原文標題：Simplifying the L1

原文作者：Vitalik Buterin

原文編譯：GaryMa，吳說區塊鏈

摘要

本文聚焦於協定簡單性的重要性，提出透過簡化共識層（3-slot 最終性、STARK 聚合）和執行層（取代 EVM 為 RISC-V 或類似虛擬機器）大幅降低複雜性，減少開發成本、錯誤風險和攻擊面。建議透過向後相容策略（如鏈上 EVM 解釋器）平滑過渡，並統一糾刪碼、序列化格式（SSZ）和樹結構以進一步簡化。目標是讓以太坊共識關鍵程式碼接近比特幣的簡單性，提升韌性和參與度，需文化上重視簡單性並設定最大程式碼行數目標。

以太坊的目標是成為全球帳本：儲存人類文明資產與記錄的平台，服務於金融、治理、高價值資料認證等領域。這需要兩方面的支持：可擴展性與韌性。 Fusaka 硬分叉計畫將 L2 資料的可用空間增加 10 倍，而目前提議的 2026 年路線圖也計劃為 L1 層帶來類似的大幅提升。同時，以太坊已完成向權益證明（PoS）的過渡，客戶多樣性迅速提升，零知識（ZK）驗證、量子抗性研究也在穩步推進，應用生態日益穩健。

本文旨在聚焦一個同樣重要卻易被低估的韌性（甚至可擴展性）要素：協議的簡單性。

比特幣協議最令人讚嘆之處在於其優雅的簡潔性：

1. 存在一條由區塊組成的鏈，每個區塊透過哈希與前區塊相連。

2. 區塊的有效性透過工作量證明（PoW）驗證，即檢查雜湊值的前幾位是否為零。

3. 每個區塊包含交易，交易花費的幣不是來自挖礦獎勵，就是來自先前的交易輸出。

僅此而已！即便是個聰明的高中生也能完全理解比特幣協議的運作，而一個程式設計師甚至可以將其作為業餘專案編寫一個客戶端。協議的簡單性為比特幣（以及以太坊）成為可信、中立的全球基礎層帶來了許多關鍵優勢：

1. 易於理解：降低協議的複雜性，讓更多人能夠參與協議研究、開發和治理，減少技術精英階層主導的風險。

2. 降低開發成本：簡化協定大幅降低創造新基礎架構（如新用戶端、證明器、開發者工具等）的成本。

3. 減少維護負擔：降低長期協議維護的成本。

4. 減少錯誤風險：降低協議規範及實現中發生災難性錯誤的可能性，同時便於驗證不存在此類錯誤。

5. 縮小攻擊面：減少協定的複雜元件，降低被特殊利益團體攻擊的風險。

歷史上，以太坊（有時因我個人的決策）常常未能保持簡單，導致開發成本過高、安全風險增加以及研發文化的封閉性，而這些複雜性追求的收益往往被證明是虛幻的。本文將探討五年後的以太幣如何接近比特幣的簡單性。

簡化共識層

新的共識層設計（歷史上稱為「信標鏈」）旨在利用過去十年在共識理論、ZK-SNARK 開發、押經濟等共識領域最優的經驗領域。相較於現有信標鏈，新設計顯著簡化：

1. 3-slot 最終性設計：移除槽（slot）、週期（epoch）、委員會重組等概念，以及相關的高效處理機制（如同步委員會）。 3-slot 最終性的基本實作僅需約 200 行程式碼，且相較於 Gasper，安全性接近最適。

2. 減少活躍驗證者數量：允許使用更簡單的分叉選擇規則實現，增強安全性。

3. 基於 STARK 的聚合協議：任何人都可成為聚合者，無需信任聚合者或為重複位域支付高昂費用。聚合密碼學的複雜性較高，但其複雜性被高度封裝，系統性風險較低。

4. 簡化 P2P 架構：上述因素可能支援更簡單、更穩健的點對點網路架構。

5. 重新設計驗證者機制：包含進入、退出、提款、金鑰轉換、 inactivity leak 等機制，簡化程式碼行數並提供更清晰的保證（如弱主觀性週期）。

共識層的優點在於其與 EVM 執行層相對獨立，因此有較大空間持續改善。更大的挑戰在於如何在執行層實現類似簡化。

簡化執行層

EVM 的複雜性日益增加，且許多複雜性被證明無必要（部分因我個人決策失誤）：256 位元虛擬機過度優化瞭如今已逐漸過時的特定密碼學形式，預編譯預編譯（定義precompiles）為單一用例。

逐一解決這些問題效果有限。例如，移除 SELFDESTRUCT 操作碼耗費龐大努力，卻僅帶來較小效益。近期關於 EOF（EVM Object Format）的爭論也顯示出類似挑戰。

我最近提出一個更激進的方案：與其對 EVM 進行中等規模（但仍具破壞性）的更改以換取 1.5 倍的收益，不如向一個更優、更簡單的虛擬機過渡，以實現 100 倍的收益。類似於「合併」（The Merge），我們減少破壞性變更的次數，但使每次變更更具意義。具體而言，我建議將 EVM 替換為 RISC-V，或以太坊 ZK 證明器使用的另一種虛擬機器。這將帶來：

1. 效率大幅提升：智能合約執行（在證明器中）無需解釋器開銷，直接運行。 Succinct 的數據顯示在許多場景下效能可提升 100 倍以上。

2. 簡單性大幅改進：RISC-V 規範相比 EVM 極為簡單，替代方案（如 Cairo）同樣簡潔。

3. 支持 EOF 的動機：如程式碼分區、更友善的靜態分析、更大程式碼大小限制等。

4. 更多開發者選擇：Solidity 和 Vyper 可新增後端以編譯到新虛擬機器。若選擇 RISC-V，主流語言開發者也能輕鬆將程式碼移植到該虛擬機器。

5. 移除大部分預編譯：可能只保留高度最佳化的橢圓曲線操作（量子電腦普及後連這些也將消失）。

主要缺點是，與已準備就緒的 EOF 不同，新虛擬機器的效益需較長時間惠及開發者。我們可透過短期實施高價值的 EVM 改進（如增加合約程式碼大小限制、支援 DUP/SWAP17–32）來緩解此問題。

這將帶來更簡單的虛擬機器。核心挑戰在於：如何處理現有的 EVM？

虛擬機器過渡的向後相容策略

簡化（或在不增加複雜性的前提下改進）EVM 的最大挑戰在於如何平衡目標實現與現有應用的向後相容性。

· 首先需要明確：以太坊程式碼庫（即使在單一客戶端內）並非只有一種定義方式。

· 目標是盡量縮小綠色區域：節點參與以太坊共識所需的邏輯，包括計算當前狀態、證明、驗證、FOCIL（分叉選擇規則）及「普通」區塊共識所需的邏輯，包括計算當前狀態、證明、驗證、FOCIL（分叉選擇規則）及「普通」區塊構建。

· 橘色區域無法減少：若協定規範移除或變更某執行層功能（如虛擬機器、預編譯等），處理歷史區塊的用戶端仍需保留相關程式碼。但新客戶端、ZK-EVM 或形式化證明器可完全忽略橘色區域。

· 新增的黃色區域：對理解當前鍊或優化區塊建構非常有價值，但不屬於共識邏輯。例如，Etherscan 及部分區塊建構者支援 ERC-4337 用戶操作。如果我們用鏈上 RISC-V 實作替換某些以太坊功能（如 EOA 及其支援的舊交易類型），共識程式碼將顯著簡化，但專用節點可能會繼續使用原有程式碼進行解析。

· 橙色和黃色區域的複雜性是封裝複雜性，理解協議的人可跳過這些部分，以太坊實現可忽略它們，這些區域的錯誤不會引發共識風險。因此，橙色和黃色區域的程式碼複雜性遠比綠色區域的複雜性危害小。

將程式碼從綠色區域移至黃色區域的思路，類似於蘋果透過 Rosetta 翻譯層確保長期向後相容的策略。受 Ipsilon 團隊近期文章啟發，我提出以下虛擬機器變更流程（以 EVM 到 RISC-V 為例，但也可用於 EVM 到 Cairo 或 RISC-V 到更優虛擬機）：

1. 要求新預編譯提供鏈上 RISC-V 實作：讓生態系統逐步適應 RISC-V 虛擬機器。

2. 引入 RISC-V 作為開發者選項：協定同時支援 RISC-V 和 EVM，兩種虛擬機器的合約可自由互動。

3. 取代大部分預編譯：除橢圓曲線操作和 KECCAK（因需極致速度）外，用 RISC-V 實作替換其他預編譯。透過硬分叉移除預編譯，同時將該位址的程式碼（類似 DAO 分叉）從空更改為 RISC-V 實現。 RISC-V 虛擬機器極為簡單，即使在此止步也淨簡化協定。

4. 在 RISC-V 中實作 EVM 解釋器：作為智慧合約上鍊（因 ZK 證明器需要已進行）。在初始發布數年後，現有 EVM 合約透過此解釋器運作。

完成第 4 步驟後，許多「EVM 實作」仍將用於優化區塊建置、開發者工具和鏈分析，但不再是關鍵共識規範的一部分。以太坊共識將「原生地」僅理解 RISC-V。

透過共享協定元件簡化

降低協定總複雜度的第三種方式（也最容易被低估）是盡可能在協定堆疊的不同部分共享統一標準。不同協議在不同場景下做相同的事情通常毫無益處，但這種模式仍常出現，主要是因為協議路線圖的不同部分缺乏溝通。以下是幾個透過共享元件簡化以太坊的具體範例。

統一糾刪碼

我們在三個場景中需要糾刪碼：

1. 區塊驗證已發布 客戶端：已發布 客戶端驗證：區塊資料

2. 更快的 P2P 廣播：節點接收 n/2 個片段後即可接受區塊，在延遲與冗餘間取得平衡。

3. 分散式歷史存儲：以太坊歷史資料分片存儲，每組 n/2 個片段可恢復其餘片段，降低單一片段遺失風險。

若在三個場景中使用相同糾刪碼（無論是 Reed-Solomon、隨機線性碼等），將獲得以下優勢：

1. 最小化程式碼量：減少總程式碼行數。

2. 提高效率：若節點為某場景下載部分片段，這些資料可用於其他場景。

3. 確保可驗證性：所有場景的片段均可根據根驗證。

若使用不同糾刪碼，至少應確保相容性，例如資料可用性取樣的水平 Reed-Solomon 碼與垂直隨機線性碼在同一網域操作。

統一序列化格式

以太坊的序列化格式目前僅部分固化，因資料可依任意格式重新序列化及廣播。例外是交易簽章哈希，需規範格式進行哈希。未來，序列化格式的固化程度將因以下原因進一步提高：

1. 完全帳戶抽象（EIP-7701）：交易完整內容對虛擬機器可見。

2. 更高的 Gas 限制：執行層資料需放入資料區塊（blobs）。

屆時，我們有機會統一以太坊三個層級的序列化格式：執行層、共識層、智慧合約呼叫 ABI。

我提議使用 SSZ，因為 SSZ：

1. 易於解碼：包括在智能合約內（因其基於 4 字節的設計和較少的邊緣情況）。

2. 已在共識層廣泛使用。

3. 與現有 ABI 高度相似：工具適配相對簡單。

已有向 SSZ 全面遷移的努力，我們應在規劃未來升級時考慮並延續這些努力。

統一樹結構

若從 EVM 遷移到 RISC-V（或其他可選的最小虛擬機器），十六進位組期間若從 EVM 移轉至 RISC-V（或其他可選的最小虛擬機），十六進位組中連點 Merkle Patricia 樹也是如此。遷移到基於更優雜湊函數的二元樹將顯著提升證明器效率，同時降低輕客戶端等場景的資料成本。遷移時，應確保共識層使用相同的樹狀結構。這將使以太坊的共識層與執行層可透過相同程式碼存取和解析。

從現在到未來

簡單性在許多方面類似於去中心化，二者均為韌性目標的上游。明確重視簡單性需要一定的文化轉變。其收益往往難以量化，而額外努力和放棄某些耀眼功能的成本卻立竿見影。然而，隨著時間推移，收益將愈發顯著 — —比特幣本身就是絕佳例證。

我提議效法 tinygrad，為以太坊長期規範設定明確的最大程式碼行數目標，使以太坊共識關鍵程式碼接近比特幣的簡單性。處理以太坊歷史規則的程式碼將繼續存在，但應置於共識關鍵路徑之外。同時，我們應秉持選擇更簡單方案的理念，優先選擇封裝複雜性而非系統性複雜性，並做出提供清晰屬性和保證的設計選擇。

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