的shares,其中每个shares包含从总共8192个坐标中相邻的16个坐标上的16个评估值。在这8192个评估值中,任何4096个都可以恢复blob。

PeerDAS的工作原理是让每个客户端侦听少量子网,其中第i个子网广播任何blob的第i个样本,并通过询问全球p2p网络中的对等方来请求它需要的其他子网上的blob。更保守的版本SubnetDAS仅使用子网机制,而没有额外的询问对等层。当前的提案是让参与权益证明的节点使用SubnetDAS,而其他节点使用PeerDAS。

从理论上讲,我们可以将"1D sampling"规模扩展得相当大:如果将blob的最大数量增加到256,那么我们就能达到16MB的目标,而数据可用性采样中每个节点每个slot仅需1 MB的数据带宽。这只是勉强在我们的容忍范围内:这是可行的,但这意味着带宽受限的客户端无法采样。我们可以通过减少blob数量和增加blob大小来进行优化,但这会使重建成本更高。

因此,我们最终想要更进一步,进行2D采样,它不仅在blob内,而且在blob之间进行随机采样。利用KZG承诺的线性属性,通过一组新的虚拟blob来扩展一个区块中的blob集,这些虚拟blob冗余地编码了相同的信息。

至关重要的是,计算承诺的扩展并不需要有blob,因此该方案从根本上来说对分布式区块构建是友好的。实际构建区块的节点只需要拥有blob KZG承诺,并且它们可以依赖数据可用性采样(DAS)来验证数据块的可用性。一维数据可用性采样(1D DAS)本质上也对分布式块构建友好。

还需做什么?又有哪些权衡?

接下来是完成PeerDAS的实施和推出。之后,不断增加PeerDAS上的blob数量,同时仔细观察网络并改进软件以确保安全,这是一个渐进的过程。同时,我们希望有更多的学术工作来规范PeerDAS和其他版本的DAS及其与分叉选择规则安全等问题的交互。

在未来更远的阶段,我们需要做更多的工作来确定2D DAS的理想版本,并证明其安全属性。我们还希望最终能够从KZG转向一种量子安全且无需可信设置的替代方案。目前,我们还不清楚有哪些候选方案对分布式区块构建是友好的。

我认为的长期现实路径是:

实施理想的2D DAS;
坚持使用1D DAS,牺牲采样带宽效率,为了简单性和鲁棒性而接受较低的数据上限
放弃DA,完全接受Plasma作为我们关注的主要Layer2架构。

请注意,即使我们决定直接在L1层扩展执行,这种选择也是存在的。这是因为如果L1层要处理大量的TPS,L1区块将变得非常大,客户端将希望有一种高效的方法来验证它们的正确性,因此我们将不得不在L1层使用与Rollup(如ZK-EVM和DAS)相同的技术。

如何与路线图的其他部分交互?

如果实现数据压缩,对2D DAS的需求会有所减少,或者至少会延迟,如果Plasma被广泛使用,则需求会进一步减少。DAS也对分布式区块构建协议和机制提出了挑战:虽然DAS理论上对分布式重建友好,但这在实践中需要与包inclusion list提案及其周围的分叉选择机制相结合。

数据压缩

我们在解决什么问题?

Rollup中的每笔交易都会占用大量的链上数据空间:ERC20传输大约需要180字节。即使有理想的数据可用性采样,这也限制了Layer协议的可扩展性。每个slot 16 MB,我们得到:

16000000 / 12 / 180 = 7407 TPS

如果我们不仅能解决分子的问题,还能解决分母的问题,让每个Rollup中的交易在链上占用更少的字节,那会怎样?

它是什么,如何工作?

零字节压缩中,用两个字节替换每个长的零字节序列,表示有多少个零字节。更进一步,我们利用了交易的特定属性:

签名聚合:我们从ECDSA签名切换到BLS签名,BLS签名的特性是多个签名可以组合成一个单一的签名,该签名可以证明所有原始签名的有效性。在L1层中,由于即使进行聚合,验证的计算成本也较高,因此不考虑使用BLS签名。但在L2这样数据稀缺的环境中,使用BLS签名是有意义的。ERC-4337的聚合特性为实现这一功能提供了一条途径。

用pointers替换地址:如果以前使用过某个地址,我们可以将20字节的地址替换为指向历史记录中某个位置的4字节pointer。

交易值的自定义序列化:大多数交易值的位数很少,例如,0.25 ETH表示为250,000,000,000,000,000 wei。最大基础手续费和优先手续费也类似。因此,我们可以使用自定义的十进制浮点格式,来表示大多数货币值。