以太坊模塊化的第一步：Proto-danksharding基本介紹及其工作原理

以太坊正在向可擴展性邁進重要一步。隨着合並和上海升級的完成,以太坊已成功從工作量證明過渡到權益證明共識協議。路線圖上的下一個重大項目是EIP-4844,即"proto-danksharding"。

這項代碼更改旨在提高基於以太坊的rollup的可擴展性。它引入了一種稱爲blob的新交易類型,增加了以太坊區塊的數據和存儲要求,並創建了一個新的收費市場,將blob與常規交易分開定價。

Rollup是依賴Layer區塊鏈(如以太坊)進行數據可用性(DA)的協議。基於智能合約的rollup不僅依賴以太坊的DA,還依賴它進行交易結算(驗證)。這些rollup專門從以太坊等DA層讀取數據,並執行有效的交易和智能合約代碼。

通常,在以太坊上發布大量數據的成本很高,部分原因是網路將數據作爲交易歷史的一部分永久存儲在"CALLDATA"字段中。EIP-4844將在每個區塊中創建512kB或768kB的額外數據空間供rollup使用。重要的是,發布到這個空間的數據只會存儲約三周時間。

由於通過blob交易驗證的數據是短暫的,加上blob定價的獨立收費市場與其他類型交易分開,理論上rollup向以太坊發布數據的成本將大大降低。隨着時間推移,開發人員計劃引入數據採樣技術,這樣blob數據就不需要全部下載給以太坊全節點進行驗證,進一步降低rollup成本。

Proto-danksharding是完全danksharding的前奏和"原型",它將使以太坊節點能夠下載blob數據的片段來確定完整blob的可用性。本文深入探討了EIP-4844的工作原理細節、proto-danksharding的局限性、向完全danksharding的演進計劃,以及對最終用戶和dapp開發者的直接好處。

考慮到完全danksharding的重點是支持Layer rollup生態系統並通過模塊化擴展以太坊,下一次以太坊升級中實施的代碼變更將成爲模塊化區塊鏈理論在全球最大公共區塊鏈之一上規模化應用的重要測試場。

背景

EIP-4844被視爲以太坊的可擴展性升級。但需注意,這項代碼變更並未實質性地增加或改進以太坊本身的交易能力。Proto-danksharding降低了向以太坊發布大量數據的成本,從而降低了rollup的運營成本。EIP-4844之所以被認爲提高了以太坊的可擴展性,是因爲它使基於以太坊的Layer網路更具成本效益,但該代碼變更並未提高以太坊作爲執行交易和智能合約的通用區塊鏈的可擴展性。

過去四年裏,Arbitrum、Optimism、StarkNet、zkSync和Polygon zkEVM等以太坊rollup的交易活動一直在增長。L2Beat.com估計,所有Layer網路實現的每秒交易量(TPS)總和是以太坊日均TPS的3.8倍。

根據Blockworks Research通過Dune Analytics提供的數據,與直接在以太坊部署代碼和交易的成本相比,rollup爲終端用戶和dapp開發者節省了99%以上的gas費用。

截至2023年6月13日,在兩個最受歡迎的以太坊rollup Optimism和Arbitrum上發送交易的成本在0.03美元至0.05美元左右。但在鏈上活動頻繁和網路擁堵時,這些成本有時會飆升至1美元以上。

EIP-4844旨在通過引入一種新的交易類型即二進制大對象(blob)來降低rollup成本。以下是EIP-4844定義的blob交易生命週期的逐步說明:

1. 用戶生成一個blob交易並將其提交到以太坊mempool。
2. 驗證者從mempool中選擇blob交易並將其打包到區塊中。
3. 驗證者將區塊傳播到網路中的其他節點。
4. 其他節點驗證區塊,包括其中的blob交易。
5. 一旦區塊得到確認,blob數據被存儲在信標鏈上約3周時間。
6. 3周後,blob數據從節點中刪除,但其承諾仍保留在鏈上。

EIP-4844不會影響常規交易如何被納入以太坊mempool和區塊,也不會影響決定以太坊區塊空間價格的收費市場。但EIP-4844確實增加了以太坖區塊的存儲要求。額外的數據空間專門用於將blob交易附加到區塊上。

Blob就像邊車,可以附加到以太坊區塊上,而不影響或佔用現有的區塊空間來處理常規交易。Blob區塊空間將根據其自身的收費市場進行拍賣,仿照EIP-1559的收費市場設計。最初,blob交易的成本幾乎爲零。此後,每確認一個區塊,如果超過一半的blob區塊空間(至少256kB)被使用,blob交易的成本將增加12.5%。對於每個blob塊空間未被充分利用的區塊,即blob塊空間填充不足50%,blob的成本就會減少12.5%。

Blob交易不會無限期存儲在以太坊上,而是存儲在以太坊的共識層(CL)即信標鏈上,並在三周後從CL節點上刪除。Proto-danksharding將使每個區塊最多有4個blob,每個blob能包含最多128kB的額外數據。每塊512kB的blob空間最大限制可能會根據正在進行的EIP-4844測試而改變。開發人員正在積極討論將該限制從4個blob增加到6個的可能性。

每個blob是單個rollup排序器發布一批交易到以太坊的機會。以太坊每天大約產生7094個區塊,在EIP-4844之後,假設每個區塊有4個blob的限制,每天最多可處理28376個blob。(這是理論上的最大值,由於blob費用的動態變化,實踐中可能永遠不會達到。連續處理每個區塊的最大數量的blob對排序器來說成本非常高。)

過去6個月裏,在Optimism上運行的排序器(按交易活動計算是第二大最受歡迎的以太坊rollup)每天向以太坊提交約3126個交易批次。

Arbitrum確認的交易量約爲Optimism的兩倍,並且像Optimism一樣,依賴排序器通過CALLDATA向以太坊發布數據來完成交易。以太坊上流行的rollup的其他例子包括但不限於Polygon zkEVM、zkSync和StarkNet。在Optimism上,超過90%的費用來自Layer 1 CALLDATA費用。

引入專門的數據存儲空間,無論一開始有多小,都是爲了降低使用以太坊作爲所有基於以太坊的rollup的DA層的成本。保守估計,rollup開發者預計從EIP-4844激活開始,rollup費用會降低100%到900%。但這些估計可能會根據proto-danksharding激活前後幾個月裏rollup採用和活動的增加而改變。

Blob交易的成本,雖然在EIP-4844激活之初可能比普通交易更便宜,但如果基於以太坊的rollup數量增加,有可能迅速攀升。此外,雖然每個blob旨在爲單個排序器提供發布最多128kB數據的機會,但rollup排序器有可能進行協調,使單個blob包含來自多個rollup的數據。以太坊開發者意識到,由於每個區塊的blob數量有限,而且單個交易批次可能無法完全利用每個blob交易的全部128kB數據空間,因此可能會出現定價blob的二級市場。雖然防止鏈外二級市場出現是一個優先事項,但不是引入更高級別的協議復雜性來防止這種可能性,目前開發人員正採取"等待觀察"的方法,通過EIP-4844引入blob,並計劃在未來對EIP-4844進行進一步優化。

Proto-danksharding爲引入更先進的技術奠定了基礎,以便在不增加節點計算負載的情況下進一步降低blob成本。稱爲完全danksharding,對blob的完整設想是將每個區塊的blob最大數量從4個增加到64個。

完全danksharding

4個blob使以太坊區塊大小增加512kB。6個blob會使以太坊區塊大小額外增加768kB。如前所述,額外的區塊空間嚴格用於blob交易,並不像普通區塊空間那樣永久存儲數據。EIP-4844的完整願景是爲以太坊引入最多64個blob,並且在不大幅增加區塊驗證的節點計算負載的情況下做到這一點。爲了實現完全danksharding,以太坊需要實現兩種技術:數據可用性採樣(DAS)和擦除編碼。

數據可用性採樣(DAS)

在驗證Layer rollup交易的背景下,DAS的目標是確保排序器捆綁的所有數據片段都已發布到鏈上。完整節點被隨機選擇,從blob中下載一塊數據並生成數據可用性證明。完整節點對數據採樣的次數越多,對所有數據都已從排序器中提供而沒有扣留重要數據的概率確定性就越大。對節點來說,採樣數據的過程比下載整個blob數據的計算量要小,但在理論上會給出同樣的數據可用性保證。與proto-danksharding一樣,完全danksharding下的blob數據抽樣將確保來自排序器的交易已被驗證並發布在鏈上,供任何用戶或網路利益相關者評估。然後,用戶和利益相關者有一段時間可以查看這些交易,確認它們已經在以太坊這樣的DA層上最終完成,並在前一批交易的基礎上建立新的交易批次。

通過DAS,以太坊開發者有信心在不增加節點計算負荷的情況下增加發布到以太坊的blob數量和數據量。此外,開發者還計劃在未來的升級中通過實施歷史到期等建議,進一步降低節點的計算負荷。用以太坊研究員Dankrad Feist的話說,隨着時間的推移,以太坊將變得像"公共告示牌而不是存檔系統",將保留交易歷史完整副本的責任推給經常使用這些數據的網路利益相關者,如Layer rollup和Infura、Alchemy和Blockdaemon等區塊鏈基礎設施公司。雖然EIP-4844引入了blob,但這是一個早期的例子,說明所有交易有一天可能會成爲以太坊上的暫時存儲。

擦除編碼

擦除編碼技術加強了對數據的採樣能力。如果一個惡意的排序器扣留了少數塊數據,在1%到49%的blob數據之間的任何地方,交易抽樣可能會概率性地導致某些樣本證明一開始就被返回爲正確,而不是錯誤。擦除編碼確保如果至少一半的blob被驗證,其餘的blob可以被重建。這種技術只有在數據被表示爲多項式,即兩個以上的代數項的表達式時才有效。最常見的擦除編碼形式依賴於Reed-Solomon(RS)碼,這是一個高級數學公式,可以根據足夠的已知數據片段解決缺失的數據。直觀地說,僅靠抽樣可能無法有效地保證大量數據的可用性,特別是在假設一個惡意的排序者從一個blob中扣留了一個單一的數據。擦除編碼爲blob引入了數據冗餘,這樣一來,惡意排序者必然需要扣留blob數據的明顯大份額才能扣留任何數量的數據。

DAS與擦除編碼的結合是完全danksharding技術的基礎。這些技術也是某些DA層背後的技術,如Polygon Avail和Celestia。在許多方面,支持模塊化區塊鏈計算的願景,正在通過其他