以太坊扩容新框架:多维 Gas 与 ZK-EVM 的双线推进

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现在谈扩容。

这里分为两个层面:短期和长期。

关于短期扩容,我已在其他地方详述。主要包括:

  • 区块级访问列表(将在 Glamsterdam 升级中推出),支持区块的并行验证。
  • ePBS(同样将在 Glamsterdam 升级中引入),具备多项功能,其中之一是允许安全地利用每个 slot 的大部分时间(而不仅仅是几百毫秒)进行区块验证。
  • Gas 重新定价机制确保各项操作的 gas 成本与实际执行时间(及其带来的其他消耗)相匹配。我们也在初步尝试多维 gas,确保不同资源有各自的上限。这两项改进都能让我们在验证区块时安全地利用更大比例的 slot 时间,无需担心极端情况。

多维 gas 有一套分阶段推进的路线图。

首先,在 Glamsterdam 升级中,我们将“状态创建”成本与“执行和 calldata”成本分离。目前,SSTORE 操作将 slot 从非零改为非零消耗 5000 gas,从零改为非零消耗 20000。Glamsterdam 的一次 gas 重新定价会大幅提升这部分额外成本(例如提升至 60000);我们这样做的目标(叠加 gas 上限提升)是让执行能力的扩展远超状态容量扩展,原因我之前已有详细阐述(

https://ethresear.ch/t/hyper-scaling-state-by-creating-new-forms-of-state/24052)。因此,在 Glamsterdam 升级后,SSTORE 操作将收取 5000“常规”gas 和(例如)55000“状态创建 gas”。

状态创建 gas 不计入约 1600 万交易 gas 上限,因此可以部署比现有更大的合约。

一个挑战是:EVM 如何支持多维 gas?EVM 的操作码(如 GAS、CALL 等)假设只有一个 gas 维度。我们的方案如下:我们保持两个不变性:

  • 如果您用 X gas 发起调用,该调用拥有 X gas,可用于“常规”或“状态创建”或未来的其他维度。
  • 如果您调用 GAS 操作码,显示有 Y gas,然后用 X gas 发起调用,调用后至少还剩 Y-X gas,可用于任何功能,进行后续操作。

我们的做法是,创建 N+1 个“gas 维度”,默认 N=1(状态创建),额外维度称为“reservoir(蓄水池)”。EVM 执行时优先消耗专用维度,否则消耗 reservoir。例如,若账户拥有(100000 状态创建 gas,100000 reservoir),使用 SSTORE 新建状态三次后,剩余 gas 分别为(100000, 100000)->(45000, 95000)->(0, 80000)->(0, 20000)。GAS 返回 reservoir,CALL 传递 reservoir 中指定的 gas 量及所有非 reservoir gas。

后续将切换到多维定价,即不同维度可采用各自浮动的 gas 价格。这将带来长期的经济可持续性和最优性(详见

https://vitalik.eth.limo/general/2024/05/09/multidim.html)。reservoir 机制解决了该文结尾所述的子调用问题。

接下来,长期扩容分为两部分:ZK-EVM 和 blobs。

对于 blobs,计划是持续迭代 PeerDAS,最终目标是能够理想地处理约 8 MB/秒数据。这已足以满足以太坊自身需求,无意成为全球数据层。目前,blobs 主要服务于 L2。未来,计划将以太坊区块数据直接写入 blobs。这对于无需亲自下载和重执行即可验证超大规模以太坊链至关重要:ZK-SNARKs 消除了重执行需求,PeerDAS 在 blobs 上让用户无需下载即可验证可用性。

对于 ZK-EVM,目标是分阶段提升依赖程度:

  • 2026 年,将有支持用户以 attester 身份参与 ZK-EVM 的客户端。此时尚不足以让网络完全运行在 ZK-EVM 上,但例如 5% 的网络依赖 ZK-EVM 是可行的。(若 ZK-EVM 出现故障,不会被罚没,只是有构建在无效区块上并损失收入的风险)
  • 2027 年,将建议更多少数网络节点运行 ZK-EVM,同时全面推进形式化验证和安全性提升。即使只有 20% 的网络运行 ZK-EVM,也能大幅提升 gas 上限,因为这为 solo staker(占比本就低于 20%)提供了低成本路径。
  • 条件成熟后,将采用 3-of-5 强制证明机制。区块需包含来自不同证明系统的 5 种证明中的 3 种才被视为有效。届时,预计除需索引的节点外,所有节点都将依赖 ZK-EVM 证明。
  • 持续优化 ZK-EVM,使其更健壮、形式化验证更完善等。这也将涉及后续可能的 VM 变更(如 RISC-V)。

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