用可视化的方式展示以太坊的现在和未来之路

作者 | Barnabé Monnot，以太坊基金会研究员以下内容改编自作者于4月9日(周五)的演讲内容。非常感谢 Danny Ryan 和 Sacha Saint-Leger 的建议。本文是关于通往未来以太坊的道路。今天的以太坊就是 eth2 开发者所称的“eth1”，也即当前我们熟知和喜爱的 PoW 链；明天的以太坊既不是 eth1，也不是 eth2。以太坊：综合了在今天的执行层 (eth1) 之上部署PoS和分片的一系列 eth2 工作。我们先来回顾一下今天的以太坊 (eth1)：今天的 eth1 链的运作方式在今天的以太坊上，当用户想要做一些事情 (即“事务”)，他们会把事务 (transactions) 发送给矿工，然后矿工把事务打包进区块，并将这些区块添加到一条不断增长的区块链 (eth1) 中。矿工运行 PoW 共识机制，以此来决定由谁来添加下一个区块，矿工也执行区块中包含的事务，以确保这些事务是有效的。PoS 替代 PoW：验证者替代矿工，小型服务器替代大量挖矿设备PoW 需要大量的硬件设备来运行密集运算，进而造成了过高的能耗。在此，我们不会像大多数加密货币批评者那样讨论能源浪费问题 (比如“为什么我们要使用一个消耗<某个国家的>能源的支付系统？”)，但如果我们可以消耗绝对更少的 kWh (千瓦时) 来做一些事情，那么这 (PoW) 就确实是存在能源浪费，我们应该减少能耗。因此，这将我们带入 PoS，使用小型的服务器来取代大量挖矿设备，并使用验证者 (validator) 取代矿工。在 PoS 中，如果验证者不执行验证工作 (图中第2步)，则将会适当地损失质押金那么，上图中的第2步 (即验证) 是什么呢？验证者到底要验证什么？我们可以将以太坊的活动分为两部分：共识层→“哪个是正确的数据？”；执行层→“数据的含义是什么？”共识层 (consensus layer) 确保所有人都对正确的数据达成共识。执行层 (execution layer) 实际上是“解释”这些数据，使数据有意义。“数据”是指与区块链进行的任何交互，比如部署一个智能合约，在交易所进行交易，发送一笔付款等等…区块链的核心是在链中引入新的区块。当新区块被添加进来时，新区块进来之前的状态和进来之后的状态之间，会发生一次状态转换(state transition)。区块链的当下状态汇总了之前所有区块的数据。例如，如果当前状态维持着一个记录了 Alice 和 Bob 的账户余额的账本，而新区块中包含了一笔 Bob 向 Alice 支付了 10 枚币的交易，那么这个新区块被添加进区块链中之后，状态将会记录新的余额信息。一个新区块添加进来之后，要么会更改当前的状态(比如，更新 Alice 和 Bob 的余额)，要么会创建一个新的状态(比如部署一个智能合约，或者将 Carol 新添加进账本中…)。根据以太坊计划，第1步是将共识与执行解耦；第2步是把PoW共识换成PoS共识根据我们的计划，Rollups 和 eth2 工作的总体要点就是处理上图中的第1步，也即将共识与执行解耦(decorrelate consensus and execution)。那么，这方面进展如何了呢？第1步已经完成了！自 2020 年 12 月以来，我们已经有了两条并行运行的区块链(见上图)：这两条链并行运行，但它们会相互“交流”，当然目前是单向的…如何成为一名验证者？要成为 PoS 共识链 (即信标链) 的验证者，用户需要在部署于 PoW 共识+执行链 (即eth1) 上的存款合约中锁定 32 ETH，该质押金会自动转移到 PoS 共识链中。一旦验证者被激活，就可以开始 (对 PoS 共识链) 进行验证并获取奖励。合并之后，信标链 (紫色) 是共识链，切换为 PoS 共识的 eth1 链 (红色) 将作为执行链。什么时候实现合并？可能在2021年实现…预计这种单向的“交流”将不会持续很长时间。合并这两条链将永久地连接 PoS 共识链 (信标链) 和 PoW 共识+执行链 (eth1) 之间的鸿沟，从而允许验证者为执行层(即合并之后切换为 PoS 共识的 eth1 链)生成区块。因此，合并之后，我们将有两条链：合并之后，PoS 共识链 (信标链) 的验证者们将终于能够赎回和提取他们的收益和存款，并将收益和存款发回至 PoS 执行链(eth1)中。所有这些使我们从 PoW 环境转移到了一个完全合格的 PoS 环境中！但需要注意的是，此时并没有增加这条链的带宽——这是分片(sharding) 要实现的目标。在这之前，在我们尚且只有一条执行链 (即 eth1 链) 之际，我们来讨论一下如何通过其它方式来对执行进行扩展。扩展计划：1. 将执行转移至链下；2. 将数据提交至链上。Rollups是众多可用的扩展解决方案之一，但从协议设计的角度来看，它可能提供了最优折衷的方案。Rollups 的理念很简单：通过在链上提交重建状态转换执行所需的数据，来综合地处理状态转换，并将执行转移至链下进行。如果有人对执行结果有异议，或者有人忘记了在第一时间执行，那么数据就在那里等着所有人处理。Rollups 是无需许可的！更准确地说，在 Rollups 中，执行所需的数据 (事务输入) 与它的载体 (事务) 是分开的，且这些数据是以节省空间的方式“捆绑”起来。同时，Rollups 在执行链(即eth1链)之外运行，提交数据并加以执行。见下图：如今 eth1 链的扩展正在发生，Rollups 已经部署，其它扩展方案也在开发中。想要“使用某条 Rollup 链”的用户，需要在该 Rollup 位于执行链 (eth1) 上的合约中存储一些资产，之后用户就可以在该 Rollup 上做一些事情了，比如使用自己的资产与该 Rollup 链上的其它资产进行交易。一旦用户完成了想要做的事情，就可以将资产从 Rollup撤回至执行链中。就是这样！Rollups 有什么其它替代性方案？如果我们没有这些并行运行的 Rollps 链(上图中的黄色链)，而是拥有很多条并行运行的执行链(上图中的红色链)，那会如何？比如，如果 eth1 链被“复制”，并与其它几条复制链并行运行，那会怎样？其中的问题在于我们如何处理几条平行运行的执行链。如果其中某条执行链想要知道另一条执行链中发生的事情，那该如何做到？这正是分片(sharding) 遇到的棘手问题(注：也即所谓的跨分片通信问题)。你可能会说，“Rollups 差不多也有这样的问题！”，实际上确实如此。当你在某条 Rollup 链上想要与另一条 Rollup 链进行交互时，同样的棘手问题也会出现 (即跨Rollup通信问题)。但重点是，当前存在几种 Rollup 设计，这一问题的解决方案空间很广阔，且在很大程度上尚未被探索。因此，在将某种方案纳入协议层之前，为何不通过 Rollups 先启动试验呢？这将我们带向了以 Rollup 为中心的以太坊路线图[1]。以 Rollup 为中心的 eth2：使用分片来保存 Rollups 发布的数据你听说过区块空间的稀缺性吧？Rollups 需要发布数据，而 eth1 的区块空间是稀缺的！且如上所述，跨分片很难。因此，为什么不使用分片来保存 Rollups 需要发布的数据呢？借助于 64 条分片链，就能带来比当前可用的多出 64 倍的带宽，而且可能更多，因为一个分片区块将可能保存比当前的 eth1 区块更多的数据量。应该强调的是，这并不意味着在分片层的执行功能会永远被排除在外。当前以 Rollup 为中心的以太坊路线图是一种短期到中期的前进方式，直到 (例如) 找到更好的加密原语来保证正确地将执行划分到多条链中(注：即实现可执行分片)。这一切都非常迷人，应该会让很多人忙上很长一段时间。在此期间，Rollups 是解决之道。每条 Rollup 链都是其自身的“执行环境”：如何轻松地迁往/迁出 Rollup？我们可以进行跨Rollup操作吗？Rollups 应该如何处理拥堵问题？这方面还有很多工作要做！首先，我们不要忘记，合并和数据分片是非常复杂的工作，目前有多个团队在致力于其中一项或兼顾这两项工作。而即便是在 Rollup 方面，仍然有一些非常有趣的问题有待探讨，以下仅是其中一些：如何大规模地实现用户向 Rollups 的迁移或者从 Rollups 迁回至链上[2]，这是一个很酷的概念。如果你有足够多的公共交通工具让你往返于 Layer1 (eth1) 和 Layer2 (Rollps) 之间，为何你还要自己开车往返呢？其中的经济机制是什么呢？如果你想在临近的一条 Rollup 链做一些事情，因为该 Rollup 中有着一些你所在的 Rollup 中没有的酷东西，那你该怎么办？你是否必须从当前的 Rollup 撤回至 Layer1 上，然后再从 Layer1 转移至该临近的 Rollup 中？这似乎相当的不经济。对于当前的链上操作来说，Rollups 是一个巨大的带宽提升，这是毫无疑问的。但是，Rollups 并不是用户所期望的无限高速公路。在 Rollups 中，仍然会有很多人想要做很多事情，且有时候是同时发生的！因此，Rollups 将与生俱来地要应对拥堵问题，但与 Layer1 协议保护的拥堵市场 (EIP-1559 很快就会实施) 不同，Rollups 有着更大的设计空间可供探索。说到拥堵问题，这是更特定于协议的，但我们还将看到 EIP-1559 扮演交通警察的角色，来规范每个数据分片上发布的数据量，以确保验证者能够处理这个数据量。如果你认为 EIP-1559 机制在一条链 (eth1) 上很酷，那么等到有 64 条分片链同时运行该机制时会更酷。那么，Rollups 应该在哪里发布它们的数据呢？是将数据仅发布在单个分片上，使数据仅在该条分片上可获取？还是发布在多个分片上，从而受益于计划中的分片交错出块？其中，分片交错出块 (shard staggering) 是 Vitalik 最近提出的想法，即所有分片轮流出块，这样 Layer2 项目 (如 Rollups) 在发布数据时，距离一个新区块的时间间隔不会超过几百毫秒，这对于需要快速敲定的应用来说是理想选择。