以太坊模块化的第一步：Proto-danksharding基本介绍及其工作原理

以太坊正在向可扩展性迈进重要一步。随着合并和上海升级的完成,以太坊已成功从工作量证明过渡到权益证明共识协议。路线图上的下一个重大项目是EIP-4844,即"proto-danksharding"。

这项代码更改旨在提高基于以太坊的rollup的可扩展性。它引入了一种称为blob的新交易类型,增加了以太坊区块的数据和存储要求,并创建了一个新的收费市场,将blob与常规交易分开定价。

Rollup是依赖Layer 2区块链(如以太坊)进行数据可用性(DA)的协议。基于智能合约的rollup不仅依赖以太坊的DA,还依赖它进行交易结算(验证)。这些rollup专门从以太坊等DA层读取数据,并执行有效的交易和智能合约代码。

通常,在以太坊上发布大量数据的成本很高,部分原因是网络将数据作为交易历史的一部分永久存储在"CALLDATA"字段中。EIP-4844将在每个区块中创建512kB或768kB的额外数据空间供rollup使用。重要的是,发布到这个空间的数据只会存储约三周时间。

由于通过blob交易验证的数据是短暂的,加上blob定价的独立收费市场与其他类型交易分开,理论上rollup向以太坊发布数据的成本将大大降低。随着时间推移,开发人员计划引入数据采样技术,这样blob数据就不需要全部下载给以太坊全节点进行验证,进一步降低rollup成本。

Proto-danksharding是完全danksharding的前奏和"原型",它将使以太坊节点能够下载blob数据的片段来确定完整blob的可用性。本文深入探讨了EIP-4844的工作原理细节、proto-danksharding的局限性、向完全danksharding的演进计划,以及对最终用户和dapp开发者的直接好处。

考虑到完全danksharding的重点是支持Layer 2 rollup生态系统并通过模块化扩展以太坊,下一次以太坊升级中实施的代码变更将成为模块化区块链理论在全球最大公共区块链之一上规模化应用的重要测试场。

背景

EIP-4844被视为以太坊的可扩展性升级。但需注意,这项代码变更并未实质性地增加或改进以太坊本身的交易能力。Proto-danksharding降低了向以太坊发布大量数据的成本,从而降低了rollup的运营成本。EIP-4844之所以被认为提高了以太坊的可扩展性,是因为它使基于以太坊的Layer 2网络更具成本效益,但该代码变更并未提高以太坊作为执行交易和智能合约的通用区块链的可扩展性。

过去四年里,Arbitrum、Optimism、StarkNet、zkSync和Polygon zkEVM等以太坊rollup的交易活动一直在增长。L2Beat.com估计,所有Layer 2网络实现的每秒交易量(TPS)总和是以太坊日均TPS的3.8倍。

根据Blockworks Research通过Dune Analytics提供的数据,与直接在以太坊部署代码和交易的成本相比,rollup为终端用户和dapp开发者节省了99%以上的gas费用。

截至2023年6月13日,在两个最受欢迎的以太坊rollup Optimism和Arbitrum上发送交易的成本在0.03美元至0.05美元左右。但在链上活动频繁和网络拥堵时,这些成本有时会飙升至1美元以上。

EIP-4844旨在通过引入一种新的交易类型即二进制大对象(blob)来降低rollup成本。以下是EIP-4844定义的blob交易生命周期的逐步说明:

1. 用户生成一个blob交易并将其提交到以太坊mempool。
2. 验证者从mempool中选择blob交易并将其打包到区块中。
3. 验证者将区块传播到网络中的其他节点。
4. 其他节点验证区块,包括其中的blob交易。
5. 一旦区块得到确认,blob数据被存储在信标链上约3周时间。
6. 3周后,blob数据从节点中删除,但其承诺仍保留在链上。

EIP-4844不会影响常规交易如何被纳入以太坊mempool和区块,也不会影响决定以太坊区块空间价格的收费市场。但EIP-4844确实增加了以太坖区块的存储要求。额外的数据空间专门用于将blob交易附加到区块上。

Blob就像边车,可以附加到以太坊区块上,而不影响或占用现有的区块空间来处理常规交易。Blob区块空间将根据其自身的收费市场进行拍卖,仿照EIP-1559的收费市场设计。最初,blob交易的成本几乎为零。此后,每确认一个区块,如果超过一半的blob区块空间(至少256kB)被使用,blob交易的成本将增加12.5%。对于每个blob块空间未被充分利用的区块,即blob块空间填充不足50%,blob的成本就会减少12.5%。

Blob交易不会无限期存储在以太坊上,而是存储在以太坊的共识层(CL)即信标链上,并在三周后从CL节点上删除。Proto-danksharding将使每个区块最多有4个blob,每个blob能包含最多128kB的额外数据。每块512kB的blob空间最大限制可能会根据正在进行的EIP-4844测试而改变。开发人员正在积极讨论将该限制从4个blob增加到6个的可能性。

每个blob是单个rollup排序器发布一批交易到以太坊的机会。以太坊每天大约产生7094个区块,在EIP-4844之后,假设每个区块有4个blob的限制,每天最多可处理28376个blob。(这是理论上的最大值,由于blob费用的动态变化,实践中可能永远不会达到。连续处理每个区块的最大数量的blob对排序器来说成本非常高。)

过去6个月里,在Optimism上运行的排序器(按交易活动计算是第二大最受欢迎的以太坊rollup)每天向以太坊提交约3126个交易批次。

Arbitrum确认的交易量约为Optimism的两倍,并且像Optimism一样,依赖排序器通过CALLDATA向以太坊发布数据来完成交易。以太坊上流行的rollup的其他例子包括但不限于Polygon zkEVM、zkSync和StarkNet。在Optimism上,超过90%的费用来自Layer 1 CALLDATA费用。

引入专门的数据存储空间,无论一开始有多小,都是为了降低使用以太坊作为所有基于以太坊的rollup的DA层的成本。保守估计,rollup开发者预计从EIP-4844激活开始,rollup费用会降低100%到900%。但这些估计可能会根据proto-danksharding激活前后几个月里rollup采用和活动的增加而改变。

Blob交易的成本,虽然在EIP-4844激活之初可能比普通交易更便宜,但如果基于以太坊的rollup数量增加,有可能迅速攀升。此外,虽然每个blob旨在为单个排序器提供发布最多128kB数据的机会,但rollup排序器有可能进行协调,使单个blob包含来自多个rollup的数据。以太坊开发者意识到,由于每个区块的blob数量有限,而且单个交易批次可能无法完全利用每个blob交易的全部128kB数据空间,因此可能会出现定价blob的二级市场。虽然防止链外二级市场出现是一个优先事项,但不是引入更高级别的协议复杂性来防止这种可能性,目前开发人员正采取"等待观察"的方法,通过EIP-4844引入blob,并计划在未来对EIP-4844进行进一步优化。

Proto-danksharding为引入更先进的技术奠定了基础,以便在不增加节点计算负载的情况下进一步降低blob成本。称为完全danksharding,对blob的完整设想是将每个区块的blob最大数量从4个增加到64个。

完全Danksharding

4个blob使以太坊区块大小增加512kB。6个blob会使以太坊区块大小额外增加768kB。如前所述,额外的区块空间严格用于blob交易,并不像普通区块空间那样永久存储数据。EIP-4844的完整愿景是为以太坊引入最多64个blob,并且在不大幅增加区块验证的节点计算负载的情况下做到这一点。为了实现完全danksharding,以太坊需要实现两种技术:数据可用性采样(DAS)和擦除编码。

数据可用性采样(DAS)

在验证Layer 2 rollup交易的背景下,DAS的目标是确保排序器捆绑的所有数据片段都已发布到链上。完整节点被随机选择,从blob中下载一块数据并生成数据可用性证明。完整节点对数据采样的次数越多,对所有数据都已从排序器中提供而没有扣留重要数据的概率确定性就越大。对节点来说,采样数据的过程比下载整个blob数据的计算量要小,但在理论上会给出同样的数据可用性保证。与proto-danksharding一样,完全danksharding下的blob数据抽样将确保来自排序器的交易已被验证并发布在链上,供任何用户或网络利益相关者评估。然后,用户和利益相关者有一段时间可以查看这些交易,确认它们已经在以太坊这样的DA层上最终完成,并在前一批交易的基础上建立新的交易批次。

通过DAS,以太坊开发者有信心在不增加节点计算负荷的情况下增加发布到以太坊的blob数量和数据量。此外,开发者还计划在未来的升级中通过实施历史到期等建议,进一步降低节点的计算负荷。用以太坊研究员Dankrad Feist的话说,随着时间的推移,以太坊将变得像"公共告示牌而不是存档系统",将保留交易历史完整副本的责任推给经常使用这些数据的网络利益相关者,如Layer 2 rollup和Infura、Alchemy和Blockdaemon等区块链基础设施公司。虽然EIP-4844引入了blob,但这是一个早期的例子,说明所有交易有一天可能会成为以太坊上的暂时存储。

擦除编码

擦除编码技术加强了对数据的采样能力。如果一个恶意的排序器扣留了少数块数据,在1%到49%的blob数据之间的任何地方,交易抽样可能会概率性地导致某些样本证明一开始就被返回为正确,而不是错误。擦除编码确保如果至少一半的blob被验证,其余的blob可以被重建。这种技术只有在数据被表示为多项式,即两个以上的代数项的表达式时才有效。最常见的擦除编码形式依赖于Reed-Solomon(RS)码,这是一个高级数学公式,可以根据足够的已知数据片段解决缺失的数据。直观地说,仅靠抽样可能无法有效地保证大量数据的可用性,特别是在假设一个恶意的排序者从一个blob中扣留了一个单一的数据。擦除编码为blob引入了数据冗余,这样一来,恶意排序者必然需要扣留blob数据的明显大份额才能扣留任何数量的数据。

DAS与擦除编码的结合是完全danksharding技术的基础。这些技术也是某些DA层背后的技术,如Polygon Avail和Celestia。在许多方面,支持模块化区块链计算的愿景,正在通过其他