优化Layer1区块链性能的关键策略

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以太坊致力于成为全球账本,需同时提升可扩展性与韧性。Fusaka硬分叉计划将L2数据可用空间扩大10倍,2026路线图也包含类似L1扩容。文章强调协议简洁性的重要性,指出比特币的成功源于其极简设计。以太坊计划通过3槽终结性、减少活跃验证者数量、基于STARK的聚合协议等简化共识层;同时考虑用RISC-V等更简洁虚拟机替代EVM来简化执行层。此外,通过统一纠删码、序列化格式和树结构等共享协议组件进一步简化系统。目标是让以太坊共识关键代码接近比特币的极简风格,提升长期韧性。

特别感谢 Fede、Danno Ferrin、Justin Drake、Ladislaus 和 Tim Beiko 提供的宝贵反馈与专业审阅

以太坊正致力于成为全球性的数字账本——一个承载人类资产与重要记录的基础平台,为金融、治理和高价值数据验证等关键应用提供底层支持。要实现这一宏伟愿景,系统必须兼具卓越的可扩展性和强大的韧性。Fusaka 硬分叉计划将显著提升 L2 数据可用性空间达10倍,而2026路线图提案中也包含了同等规模的L1数据扩容规划。”合并”(The Merge)已成功将以太坊升级为权益证明(PoS)机制,客户端多样性持续增强,同时ZK(零知识证明)可验证性和抗量子攻击性的研发工作稳步推进,整个应用生态正变得日益成熟与强健

本文旨在探讨一个同样关键却常被忽视的韧性(及最终可扩展性)要素:协议的简洁性。

比特币最令人称道的特质之一就是其极简而优雅的协议设计:

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整个系统由一条区块链构成,每个区块通过哈希与前一个区块相连。区块有效性通过工作量证明(PoW)验证,只需检查其哈希前几位是否为零。每个区块包含的交易要么花费挖矿获得的代币,要么使用之前交易的输出。这种简洁设计使得即便是高中生也能完全理解比特币的运作原理,而程序员甚至可以将开发比特币客户端作为业余项目来完成。

保持协议简洁带来了诸多关键优势,使比特币和以太坊有望成为可信中立的全球信任基础层:降低技术门槛扩大参与群体、减少新基础设施开发成本、降低长期维护负担、降低灾难性漏洞风险,同时缩小社会攻击面。

过去以太坊在这方面存在不足(部分源于作者本人的决策),导致了过度开发支出、<a href="https://hackmd.io/@vbuterin/selfdestruct”>安全风险以及相对封闭的研发文化。本文将探讨五年内以太坊如何实现接近比特币的简洁性。

共识层的简化之路

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3-slot finality(3槽终结性)模拟图 — 3sf-mini

新的共识层设计(曾被称为”beam chain”)整合了过去十年在共识理论、ZK-SNARK开发和质押经济学等领域的研究成果,旨在打造长期最优的以太坊共识层。相比现有信标链(Beacon Chain),新设计在简洁性方面有显著提升。

3槽终结性(3-slot finality)重构取消了”slot”与”epoch”的区分、委员会洗牌等复杂机制,基础版本仅需约200行代码即可实现,同时保持接近最优的安全性。减少活跃验证者数量使得采用更简单的分叉选择规则成为可能。基于STARK的聚合协议允许任何人成为聚合者,这种封装式复杂性显著降低了系统性风险。

这些改进很可能支持更简单稳健的点对点架构。我们还有机会重新设计验证者进出机制、密钥管理和惩罚规则,不只是减少代码量,还能提供更清晰的机制保障。由于共识层与EVM执行相对独立,这些改进有较大实施空间。真正的挑战在于如何简化执行层

执行层的简化方案

以太坊虚拟机(EVM)的复杂度持续攀升,其中不少设计已被证明并非必要。我们拥有一个256位虚拟机,过度优化了某些边缘化的加密形式,还有一些使用频率极低的预编译合约。

渐进式修补难以解决这些问题。移除 <a href="https://hackmd.io/@vbuterin/selfdestruct”>SELFDESTRUCT指令耗费巨大却收效甚微。近期关于EOF(EVM对象格式)的争议也显示了修改虚拟机的困难。

为此,作者提出更激进的解决方案:直接迁移到全新且更简洁的虚拟机,如RISC-V或其他ZK证明器使用的虚拟机。这将带来:100倍的效率提升(消除解释器开销)、极致简洁性(相比EVM)、继承EOF预期优势、更多开发者选择,以及大幅减少预编译需求。

这种方案的主要缺点是开发周期较长。为缓解这一问题,短期内可以实施一些高价值的EVM小改进,如提高合约代码大小上限等。最终我们将获得显著简化的虚拟机,但关键问题是如何处理现有EVM。

虚拟机过渡的兼容策略

简化EVM的最大挑战在于保持向后兼容性。以太坊代码库并非单一实体,我们需要区分不同层级的代码:

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目标是缩小绿色区域(共识关键代码)范围。橙色区域(历史区块处理)无法缩减,但新客户端可忽略。黄色区域(状态解析和区块构建)虽重要但不属于共识部分。将代码从绿色区域移至黄色区域类似于苹果的Rosetta翻译层

虚拟机迁移流程建议(以EVM到RISC-V为例):

  1. 新预编译采用标准链上RISC-V实现
  2. 引入RISC-V作为并行合约选项
  3. 将多数预编译替换为RISC-V实现
  4. 部署链上RISC-V编写的EVM解释器

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完成迁移后,以太坊共识将”原生”只理解RISC-V,而EVM实现将转为非共识关键工具。

通过组件共享实现简化

第三种简化方法是最大化协议栈各部分的组件共享。以下是一些具体示例:

统一的纠删码方案

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在数据可用性抽样、P2P广播和分布式历史存储三个场景中使用相同纠删码(如Reed-Solomon或随机线性码),可最小化代码量、提高效率并确保可验证性。

统一的序列化格式

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建议采用SSZ(Simple Serialize)统一执行层、共识层和智能合约调用的序列化方案,因其易于解码、已在共识层广泛使用且与现有ABI相似。

统一的树结构

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迁移至基于更优哈希函数的二叉树可显著提升证明器效率,同时让共识层使用相同树结构,实现全协议统一访问。

展望未来

简化与去中心化都是实现系统韧性的关键前提。明确重视简化需要文化转变,其长期价值会随时间显现——比特币就是最佳例证。建议借鉴tinygrad做法,为以太坊设定代码行数上限目标,形成优先选择简单方案、偏好封装式复杂性的设计理念。

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