Tương lai có thể của Ethereum: The Surge

The Surge：Mục tiêu quan trọng

1. Tương lai Ethereum có thể đạt hơn 100.000 TPS thông qua L2;

2. Giữ cho L1 có tính phi tập trung và độ bền cao;

3. Ít nhất một số L2 hoàn toàn kế thừa các thuộc tính cốt lõi của Ethereum (không tin cậy, mở, chống kiểm duyệt);

4. Ethereum nên cảm thấy như một hệ sinh thái thống nhất, chứ không phải 34 chuỗi khối khác nhau.

Nội dung chương này

1. Tam giác nghịch lý khả năng mở rộng
2. Tiến triển thêm về việc lấy mẫu tính khả dụng của dữ liệu
3. Nén dữ liệu
4. Plasma Tổng Quát
5. Hệ thống chứng nhận L2 trưởng thành
6. Cải tiến khả năng tương tác giữa các L2
7. Mở rộng thực thi trên L1

Mâu thuẫn tam giác khả năng mở rộng

Tam giác nghịch lý mở rộng được đưa ra vào năm 2017, nó cho rằng có sự mâu thuẫn giữa ba đặc tính của blockchain: phi tập trung (cụ thể hơn là: chi phí để vận hành các nút thấp), khả năng mở rộng (số lượng giao dịch được xử lý nhiều) và tính bảo mật (kẻ tấn công cần phải phá hủy một phần lớn các nút trong mạng để làm cho một giao dịch đơn lẻ thất bại).

Đáng chú ý là, nghịch lý tam giác không phải là một định lý, và các bài viết giới thiệu về nghịch lý tam giác cũng không kèm theo chứng minh toán học. Nó thực sự đưa ra một lập luận toán học mang tính trực giác: nếu một nút thân thiện phi tập trung (chẳng hạn như laptop tiêu dùng) có thể xác minh N giao dịch mỗi giây, và bạn có một chuỗi xử lý k*N giao dịch mỗi giây, thì (i) mỗi giao dịch chỉ có thể được 1/k nút nhìn thấy, điều này có nghĩa là kẻ tấn công chỉ cần phá hủy một số nút để thực hiện một giao dịch độc hại, hoặc (ii) nút của bạn sẽ trở nên mạnh mẽ, trong khi chuỗi của bạn sẽ không phi tập trung. Mục đích của bài viết này không phải là chứng minh rằng việc phá vỡ nghịch lý tam giác là không thể; ngược lại, nó nhằm chỉ ra rằng việc phá vỡ nghịch lý tam giác là khó khăn, và nó cần phải vượt ra ngoài khung tư duy mà lập luận này ngụ ý.

Trong nhiều năm qua, một số chuỗi hiệu suất cao thường tuyên bố rằng họ đã giải quyết được tam giác bất khả thi mà không thay đổi kiến trúc một cách cơ bản, thường thông qua việc áp dụng các kỹ thuật kỹ thuật phần mềm để tối ưu hóa nút. Điều này luôn gây hiểu lầm, vì việc chạy nút trên các chuỗi này khó hơn nhiều so với việc chạy nút trên Ethereum. Bài viết này sẽ khám phá lý do vì sao lại như vậy, và tại sao chỉ dựa vào kỹ thuật phần mềm của khách hàng L1 không thể mở rộng Ethereum?

Tuy nhiên, sự kết hợp giữa mẫu khả dụng dữ liệu và SNARKs thực sự giải quyết được nghịch lý tam giác: nó cho phép khách hàng xác minh một lượng dữ liệu nhất định là khả dụng chỉ bằng cách tải xuống một lượng nhỏ dữ liệu và thực hiện rất ít phép toán. SNARKs là không cần tin cậy. Mẫu khả dụng dữ liệu có một mô hình tin cậy tinh tế few-of-N, nhưng nó giữ lại những đặc điểm cơ bản mà chuỗi không thể mở rộng có, tức là ngay cả khi có một cuộc tấn công 51% cũng không thể ép buộc các khối xấu được mạng chấp nhận.

Một phương pháp khác để giải quyết ba khó khăn là kiến trúc Plasma, nó sử dụng công nghệ tinh vi để chuyển giao trách nhiệm theo dõi tính khả dụng của dữ liệu cho người dùng một cách tương thích với động lực. Vào những năm 2017-2019, khi chúng ta chỉ có bằng chứng gian lận như một phương tiện để mở rộng khả năng tính toán, Plasma bị hạn chế rất nhiều trong việc thực thi an toàn, nhưng với sự phổ biến của SNARKs (chứng minh không kiến thức ngắn gọn không tương tác), kiến trúc Plasma đã trở nên khả thi hơn cho nhiều trường hợp sử dụng rộng rãi hơn bao giờ hết.

Tiến triển hơn nữa trong việc lấy mẫu tính khả dụng dữ liệu

Chúng tôi đang giải quyết vấn đề gì?

Vào ngày 13 tháng 3 năm 2024, khi bản nâng cấp Dencun được ra mắt, blockchain Ethereum sẽ có 3 blob khoảng 125 kB mỗi slot 12 giây, hoặc băng thông dữ liệu khả dụng khoảng 375 kB cho mỗi slot. Giả sử dữ liệu giao dịch được công bố trực tiếp trên chuỗi, thì chuyển khoản ERC20 khoảng 180 byte, do đó TPS tối đa của Rollup trên Ethereum là: 375000 / 12 / 180 = 173.6 TPS

Nếu chúng ta cộng thêm calldata của Ethereum (giá trị tối đa lý thuyết: mỗi slot 30 triệu Gas / mỗi byte 16 gas = mỗi slot 1.875.000 byte), thì sẽ trở thành 607 TPS. Sử dụng PeerDAS, số lượng blob có thể tăng lên 8-16, điều này sẽ cung cấp cho calldata 463-926 TPS.

Đây là một nâng cấp lớn cho Ethereum L1, nhưng vẫn chưa đủ. Chúng tôi muốn có nhiều khả năng mở rộng hơn. Mục tiêu trung hạn của chúng tôi là mỗi slot 16 MB, nếu kết hợp với cải tiến nén dữ liệu Rollup, sẽ mang lại ~58000 TPS.

Nó là gì? Nó hoạt động như thế nào?

PeerDAS là một triển khai tương đối đơn giản của "1D sampling". Trong Ethereum, mỗi blob là một đa thức bậc 4096 trên miền số nguyên tố 253 bit. Chúng tôi phát sóng các shares của đa thức, trong đó mỗi share chứa 16 giá trị đánh giá từ 16 tọa độ liền kề trong tổng số 8192 tọa độ. Trong 8192 giá trị đánh giá này, bất kỳ 4096 giá trị nào (theo các tham số được đề xuất hiện tại: bất kỳ 64 trong tổng số 128 mẫu khả thi) đều có thể khôi phục blob.

Cách hoạt động của PeerDAS là cho phép mỗi máy khách lắng nghe một số lượng nhỏ các subnet, trong đó subnet thứ i phát sóng mẫu thứ i của bất kỳ blob nào và yêu cầu các blob cần thiết từ các subnet khác bằng cách hỏi các peer trong mạng p2p toàn cầu (những người sẽ lắng nghe các subnet khác nhau). Phiên bản bảo thủ hơn SubnetDAS chỉ sử dụng cơ chế subnet mà không có việc hỏi thêm từ lớp peer. Đề xuất hiện tại là để các nút tham gia bằng chứng cổ phần sử dụng SubnetDAS, trong khi các nút khác (tức là khách hàng) sử dụng PeerDAS.

Về lý thuyết, chúng ta có thể mở rộng quy mô của "1D sampling" khá lớn: nếu chúng ta tăng số lượng blob tối đa lên 256 (mục tiêu là 128), thì chúng ta có thể đạt được mục tiêu 16MB, trong đó mỗi nút trong mẫu khả năng dữ liệu có 16 mẫu * 128 blob * mỗi blob mỗi mẫu 512 byte = mỗi slot 1 MB băng thông dữ liệu. Đây chỉ vừa đủ trong phạm vi chấp nhận của chúng tôi: điều này là khả thi, nhưng có nghĩa là các khách hàng bị giới hạn băng thông không thể mẫu. Chúng ta có thể tối ưu hóa ở mức độ nhất định bằng cách giảm số lượng blob và tăng kích thước blob, nhưng điều này sẽ làm tăng chi phí tái tạo.

Do đó, chúng tôi cuối cùng muốn tiến xa hơn nữa để thực hiện lấy mẫu 2D (2D sampling), phương pháp này không chỉ thực hiện việc lấy mẫu ngẫu nhiên trong blob mà còn lấy mẫu ngẫu nhiên giữa các blob. Bằng cách sử dụng thuộc tính tuyến tính của KZG cam kết, chúng tôi mở rộng tập hợp blob trong một khối bằng một tập hợp các blob ảo mới, các blob ảo này mã hóa dư thừa cùng một thông tin.

Do đó, cuối cùng chúng tôi muốn tiến xa hơn, thực hiện mẫu 2D, không chỉ thực hiện mẫu ngẫu nhiên trong blob mà còn giữa các blob. Tính chất tuyến tính của cam kết KZG được sử dụng để mở rộng tập hợp blob trong một khối, bao gồm danh sách blob ảo mới mã hóa dư thừa cho cùng một thông tin.

Điều quan trọng là việc mở rộng cam kết tính toán không cần có blob, vì vậy giải pháp này về cơ bản thân thiện với việc xây dựng khối phân tán. Các nút thực tế xây dựng khối chỉ cần có cam kết blob KZG, và họ có thể dựa vào mẫu khả dụng dữ liệu (DAS) để xác minh khả dụng của các khối dữ liệu. Mẫu khả dụng dữ liệu một chiều (1D DAS) về cơ bản cũng thân thiện với việc xây dựng khối phân tán.

còn cần làm gì? Còn những sự đánh đổi nào?

Tiếp theo là hoàn thành việc triển khai và ra mắt PeerDAS. Sau đó, liên tục gia tăng số lượng blob trên PeerDAS, đồng thời theo dõi mạng và cải tiến phần mềm để đảm bảo an toàn, đây là một quá trình dần dần. Đồng thời, chúng tôi hy vọng sẽ có nhiều công trình học thuật hơn để chuẩn hóa PeerDAS và các phiên bản DAS khác cũng như sự tương tác của nó với các vấn đề an toàn như quy tắc chọn nhánh.

Trong giai đoạn xa hơn trong tương lai, chúng ta cần làm nhiều việc hơn để xác định phiên bản lý tưởng của 2D DAS và chứng minh các thuộc tính an toàn của nó. Chúng tôi cũng hy vọng cuối cùng có thể chuyển từ KZG sang một giải pháp thay thế an toàn với lượng tử và không cần thiết lập đáng tin cậy. Hiện tại, chúng tôi vẫn chưa rõ có những ứng cử viên nào thân thiện với việc xây dựng blockchain phân tán. Ngay cả khi sử dụng công nghệ "brute force" đắt đỏ, tức là sử dụng STARK đệ quy để tạo ra các chứng minh tính hợp lệ cho việc tái tạo các hàng và cột, cũng không đủ để đáp ứng nhu cầu, bởi vì mặc dù về mặt kỹ thuật, kích thước của một STARK là O(log(n) * log(log(n)) hàm băm (sử dụng STIR), nhưng thực tế kích thước của STARK gần như bằng toàn bộ blob.

Tôi nghĩ rằng con đường thực tế lâu dài là:

1. Thực hiện DAS 2D lý tưởng;
2. Kiên trì sử dụng 1D DAS, hy sinh hiệu quả băng thông mẫu, chấp nhận giới hạn dữ liệu thấp hơn vì sự đơn giản và độ tin cậy.
3. Bỏ DA, hoàn toàn chấp nhận Plasma làm kiến trúc Layer2 chính mà chúng tôi quan tâm.

Xin lưu ý rằng ngay cả khi chúng ta quyết định mở rộng thực thi trực tiếp trên lớp L1, lựa chọn này vẫn tồn tại. Điều này là do nếu lớp L1 phải xử lý một lượng lớn TPS, khối L1 sẽ trở nên rất lớn, và khách hàng sẽ muốn có một phương pháp hiệu quả để xác minh tính chính xác của chúng, vì vậy chúng ta sẽ phải sử dụng công nghệ giống như Rollup (chẳng hạn như ZK-EVM và DAS) trên lớp L1.

Làm thế nào để tương tác với các phần khác của lộ trình?

Nếu thực hiện nén dữ liệu, nhu cầu về 2D DAS sẽ giảm bớt, hoặc ít nhất sẽ bị trì hoãn, nếu Plasma được sử dụng rộng rãi, thì nhu cầu sẽ giảm thêm. DAS cũng đặt ra thách thức cho các giao thức và cơ chế xây dựng khối phân tán: mặc dù DAS lý thuyết là thân thiện với việc tái tạo phân tán, nhưng điều này trong thực tế cần phải kết hợp với các đề xuất danh sách bao gồm gói và cơ chế chọn nhánh xung quanh nó.

Nén dữ liệu

Chúng ta đang giải quyết vấn đề gì?

Mỗi giao dịch trong Rollup sẽ chiếm nhiều không gian dữ liệu trên chuỗi: Việc chuyển ERC20 cần khoảng 180 byte. Ngay cả khi có mẫu khả năng dữ liệu lý tưởng, điều này cũng hạn chế khả năng mở rộng của giao thức Layer. Mỗi slot 16 MB, chúng ta có được:

16000000 / 12 / 180 = 7407 TPS

Nếu chúng ta không chỉ có thể giải quyết vấn đề của tử số mà còn giải quyết vấn đề của mẫu số, để mỗi giao dịch trong Rollup chiếm ít byte hơn trên chuỗi, thì điều đó sẽ như thế nào?

Nó là gì, nó hoạt động như thế nào?

Trong mắt tôi, lời giải thích tốt nhất là bức tranh này cách đây hai năm:

Trong nén byte không, sử dụng hai byte để thay thế mỗi chuỗi byte không dài, biểu thị số lượng byte không. Hơn nữa, chúng tôi đã tận dụng các thuộc tính cụ thể của giao dịch:

Ký hiệu tổng hợp: Chúng tôi đã chuyển từ ký hiệu ECDSA sang ký hiệu BLS, đặc điểm của ký hiệu BLS là nhiều ký hiệu có thể được kết hợp thành một ký hiệu duy nhất, ký hiệu này có thể chứng minh tính hợp lệ của tất cả các ký hiệu gốc. Ở tầng L1, do ngay cả khi thực hiện tổng hợp, chi phí tính toán xác minh cũng vẫn cao, vì vậy không xem xét việc sử dụng ký hiệu BLS. Nhưng trong môi trường L2 như vậy, nơi dữ liệu khan hiếm, việc sử dụng ký hiệu BLS là có ý nghĩa. Tính năng tổng hợp của ERC-4337 cung cấp một con đường để thực hiện chức năng này.

Sử dụng pointers để thay thế địa chỉ: Nếu đã từng sử dụng một địa chỉ nào đó, chúng ta có thể thay thế địa chỉ 20 byte bằng một pointer 4 byte trỏ tới vị trí nào đó trong lịch sử.

Chuỗi tuần tự hóa tùy chỉnh giá trị giao dịch------Hầu hết các giá trị giao dịch có số lượng chữ số rất ít, ví dụ, 0.25 Ether được biểu thị là 250,000,000,000,000,000 wei. Tối đa cơ sở tay