欧易研究院&BlockBeats联合发布:以太坊2.0方案演进报告
01-13 11:03
律动研究院
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本文从以太坊主要问题及解决方案演进、分片扩容方案解析、最新方案解析、未来机会和风险四个部分对以太坊2.0展开详细讲解


目录


前言:

一. 以太坊主要问题及解决方案演进  

1.1 以太坊的主要问题        

1.2 解决方案的演进顺序     

二、以太坊 2.0 分片扩容方案    

2.1 分片扩容方案解析        

2.1.1 可扩展性——分片(Shards)       

2.1.2 去中心化——共识机制 PoW 转 PoS        

2.1.3 安全性——信标链、Casper 共识机制        

2.2 分片带来的难题        

2.2.1 跨分片通信的过载问题        

2.2.2 分片后大范围网络节点数据同步需求难实现问题       

三、以太坊 2.0 最新方案解析       

3.1 Layer2 扩容方案        

3.2 现阶段以太坊要解决的主要问题        

3.2.1 为 Layer2 铺平道路       

3.2.2 PoS 验证中排序和出块角色一体导致的 MEV 加重问题        

3.2.3 状态膨胀问题        

3.3 以太坊 2.0 最新路线图            

3.4 关键方案解析        

3.4.1 EIP-4844 引入」blob「交易类型,降低 Rollup 费用        

3.4.2 数据可用性抽样(DAS)——减轻节点验证数据可用性的负担        

3.4.3 PBS——出块过程角色分离,弱化 MEV        

3.4.4 Verkle Tree——优化以太坊底层数据结构,使验证速度更快性能更好        

3.4.5 EIP-4444——修剪存储数        

四、以太坊 2.0 的机会、风险和展望   

4.1 机会        

4.1.1 Staking 质押挖矿崛起        

4.1. 2 Layer2 赛道项目及相关基础设施起飞            

4.2 风险        

4.2.1 落地风险        

4.2.2 竞争风险        

4.2.3 节点中心化风险        

4.3 展望        

4.3.1 奠定行业地位        

4.3.2 促进生态繁荣       

 

前言:


近期,以太坊核心开发者会议中敲定「上海升级」硬分叉计划于 2023 年 3 月进行,这次升级将释放信标链质押的 ETH 提款,还伴随有对 GAS 优化、EVM 优化的诸多 EIP 改进提案实施。此前信标链已于 2020 年 12 月上线开启节点质押服务,为确保网络的稳定性,所有参与质押的 ETH 只能等「合并」结束后的「上海升级」开放提款。目前,信标链已拥有近 50 万个节点,其链锁定的存款额度超 1500 万 ETH,开放提款将对以太坊网络节点数以及 ETH 市场价格带来一定影响。

 

(信标链区块数据,图片来源于https://beaconscan.com/)


2022 年 8 月以太坊成功「合并」后,整个网络正式过渡到了 PoS 共识机制,这是以太坊 2.0 可扩展蓝图上的一个关键里程碑。伴随着「上海升级」临近,以太坊 2.0 的脚步又更进了一程。而在近日,V 神也公布了以太坊的最新路线图,其最新的方案和进程再次成为大家热切关注的话题。那么以太坊 2.0 目前进展如何?现在面临的主要问题是什么?它最新方案是什么?它的实现,又会为行业发展带来哪些影响呢?欧易研究院将从以太坊主要问题及解决方案演进、分片扩容方案解析、最新方案解析、未来机会和风险四个部分对以太坊 2.0 展开详细讲解。本报告仅供参考,不构成任何投资建议。

 

注:以太坊基金会此前宣布,以太坊在升级协议的同时面临着定位的转变,在 2021 年底核心开发人员已经停止使用 ETH1.0、ETH2.0 术语,分别使用「执行层」和「共识层」来替代。但改名未影响以太坊的既定的升级路线,因以太坊 2.0 称谓已深入人心,本文仍将沿用「以太坊 2.0」这一名称。

 

一. 以太坊主要问题及解决方案演进

 

1.1 以太坊的主要问题——扩容


以太坊成立至今占据着第一公链的美名,其拥有着全球最大的开发者社群,DAPP 数量将其他公链远远甩在身后。但定位于「世界计算机」的以太坊,目前每秒只能处理大约 20 笔交易,甚至难以支持一个普通规模的商业应用,频频发生的链上拥堵和高 Gas 费更是让用户的体验变得很差,这在很大程度上限制了以太坊的发展。对于用户来说,以太坊当前最为迫切的需要是提高可扩展性。

 

目前有两大类区块链扩容方案:一类是链上扩容,即所谓的 Layer1 方案,通过对区块链本身进行改造,比如增加区块容量、隔离见证、DAG 技术、更改共识机制、分片等改善核心区块链的性能;第二类是链下扩容,通过将数据的交易执行和处理放在链下,主链仅仅验证交易的有效性提供安全保证,也是目前较为主流的扩容方式。相当于建立在主网上建立「高架桥」,来解决主网拥堵、交易手续费贵的问题。


而我们常听到的 Layer2 也可以归类到链下扩容分类中。Layer2 在此文特指以太坊主网的二层网络, 其本质是将大量的交易在 Layer2 进行,只把最终结算过程放到 Layer1 上。

 

(扩容方案概述,图片来源于分片技术研究报告)

 

1.2 解决方案演进顺序


想要解决以太坊网络性能瓶颈难题,不可避免的要面对「不可能三角」问题,即如何同时满足区块链的去中心化、安全性和可扩展性三项特征的问题。人们不断探索各种可能性,当然,这并非易事,以太坊 2.0 的细节方案在摸索中推进,历经了几次调整。

 

(不可能三角,图片来源于网络)

 

最初以太坊是想要通过状态分片来实现自身的扩容,它能在不提高节点硬件要求且没降低去中心化程度的情况下,实现网络性能和容量的大幅提升。

 

简单来说,就是将区块里的任务分配给多组分片节点并行处理,从而提升整个网络的处理速度。为保证链的安全性,方案引入了信标链作为系统的中枢管理所有独立并行的分片链。另外,以太坊也由 PoW 转为 PoS 共识。分片、信标链、PoW 转 PoS,共同构成了初版以太坊 2.0 方案的核心。

 

但分片方案又带来了新的问题,比如跨分片通信的过载问题、每个周期后验证者轮换导致的大范围的网络节点数据同步需求难实现问题。这些问题对链的效率、安全影响重大,但难以找到好的解决方案。

 

此后以太坊重新调整思路,将自己定位为结算层和数据可用层,把真正的计算性能提升任务交给了 Layer2。以太坊做好去中心化和安全,做到底层链的绝对可靠、可信任,做到全球共识,并且以经济激励的方式将信任传递到 Layer2;而 Layer2 则要提高效率、降低成本,以满足各类商业场景的业务需求。

 

对应的 Layer2 扩容方案 Danksharding 于 2021 年末被提出,引发了以太坊社区的讨论热潮。此后,Vitalik2022 年 7 月 19 日在以太坊会议 ETHCC 上阐述了 Layer2 扩容思路下的以太坊 2.0 路线图,其分为五个关键发展阶段:The Merge、The Surge、The Verge、The Purge、The Splurge,并声称在完成 5 个关键阶段之后,以太坊将每秒能够处理 100,000 笔交易。2022 年 11 月 5 日,V 神又公布了以太坊的最新路线图,在此前五大关键路线的基础上, 新增了以解决 MEV 风险为目标的 The Scourge。至此,以太坊未来的发展进化将主要分为六大关键路线,且这六大关键路线在同时推进。

 

二、以太坊 2.0 分片扩容方案

 

2.1 分片扩容方案解析


最初,以太坊计划通过分片、共识机制转 PoS、信标链、Casper 治理机制结合,解决不可能三角问题,实现扩容的目标。目前,除分片外,其它已基本实现(以太坊已于 2020 年 12 月上线信标链,2022 年 8 月实现「Merge」升级彻底由 PoW 转为 PoS 挖矿)。

 

具体来看:

 

(以太坊 2.0 解决不可能三角问题的分片方案,图片来源于欧易研究院)

 

2.1.1 可扩展性——分片(Shards)


分片是区块链扩容最佳方案,它能在没有提高节点硬件要求且没降低去中心化程度的情况下,实现网络性能和容量的大幅提升。具体可分为网络分片、交易分片、状态分片,以太坊希望实现的状态分片实现难度最大。


物理空间上,分片是将公链网络中的所有节点划分为不同的分组,每一个分组叫做一个分片。原本公链中所有节点都要执行同样计算,现在将区块里的任务分组后分配给不同的分片处理,单个分片内的节点仅需承担全网的部分工作,于是各个分片可以并行工作,从而提升整个网络的性能。

 

2.1.2 去中心化——共识机制 PoW 转 PoS


PoW 机制下,成为验证节点的门槛较高,需要购买昂贵的专业矿机进行算力竞争,也造成了大量的能源浪费。以太坊决心采用 PoS 共识解决能源浪费的问题。


参与验证的节点越多,以太坊网络也更加去中心化和分散,面临攻击时将会更加安全,以太坊也在想办法降低网络节点对硬件设备的要求以支持更多用户参与。它通过质押 32 枚 ETH 的要求降低了验证节点的准入门槛,任何用户质押 32 枚 ETH 就有机会由信标链随机算法选为验证者委员会成员和区块提议者,不需要比拼算力。

 

2.1.3 安全性——信标链、Casper 共识机制


分片和 PoS 共识机制的引入,为以太坊增加了新的安全性的挑战。比如由分片导致的单分片 51% 攻击问题、分片间双花攻击问题,以及 PoS 共识机制导致的无利害攻击问题、长程攻击、简单攻击问题。以太坊通过信标链和共识机制 Casper 来弥合这两类风险,解决安全性问题。

 

1)信标链——为系统随机分配验证者,确保链的最终确定性


与普通区块链不同,信标链是以 Slot 和 Epoch 作为基本时间单位的。它们的主要作用是控制信标链出块节奏,其中 Slot 是完成一次区块确认的时间,目前为 12 秒, Epoch 是进行一轮验证者洗牌的周期,目前是 32 Slot。

 

(Slot 和 Epoch 图示,图片来源于《区块的产出和确认》)

 

为系统随机分配验证者


区块链系统出块的随机性至关重要。对于公链来说,在将全网任务划分到不同分片的同时,也就把算力划分到了相应分片中。单个分片只能得到原来 1/n 的算力保证,此时对单个分片发起 51% 攻击的难度也会降到原来的 1/n,这会导致分片更容易被恶意矿工掌控。因此对于一个分片系统来讲,需要很好的随机性来防止特定分片被单独攻击,而信标链就是通过 RANDAO 随机数向系统提供这种随机性的。


在每个 Epoch 开始阶段,信标链利用 RANDAO 随机数从验证者中为每个 Slot 选出区块提议者,并将全网所有验证者随机分组成验证者委员会,进而把这些验证者委员会分配到具体的 slot 中。提议者负责打包交易提议区块,验证者委员会负责对提议的区块进行签名投票(两者范围并不互斥,一个验证者可能既是一个 slot 的区块提议者,也在这个 slot 上分配的验证者委员会中)。在完成一个 Epoch 的出块和验证任务后,信标链会将所有的验证节点重新洗牌,再进行下一轮随机分配。验证节点的选举过程在 RANDAO 随机数生成算法的帮助下,从根本上避免了验证节点间的勾结串通,提高了协议的安全性。

 

(节点出块过程,图片来源于欧易研究院)

 

通过跨分片通信,解决分片间双花攻击问题


双花攻击是指将同一笔资金分别发给两个人或者多个人。在分片中攻击者完全可以尝试将同一笔资金发送给不同分片中的帐户来实施双花攻击,这就需要做好跨分片通信来避免双花攻击。


跨分片通信需要借助信标链来完成,信标链同步更新所有分片的区块头作为验证的信息,不同的分片就能通过信标链通信, 信标链作为枢纽能够记录所有分片的状态和信息,避免出现双花问题。


具体来看:当分片 1 向分片 2 发出消息时,分片 1 会将相关信息打包到它的区块头中。等待信标链将分片 1 的区块头打包到新的区块中,信标链完成区块共识后,分片 2 会接收到信标链广播的包含分片 1 区块头的信息。在此之后,分片 2 会验证关于 分片 1 的信息然后开始执行相关操作,并将执行完成的区块信息发送给信标链。


 

(跨分片通信过程,图片来源于欧易研究院)

 

确保链的最终确定性


所谓链的最终确定性,是指此间区块能被确认安全且不可被颠覆。BTC 是采用最长链原则,一般需要等 6 个区块之后交易才能确认安全状态。事实上,这只是现阶段 BTC 算力条件下 6 个区块后该区块被篡改的可能性很低可以忽略不计的隐形确定性。而在 PoS 链中,攻击者可以短时间内让重写历史的链追赶上原本的主链,根据最长链原则来决定的话,很有可能出现真正的主链被篡位的情况,于是以太坊引入了显式的最终确定性。


以太坊通过每 Epoch 周期一个的检查点来确认链的最终确定性,具体来看,它把每个 Epoch 内的第一个区块设置为检查点,参与共识的验证节点们会对上一个确定性检查点到这个检查点的区块内容进行投票,当这个检查点收到了超过 2/3 的确认投票,那么它就也变成了确定性检查点,这段区块就成为不可更改的。最终,确定性检查点之前的所有区块都是被确认了的,后续的矿工无需再为已经确认的区块增加安全性。

 

(检查点,图片来源于欧易研究院)

 

2)共识机制 Casper——以奖惩机制规范节点行为


Casper 是以太坊 2.0 的核心共识协议,负责管理系统节点,对验证者施行奖励和惩罚,解决 PoS 链存在的无利害攻击、长程攻击、简单攻击问题,以奖惩机制规范节点行为。


由于 PoS 存在「无利害攻击」问题,即在 PoS 机制下,恶意的节点验证者可以在没有任何损失的情况下把自己的币押在分叉链上推动硬分叉。因此在持币者需要向信标链抵押一定数量的 ETH 申请成为节点。


同时信标链也会跟踪和管理验证节点。节点们每成功打包一个区块,就会获得一个与他们所持有的 Token 成比例的以太坊奖励。节点负责出块、验证区块,还需要一直在线完成系统分配给它们的任务。如果大多数验证者拒绝他们所建立的区块,节点将面临失去抵押 Token 的风险,如果验证者没有履行对区块投票的责任,则他们质押的 ETH 也会被罚没。因此,Casper 迫使验证者诚实行事,并通过奖惩制度遵守共识规则。

 

2.2 分片带来的难题


上文说到,分片、信标链、PoW 转 PoS,共同构成了初版以太坊 2.0 方案的核心,但分片方案不仅实现起来难度太大,也带来了新的问题。具体来看:

 

2.2.1 跨分片通信的过载问题


引入分片解决性能问题,从宏观上来讲,并没有降低原来总的工作量,而是将原来的工作量分配到了各个分片当中,通过增加原来系统的并行能力来提升整体性能。相反地,分片的引入,从总工作量上来讲,在原来的基础上还增加了跨分片的验证和交易等工作量。考虑一种极端情况:系统内的交易全部为跨分片交易,在这种情况下,分片系统的性能是远低于未分片前的系统的。

 

2.2.2 分片后大范围网络节点数据同步需求难实现问题


在完成一个 Epoch 的出块和验证任务后,信标链会将所有的验证者重新洗牌,每个验证者会被重新安排所负责的分片链。然而,处理新的分片链,需要拥有新分片链的状态和对应的交易数据,这需要进行大范围的网络节点数据同步。这实现起来相当复杂,很难保证验证者们能够在规定时间节点完成同步,会因此导致网络延迟。

 

三、以太坊 2.0 最新方案解析

 

3.1 Layer2 扩容方案

 

由于分片方案实现难度大且带来的诸多新难题,在多方面权衡下,以太坊 2.0 最终转向了 Layer2 扩容。

 

(以太坊 2.0 解决不可能三角问题的 Layer2 方案,图片来源于欧易研究院)

 

Layer2 扩容的关键在于:将数据的计算和存储迁移至二层,减轻以太坊的数据计算压力的同时,只把最终结算过程放到以太坊链上确保资产的安全性。


其多种方案并存,包括了状态通道、侧链、Plasma、Rollup 及 Validum 几类。目前最主流方案是 Rollup,通过确保二层网络资产安全和共识实现方式的不同,又可以将其分为欺诈证明机制项目还是零知识证明机制项目。现在,欺诈证明机制项目因为容易实现且兼容 EVM,已经吸引了很多项目接入;零知识证明机制更安全,但实现难度更大,还在探索发展阶段。


各类 Layer2 扩容方案在数据和共识机制的不同选择,实际上是在安全性、性能、可用性、扩展性方面做了不同的取舍,从而也决定了各类 Layer2 扩容方案适合不同的应用场景。


(当前 Layer2 方案区别,图片来源于https://l2beat.com/)

 

3.2 现阶段以太坊要解决的主要问题


在转为 Layer2 扩容之后,现阶段以太坊主要需要解决的是 MEV、状态膨胀问题,以及为 Layer2 铺平道路,使其接入后运转更加便捷高效。

 

3.2.1 为 Layer2 铺平道路


以太坊最新路线图,扩容方案已经采用以 Rollups 方案为主,近期、中期目标,甚至是长期目标,都会围绕 Rollups 进行优化。


Layer2 运行过程要将交易在以太坊主链外执行,执行完后将执行结果和交易数据压缩后发回到 Layer1 上,以便其他人去验证交易结果的正确性,也就是验证数据可用性。


现在用 Rollup 进行一笔交易,主要有三类费用:执行费用(网络中所有节点执行交易并且验证其有效性的费用)、存储/状态费用(更新新状态的费用)、数据可用性费用(将数据发布到 Layer1 的费用),其中数据可用性费用占大头。因此,Rollup 面临的主要问题是往 Layer1 上提交数据的手续费成本高的问题。

 

3.2.2 PoS 验证中排序和出块角色一体导致的 MEV 加重问题


MEV(Miner/Maximum Extractable Value)是「矿工/最大可提取价值」的简称。因为以矿工为代表的记账权获得方、区块交易写入者对链上交易有筛选、排序的权利,生态中的参与者,如套利机器人、攻击者,甚至矿工自身,则利用这种权利获得额外的收入。


对普通用户来说,这不仅会导致 Gas 费被拉高、网络拥堵,体验变差,也让链上交易不再公平。目前 MEV 现象在以太坊生态中非常普遍,据 Flashbots 数据显示,自 2020 年以来,通过 MEV 抓取的价值已近 7 亿美元,并且有逐步增长之势。如果不加以控制,将对以太坊构成巨大威胁。


 

(累积提取 MEV,图片来源于 Explore.flashbots.net)

 

在工作量证明中,矿工掌握了交易的包含、排除和顺序等角色能力,套利者可以提高 gas 费诱使矿工优先打包他的交易。以太坊转 PoS 后,每轮 Epoch 信标链会随机从验证者中为每个 Slot 选出区块提议者,它负责给区块内交易排序及提议区块。事先被选出来的区块提议者因为能看到用户的交易,从而可以针对性的提出自己的交易,直接通过控制交易排序让自己获利。这加重了以太坊的 MEV 问题。


Layer2 方案中,Layer2 对交易进行处理后仅将证明结果发送到以太坊。这在一定程度上降低了以太坊链上的交易权重,可以隐藏部分套利者和矿工获得 MEV 的机会。不过,PoS 验证中排序和出块都由区块提议者执行导致的 MEV 加重问题也很需要解决。

 

3.2.3 状态膨胀问题


状态,就是系统在特定时间的具体外部展示,包括账户余额、合约代码的哈希值或存储数据。以太坊采用账户模式,每个账户由用户状态和合约状态组成,完整的以太坊状态记录了所有账户和相关账户余额,以及所有在 EVM 中部署和执行的智能合约的历史记录。没有某个账户的最新状态,你就不知道这个账户里的真实情况。


产生区块的节点需要访问和检查系统的当前状态,执行后记录新的状态,并与网络中的其他节点同步。其他客户节点需要验证并执行区块内的交易,以确保网络中始终存在共识。而系统的状态会随着新区块的确认而继续变化。


随着以太坊性能的大幅提升,会有更多新用户进入以太坊生态上,将产生更多的新数据,账户的状态数据便会持续的膨胀。这必然要求节点拥有更大的存储空间和更强的性能,这就增加了节点的门槛,进而造成网络节点数量的减少及集中化,降低网络的去中心化程度。

 

3.3 以太坊 2.0 最新路线图

 

(以太坊最新路线图,图片来源于 ETHereum.cn)

 

Vitalik 发布的以太坊最新路线图将以太坊未来的发展进化分为六大关键路线,分別是:The Merge、The Surge、The Scourge、The Verge、The Purge、The Splurge。图中绿色部分代表推进的进度,可以看到除了要解决现阶段以太坊面临的主要问题,还有大量围绕性能、安全隐患、隐私、账户体系 AA 的目标已经找到实现路径。具体来看:

 

The Merge(合并)——实现理想、简单、健壮、去中心化的 PoS 共识


以太坊目前已经成功切换为 PoS,接下来主要是针对网络验证者安全以及零星功能的修修补补,主要是:


信标链取款功能的激活:准备于上海升级时部署。


Distributed Validators(DV):分布式验证者技术,旨在将以太坊验证者的工作分布到一组分布式节点中的技术,与目前在一台机器上运行验证者客户单的传统技术相比,更加能够提高安全性、在线弹性等。


Single Secret Leader Election(SSLE):单一秘密领导者选举,目前信标链每个 Slot 所选出的提议者会提前公开,这导致他们容易受到 DoS 攻击。最新方案将这一过程加密隐藏,只有提议者知道自己的身份,能够有效缓解潜在风险。


Single Slot Finality(SSF):单 Slot 最终性,当前以太坊区块需要 64 到 95 个 slot(约 15 分钟)才能实现最终确定性,Vitalik 认为有充分的理由把最终确定性时间缩短为一个 slot,从而实现更好的用户体验。

 

The Surge(起飞)——推动以 Layer2 Rollup 为基本技术路线的扩容,实现每秒 10 万+的 TPS


关键阶段:


Proto-Danksharding 实现 Rollup 的初步扩容:EIP-4844 向以太坊引入一种新的交易类型,这种交易类型携带短暂存在的 blob 数据,将使得 Rollup 的开销降低 10-100 倍,同时结合初步的 OP Rollup 欺诈证明以及 ZK-EVMs 的辅助,实现初步扩容,这将非常大的优化以太坊 Layer2 的用户体验。


实现 Rollup 的完全扩容:在前者基础优化完善的同时,重点着手数据可用性 DA 方面的优化,如数据可用性抽样的客户端、P2P 设计等。

 

The Scourge(解决隐患)——确保可靠可信中立的交易纳入区块,避免 MEV 带来的中心化以及其他协议上的风险


关键阶段:


这其中的关键里程碑是 PBS(ProPoSer-Builder Separation),在协议层面实现区块提议者与构建者分离,能缓解 MEV 问题。


在实现 PBS 之后,进一步的还有以太坊开发者提出的 Smoothing MEV 方案,旨在减少每个验证者之间捕获的 MEV 的差距,最终目标是使每个验证者的奖励分布尽可能接近均匀,从而保证协议共识的稳定,同时还考虑潜在的 MEV 销毁可能。

 

The Verge(边界)——降低验证区块的门槛


关键阶段:


Verkle Trees:围绕 Verkle 树设计对 Merkle 树进行优化,使得验证者无需存储所有状态也能参与由交易验证成为可能。


Fully SNARKed:将 SNARK 全面引入到以太坊协议,如 EVM、Verkle 证明以及共识状态转换等,即使到了量子计算时代,也可切换到量子安全的 STARKs。

 

The Purge(清除工作)——简化协议、清除技术债务,通过清除历史数据,限制验证者参与网络的成本


主要是通过清除历史数据,减少节点的存储需求,甚至不再需要存储全节点数据。这其中主要包含两大关键目标 历史数据过期 和状态数据过期。

 

The Splurge(狂欢)——持续的优化修复


该路线主要是一些零碎的优化修复,如账户抽象、EVM 优化以及随机数方案 VDF 等。

 

其主要思路如下:

 

(路线图重点,图片来源于欧易研究院)


3.4 关键方案解析


上文 3.2 章节提到的现阶段以太坊要解决的主要问题是 MEV、状态膨胀问题以及为 Layer2 铺平道路,以太坊提出了以下关键方案解决:

 

3.4.1 EIP-4844 引入」blob「交易类型,降低 Rollup 费用


受限于以太坊当前的架构,Layer2 向 Layer1 的传输的数据,是储存在交易的 Calldata 里面的。然而,Calldata 作为一个函数调用的参数是所有节点必须同步下载的数据。它默认可能被 Layer1 执行,需要全网的节点进行同步,这是造成当前 Layer2 费用高的主要因素。另外,如果 Calldata 膨胀,将会造成以太坊网络节点的高负载。


EIP-4844 引入了」携带 blob 的交易「这一新的交易类型,这种数据类型无需做全网的同步,只需要满足能在一定时间内被有需要的其他人所访问下载即可,因此它由共识层的节点进行存储,不会写入执行层的新区块里面,这便减少了此前这部分数据被主链智能合约读取的费用消耗。此外,其每个区块容量由几十 KB 扩大到了每个区块最多 2M。另外,Blob 存在共识层节点的内容会在 30 天后删除,这也缓解了节点的存储压力。

 

(数据对比,图片来源于欧易研究院)

 

在用户体验层面,用户最直观的感知就是 Layer2 费用的大幅降低,这个底层的重要改进,将为 Layer2 以及其应用层的爆发提供重要基础。

 

3.4.2 数据可用性抽样(DAS)——减轻节点验证数据可用性的负担


数据可用性抽样(DAS,Data Availability Sampling)是配套的验证数据可用性的方案,它的主要思想是通过一定的数学设计,让验证节点只需要检查部分数据碎片,就可以从概率上证明一个大数据块的可用性,而不需要验证节点去检查全量的数据。这样,对验证节点的性能要求就大大降低了,从而保证验证节点的充分去中心化。

 

3.4.3 PBS——出块过程角色分离,弱化 MEV


PBS(ProPoSer-builder Separation)即出块者和交易排序者分离。这是为了进一步解决 MEV 问题提出的方案。


PBS 方案里,把出块和交易排序做了分离:原先的节点若想参与区块打包,配置要求将进一步提高,转变为「打包者」;它们通过竞价的方式,来争取下一个区块的打包记账权。在出块时,会先由验证者们列一个可用交易列表,打包者从中选取一些交易生成区块,然后竞价争取下一个区块的打包记账权。系统从中根据「价高者得」原则选出最终出块的选手,并获得「打包者」的竞价作为收益。打包者完成打包以后的区块,依然需要全体验证者来进行验证,以决定其是否合法、有效。


 如此一来,PBS 削弱了节点的权力,让报价公开化,且套利者进行 MEV 的贿赂链条就变长了,能缓解 MEV 问题。但这并不能从根本上解决 MEV 问题。

 

3.4.4 Verkle Tree——优化以太坊底层数据结构,使验证速度更快、性能更好


Verkle Tree 的作用与以太坊现在使用的 Merkle Tree(默克尔树)一样,它可以存储大量的数据,并为任意一个或一组数据对象生成一个短小的证据(Proof),只要知道了这棵树结构的根节点,就可以验证这些证据,验证这些数据确实存储在这棵树上。


在默克尔树上,一个值的证据是所有姐妹节点的完整集合:从根节点到目标节点会形成一条路径,所有与该路径上的节点共享父节点的节点都必须包含其中。如下图所示:

 

(Merkle Tree 结构,图片来源于网络)

 

而在 Verkle Tree 上,你不需要提供姐妹节点,只需要提供路径,再加一些额外的数据作为证据。如下图:


 

(Verkle Tree 结构,图片来源于网络)

 

只此一点,就可以让 Proof 的大小缩小数倍。对于规模在十亿级别的数据对象,在传统的默克尔树上,一个 Proof 的大小大概是 1 kb,但如果是 Verkle Tree,则只需不到 150 字节。 此外,没有了姐妹节点的干扰,每层树的分支数量也可以大大增加,这样可以让树的层级更少,验证路径更短。这样大的节约效果,能让其验证速度更快,性能更好。

 

(Merkle、Verkle Tree 数据对比, 图片来源于欧易研究院)

 

3.4.5 EIP-4444——修剪存储数据


针对以太坊的状态膨胀问题,EIP-4444 提议在 PoS 以太坊里执行层客户端修剪超过 1 年的数据,不再在 p2p 网络上提供超过一年的区块头、区块主体和收据的数据,客户端可以在本地修剪这些历史数据。这会大大降低节点们的存储门槛,也能缓解以太坊未来的状态膨胀问题。

 

四、以太坊 2.0 的机会、风险和展望

 

4.1 机会


4.1.1 Staking 质押挖矿崛起


以太坊由 P0W 转 PoS 挖矿,用户们参与挖矿的门槛将会降低,只需要质押 32 枚 ETH 就可以申请成为验证节点参与挖矿,参与验证交易的同时也将能有资格获得奖励。但要成为节点不仅要面临较高的设备和网络要求,需要对链本身运行机制的知识储备且具备运维能力。但对于大多数持币者而言,他们没有时间精力与专业知识去运行节点。于是一些机构成为 Staking 服务商,给普通用户提供代理质押的服务。


由于中心化交易所天然沉淀了各类 PoS 链资产, 且具有比较专业的知识储备和设备资源,在质押运营服务上占据优势。加之交易所可以直接开通质押衍生品的交易对服务释放出流动性,因此目前行业的主流中心化交易所大都是 ETH2.0 自运行节点质押服务商。欧易 OKX 就有提供 ETH2.0 锁仓挖矿节点运营商的服务,其承担所有 ETH2.0 节点的搭建和维护成本,用户 0.1 ETH 即可参与,且链上收益 100% 发放给用户。ETH2.0 挖矿收益根据链上锁仓量动态调整,预计年化收益率在 4%-20% 之间;平台 1:1 发行挖矿凭证 BETH,当 ETH2.0 开放提款后,可以根据持有的 BETH 数量 1:1 兑换回 ETH;且平台开放了 BETH/USDT 和 BETH/ETH 交易对当不想持有 BETH 了也可以随时卖出,灵活性高。

 

(欧易 ETH2.0 锁仓挖矿页)

 

4.1. 2 Layer2 赛道项目及相关基础设施起飞


在以太坊 2.0 转为 Layer2 路线后,Layer2 便成为 2.0 方案不可或缺且极为重要的一环,承担着计算性能提升、提高效率、降低成本的重任。Layer2 赛道项目及相关基础设施也会因此获得快速发展。

 

Layer2 头部项目


Layer2 扩容的发展现状是多种扩容方案并存,各类 Layer2 扩容方案在数据和共识机制的不同选择,实际上是在安全性、性能、可用性、扩展性方面做了不同的取舍,从而也决定了各类 Layer2 扩容方案适合不同的应用场景。不同区块链项目需要根据具体业务的实际需求,选择最合适的 Layer2 扩容方案。未来该赛道内会成长出几个头部项目。


此外,各类专用型 Layer2 网络可能会逐步形成。Dapp 与 Dapp 之间有强关联和弱关联之分,强关联的 Dapp 可能会自发聚集在最适合该类应用的某个链上,从而逐步将该链发展成为专用型的。

 

跨 Layer2 协议


鉴于单个链不可能承接以太坊生态的所有应用,但不同 Layer2 之间没有互操作性,这便会对不同 Layer2 链上 DAPP 的可组合性产生限制。二层网络之间需要保持互操作性,实现 Layer2 协议之间的互联互通,保证 Layer2 协议的可组合性和流动性的跨 Layer2 桥接网络协议将会有较大市场需求。

 

ZK 挖矿


Layer2 的 ZK 方案中,如何提高 ZK Proof 的生成速度将是决定 ZK Rollup 未来发展的重大问题。目前看来,定制高性能的 ZK 加速芯片、推出激励机制促使 Prover 节点间展开竞争,将是缩短 ZK Proof 生成时间的最有效方式。ZK 挖矿很有可能复制比特币挖矿的老路,挖矿设备会不断的更新迭代,组织形式将以矿池为主,而 ZK Rollup 本身也将大幅受益于这种变迁。不过,ZK 挖矿是一个尚处于构想期的 ZK Rollup 伴生赛道,其发展速度、市场上线存在着高度不确定性。

 

4.2 风险


4.2.1 落地风险


以太坊 2.0 开发难度较大,虽然以太坊的框架已经确定了下来,但很多细节还在持续讨论和修改中,存在落地风险。由架构图可以看出,完成以太坊 2.0 需要有几个大的技术创新,以太坊作为一个发展几年的平台,代码结构已经变得非常复杂,底层重则修改难,对于原有架构的修改牵一发则动全身,需要考虑很多因素。

 

4.2.2 竞争风险


根据公链 TVL 对比数据,虽然左边饼图中以太坊公链依然是以 59% 占比位居第一位,但右图面积图能清晰反映出以太坊上的 TVL 比例正在不断下降且被其他公链蚕食。

 

(公链 TVL 图,图片来源于 defillama)

 

许多公链致力于解决以太坊当前面临的扩展与性能问题,它们大都会在智能合约层兼容以太坊代码,可以最快速、最方便的让开发者能转移到自己的公链上来,所以以太坊面临的竞争压力是非常大的,如果以太坊不能及时的完成升级,将会给其他公有链超越的机会。高性能公链赛道里,留给以太坊 2.0 的时间是紧迫的。

 

4.2.3 节点中心化风险


 Staking 服务也存在规模效应,在蛋糕有限的情况下,市场占有率更高的项目更容易通过规模优势提高 Staking 分成比例,从而进一步提升其市场占有率。据 Dune 数据显示,以太坊质押实体分布中 Lido 占比最高,占据了 29.2% 的市场份额,且前 5 运营商占比总和为 84.2%,这也引来业内人士对于以太坊 PoS 挖矿是否足够去中心化的担忧。

 

(Staking 运营商份额比例,图片来源于 Dune)

 

4.3 展望


4.3.1 奠定行业地位


以太坊 2.0 如果成功实施,将彻底解决以太坊的性能瓶颈。凭借其目前最大的生态规模,升级后更低的 Gas 费、更快的交易速度,以太坊将成为公链领域不可颠覆的存在。

 

4.3.2 促进生态繁荣


受限于底层公链的性能瓶颈,目前区块链无法服务于实体应用,超过千万月活用户的 Dapp 还没有出现。以太坊 2.0 如果成功实施,便可以支持大规模商业应用,届时,必定会将公链赋能于实体,助推 Web3 的腾飞,千万用户级的 Dapp 也将涌现。

 

作者:欧易研究院 研究员 Shirley

 

参考文章:


一文读懂以太坊新升级方案 Danksharding
简析 ETH 最新路线图:六大重要路线
如何降低 Layer2 费用 100 倍?一文读懂 EIP-4844
TokenInsight《分片技术研究报告》

 

文中图表:


ETH
扩容
以太坊2.0
律动研究院
律动BlockBeats关于行业的研究与思考
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