Proto-danksharding: 以太坊模块化的第一步

以太坊已经成功从工作量证明过渡到权益证明共识机制。下一个重要的发展路线图项目是EIP-4844,也被称为"原型数据布隆"。这项代码变更旨在改善建立在以太坊之上的rollup的可扩展性。

EIP-4844引入了一种新的交易类型,称为blob,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。一般来说,基于智能合约的rollup不仅依赖以太坊的DA,还依赖以太坊进行交易结算。这些rollup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,向以太坊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。通过EIP-4844,每个区块将创建额外的512kB或768kB的数据空间用于rollup。重要的是,发布到这个空间的数据将被存储约三周时间。

由于通过blob交易验证的数据的短暂性,以及与其他类型交易分开的blob定价机制,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,开发人员打算引入数据采样技术,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,以确定完整blob的可用性。

背景

EIP-4844被认为是以太坊的可扩展性升级。然而,需要注意的是,该代码的改变并没有实质性地增加或引入对以太坊本身交易能力的改进。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被认为是对以太坊可扩展性的提升,因为它使建立在以太坊之上的Layer 2网络更具成本效益,但该代码变更并没有提高以太坊作为交易和智能合约代码执行的通用区块链的可扩展性。

在过去的四年里,Arbitrum、Optimism、StarkNet、zkSync和Polygon zkEVM等以太坊rollup的交易活动一直在增长。根据L2Beat.com的估计,所有Layer 2网络上实现的每秒交易量(TPS)加起来是以太坊日平均TPS的3.8倍。

根据Blockworks Research通过Dune Analytics提供的数据,与直接向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上发送交易的成本,Optimism和Arbitrum,趋势是0.03美元至0.05美元左右。然而,在链上活动频繁和网络拥堵的情况下,这些成本有时会飙升到1美元以上。

EIP-4844的目标是通过引入一种新的交易类型,即二进制大型对象,或称blob,来减少rollup成本。以下是EIP-4844所定义的blob交易的生命周期的逐步说明:

1. 用户向rollup提交交易
2. Rollup排序器批处理交易
3. 排序器将交易批次作为blob提交给以太坊
4. 以太坊验证者将blob附加到区块
5. Blob数据在共识层存储约3周
6. Rollup使用blob数据进行状态更新

EIP-4844并不影响提交给以太坊mempool的常规交易如何被纳入区块,也不影响决定以太坊区块空间价格的收费市场,但EIP-4844确实增加了以太坊区块的存储要求。额外的数据空间是为了将blob交易附加到区块上。Blob就像副车,可以附加到以太坊区块上,而不影响或挤占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交易将几乎没有成本。此后,每确认一个区块,如果超过一半的blob区块空间(至少256kB)被利用,blob交易的成本将增加12.5%。对于每一个blob块空间未被充分利用的区块,即blob块空间被填充不足的50%,blob的成本就会减少12.5%。

Blob交易不会无限期地存储在以太坊上,而是存储在以太坊的共识层(CL),即Beacon Chain上,并在三周后从CL节点上丢弃。Proto-danksharding将使每个区块最多有四个blob,每个blob能够包含最多128kB的额外数据。每块512kB的blob空间的最大限制可能会根据正在进行的EIP-4844的测试而改变。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是一个单一的rollup排序器的机会,以确认单批交易到以太坊。以太坊上每天大约产生7094个区块,在EIP-4484之后,假设4个blob/区块的限制,每天最多可处理28376个blob。

在过去的六个月里,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,每天向以太坊提交大约3126个交易批次。

Arbitrum确认的交易量大约是Optimism的两倍,并且像Optimism一样,依靠排序器通过CALLDATA向以太坊发布数据来完成交易。在以太坊上流行的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。

专门的数据存储空间的引入,不管一开始有多小,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。保守的说,rollup开发者估计,从EIP-4844的激活,rollup费用会减少100%到900%。然而,这些估计可能会根据原数据库激活之前和之后的几个月里,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,但如果建立在以太坊之上的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多达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的出现是一个优先事项,而不是引入更高水平的协议复杂性来防止这种可能性,目前,开发人员正在采取"等待和观察的方法",通过EIP-4844引入blob,并打算在未来对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的完整设想是将每块blob的最大数量从4个增加到64个。

完全Danksharding

四个blob使以太坊区块大小增加512kB。六个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。为了实现完全的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。

数据可用性取样(DAS)

在验证Layer 2 rollup交易的背景下,DAS的目标是确保由排序器捆绑的所有数据片断都已经发布到链上。完全节点是随机选择的,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,开发者还打算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,说明所有的交易有一天可能会成为以太坊上的存储。

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断解决缺失的数据。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与擦除编码的耦合是完全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,正在通过其他区块链项目进行小规模测试,将在以太坊上进行规模测试,部分是通过proto-danksharding,并通过完全danksharding进行认真测试。

KZG承诺

在DAS和擦除编码可以在以太坊上实现之前,完