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

以太坊已经成功完成了从工作量证明到权益证明共识协议的过渡。下一个重要项目是EIP-4844,又称"原始数据可用性"。这个代码变更旨在提高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。它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是依赖于Layer 2区块链(如以太坊)进行数据可用性(DA)的协议。通常,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。

向以太坊发布大量数据的成本通常很高,部分原因是网络将数据作为交易历史的一部分永久存储。通过EIP-4844,每个区块将创建512kB或768kB的额外数据空间用于rollup。这些数据将被存储约三周时间。理论上,rollup向以太坊发布数据的成本将大大降低。

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。

本文深入探讨了EIP-4844的工作原理细节,原始danksharding的局限性,EIP-4844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。

背景

EIP-4844被视为以太坊的可扩展性升级。然而,需要注意的是,这项代码变更并没有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被认为提升了以太坊的可扩展性,因为它使建立在以太坊之上的Layer 2网络更具成本效益,但该代码变更并未提高以太坊作为通用区块链的可扩展性。

近年来,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网络实现的总交易吞吐量是以太坊日均TPS的3.8倍。

根据Blockworks Research通过Dune Analytics提供的数据,与直接在以太坊上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上发送交易的成本约为0.03美元至0.05美元。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blob交易来进一步降低rollup成本。以下是EIP-4844所定义的blob交易生命周期的逐步说明:

1. 用户向rollup提交交易
2. Rollup排序器将交易打包成批次
3. 排序器创建blob交易,将打包的交易数据编码为blob
4. Blob交易被提交到以太坊mempool
5. 验证者将blob交易纳入区块
6. 区块被广播到网络并最终确认
7. Blob数据在信标链中存储约3周
8. 3周后blob数据被删除
9. Rollup仍可访问交易数据的加密承诺

EIP-4844不会影响常规交易如何被纳入区块,也不会影响决定以太坊区块空间价格的收费市场,但它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。

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,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)上,并在三周后从CL节点上丢弃。Proto-danksharding将使每个区块最多有4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。

以太坊上每天大约产生7094个区块,在EIP-4844之后,假设4个blob/区块的限制,每天最多可处理28376个blob。(这是一个理论上的最大值,由于blob费用的动态变化,在实践中可能永远不会达到。)

在过去的六个月里,Optimism上运行的排序器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。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。保守估计,rollup开发者预计EIP-4844激活后,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。

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。

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blob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,完全danksharding需要实现KZG承诺方案。Kate Zaverucha Goldberg(KZG)承诺是一种零知识(ZK)证明系统,可以在不透露整个多项式的情况下对多项式进行评估。大型数据对象,如blob,如果首先被表示为多项式,就可以被计算机以高效的方式操作和证明。EIP-4844重要的是引入了KZG承诺作为blob的验证和证明生成过程的一部分。对于依赖ZK证明的Layer 2 rollup,KZG承诺可以表示对交易的计算和rollup协议的状态。在EIP-4844的背景下,KZG承诺可以检查blob的属性,而不需要读取blob事务的全部内容。

KZG仪式

用于验证blob的KZG承诺方案依赖于通过可信设置一次性生成的秘密值。一些加密协议,如Zcash、Tornado Cash和Filecoin,都是依靠可信设置来安全地生成一个秘密值,用于反复的链上计算。EIP-4844的可信设置仪式于2023年1月拉开帷幕。它已经收到了来自以太坊社区的接近10万个贡献。作为背景,可信设置仪式是一个一次性的程序,从超过一方的贡献中生成一块数据用于加密协议。在可信设置仪式中结合来自多个贡献的熵的目标是生成一个几乎不可能重新生成或猜测的秘密值。至关重要的是,从可信设置仪式中产生的最