Vitalik 博文：如何讓 5 年後的以太坊變得像比特幣一樣簡單

作者 | Vitalik Buterin

編譯 | GaryMa 吳說區塊鏈

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摘要

以太坊旨在成爲全球帳本，需要可擴展性和韌性。本文聚焦協議簡單性的重要性，提出通過簡化共識層（3-slot 最終性、STARK 聚合）和執行層（替換 EVM 爲 RISC-V 或類似虛擬機）大幅降低復雜性，減少開發成本、錯誤風險和攻擊面。建議通過向後兼容策略（如鏈上 EVM 解釋器）平滑過渡，並統一糾刪碼、序列化格式（SSZ）和樹結構以進一步簡化。目標是讓以太坊共識關鍵代碼接近比特幣的簡單性，提升韌性和參與度，需文化上重視簡單性並設定最大代碼行數目標。

以太坊的目標是成爲全球帳本：存儲人類文明資產與記錄的平台，服務於金融、治理、高價值數據認證等領域。這需要兩方面的支持：可擴展性與韌性。Fusaka 硬分叉計劃將 L2 數據的可用空間增加 10 倍，而當前提議的 2026 年路線圖也計劃爲 L1 層帶來類似的大幅提升。與此同時，以太坊已完成向權益證明（PoS）的過渡，客戶端多樣性迅速提升，零知識（ZK）驗證、量子抗性研究也在穩步推進，應用生態日益穩健。

本文旨在聚焦一個同樣重要卻易被低估的韌性（乃至可擴展性）要素：協議的簡單性。

比特幣協議最令人贊嘆之處在於其優雅的簡潔性：

1. 存在一條由區塊組成的鏈，每個區塊通過哈希與前一區塊相連。

2. 區塊的有效性通過工作量證明（PoW）驗證，即檢查哈希值的前幾位是否爲零。

3. 每個區塊包含交易，交易花費的幣要麼來自挖礦獎勵，要麼來自之前的交易輸出。

僅此而已！即便是一個聰明的高中生也能完全理解比特幣協議的運作，而一個程序員甚至可以將其作爲業餘項目編寫一個客戶端。

協議的簡單性爲比特幣（以及以太坊）成爲可信、中立的全球基礎層帶來了諸多關鍵優勢：

1. 易於理解：降低協議的復雜性，讓更多人能夠參與協議研究、開發和治理，減少技術精英階層主導的風險。

2. 降低開發成本：簡化協議大幅降低創建新基礎設施（如新客戶端、證明器、開發者工具等）的成本。

3. 減少維護負擔：降低長期協議維護的成本。

4. 減少錯誤風險：降低協議規範及實現中發生災難性錯誤的可能性，同時便於驗證不存在此類錯誤。

5. 縮小攻擊面：減少協議的復雜組件，降低被特殊利益集團攻擊的風險。

歷史上，以太坊（有時因我個人的決策）常常未能保持簡單，導致開發成本過高、安全風險增加以及研發文化的封閉性，而這些復雜性追求的收益往往被證明是虛幻的。本文將探討五年後的以太坊如何接近比特幣的簡單性。

簡化共識層

新的共識層設計（歷史上稱爲 “信標鏈”）旨在利用過去十年在共識理論、ZK-SNARK 開發、質押經濟等領域的經驗，構建一個長期最優且更簡單的共識層。相比現有信標鏈，新設計顯著簡化：

1. 3-slot 最終性設計：移除槽（slot）、週期（epoch）、委員會重組等概念，以及相關的高效處理機制（如同步委員會）。 3-slot 最終性的基本實現僅需約 200 行代碼，且相比 Gasper，安全性接近最優。

2. 減少活躍驗證者數量：允許使用更簡單的分叉選擇規則實現，增強安全性。

3. 基於 STARK 的聚合協議：任何人都可成爲聚合者，無需信任聚合者或爲重復位域支付高昂費用。聚合密碼學的復雜性較高，但其復雜性被高度封裝，系統性風險較低。

4. 簡化 P2P 架構：上述因素可能支持更簡單、更穩健的點對點網路架構。

5. 重新設計驗證者機制：包括進入、退出、提款、密鑰轉換、 inactivity leak 等機制，簡化代碼行數並提供更清晰的保證（如弱主觀性週期）。

共識層的優勢在於其與 EVM 執行層相對獨立，因此有較大空間持續改進。更大的挑戰在於如何在執行層實現類似簡化。

簡化執行層

EVM 的復雜性日益增加，且許多復雜性被證明無必要（部分因我個人決策失誤）：256 位虛擬機過度優化了如今已逐漸過時的特定密碼學形式，預編譯（precompiles）爲單一用例優化卻鮮被使用。

逐一解決這些問題效果有限。例如，移除 SELFDESTRUCT 操作碼耗費巨大努力，卻僅帶來較小收益。近期關於 EOF（EVM Object Format）的爭論也顯示出類似挑戰。

我最近提出一個更激進的方案：與其對 EVM 進行中等規模（但仍具破壞性）的更改以換取 1.5 倍的收益，不如向一個更優、更簡單的虛擬機過渡，以實現 100 倍的收益。類似於 “合並”（The Merge），我們減少破壞性變更的次數，但使每次變更更具意義。具體而言，我建議將 EVM 替換爲 RISC-V，或以太坊 ZK 證明器使用的另一種虛擬機。這將帶來：

1. 效率大幅提升：智能合約執行（在證明器中）無需解釋器開銷，直接運行。Succinct 的數據顯示在許多場景下性能可提升 100 倍以上。

2. 簡單性大幅改進：RISC-V 規範相比 EVM 極其簡單，替代方案（如 Cairo）同樣簡潔。

3. 支持 EOF 的動機：如代碼分區、更友好的靜態分析、更大代碼大小限制等。

4. 更多開發者選擇：Solidity 和 Vyper 可添加後端以編譯到新虛擬機。若選擇 RISC-V，主流語言開發者也能輕鬆將代碼移植到該虛擬機。

5. 移除大部分預編譯：可能僅保留高度優化的橢圓曲線操作（量子計算機普及後連這些也將消失）。

主要缺點是，與已準備就緒的 EOF 不同，新虛擬機的收益需較長時間惠及開發者。我們可通過短期實施高價值的 EVM 改進（如增加合約代碼大小限制、支持 DUP/SWAP17–32）來緩解這一問題。

這將帶來更簡單的虛擬機。核心挑戰在於：如何處理現有的 EVM？

虛擬機過渡的向後兼容策略

簡化（或在不增加復雜性的前提下改進）EVM 的最大挑戰在於如何平衡目標實現與現有應用的向後兼容性。

首先需要明確：以太坊代碼庫（即使在單一客戶端內）並非只有一種定義方式。

目標是盡量縮小綠色區域：節點參與以太坊共識所需的邏輯，包括計算當前狀態、證明、驗證、FOCIL（分叉選擇規則）及 “普通” 區塊構建。

橙色區域無法減少：若協議規範移除或更改某執行層功能（如虛擬機、預編譯等），處理歷史區塊的客戶端仍需保留相關代碼。但新客戶端、ZK-EVM 或形式化證明器可完全忽略橙色區域。

新增的黃色區域：對理解當前鏈或優化區塊構建非常有價值，但不屬於共識邏輯。例如，Etherscan 及部分區塊構建者支持 ERC-4337 用戶操作。若我們用鏈上 RISC-V 實現替換某些以太坊功能（如 EOA 及其支持的舊交易類型），共識代碼將顯著簡化，但專用節點可能繼續使用原有代碼進行解析。

橙色和黃色區域的復雜性是封裝復雜性，理解協議的人可跳過這些部分，以太坊實現可忽略它們，這些區域的錯誤不會引發共識風險。因此，橙色和黃色區域的代碼復雜性遠比綠色區域的復雜性危害小。

將代碼從綠色區域移至黃色區域的思路，類似於蘋果通過 Rosetta 翻譯層確保長期向後兼容的策略。

受 Ipsilon 團隊近期文章啓發，我提出以下虛擬機變更流程（以 EVM 到 RISC-V 爲例，但也可用於 EVM 到 Cairo 或 RISC-V 到更優虛擬機）：

1. 要求新預編譯提供鏈上 RISC-V 實現：讓生態系統逐步適應 RISC-V 虛擬機。

2. 引入 RISC-V 作爲開發者選項：協議同時支持 RISC-V 和 EVM，兩種虛擬機的合約可自由交互。

3. 替換大部分預編譯：除橢圓曲線操作和 KECCAK（因需極致速度）外，用 RISC-V 實現替換其他預編譯。通過硬分叉移除預編譯，同時將該地址的代碼（類似 DAO 分叉）從空更改爲 RISC-V 實現。RISC-V 虛擬機極其簡單，即使在此止步也淨簡化協議。

4. 在 RISC-V 中實現 EVM 解釋器：作爲智能合約上鏈（因 ZK 證明器需要已進行）。在初始發布數年後，現有 EVM 合約通過該解釋器運行。

完成第 4 步後，許多 “EVM 實現” 仍將用於優化區塊構建、開發者工具和鏈分析，但不再是關鍵共識規範的一部分。以太坊共識將 “原生地” 僅理解 RISC-V。

通過共享協議組件簡化

降低協議總復雜度的第三種方式（也最易被低估）是盡可能在協議棧的不同部分共享統一標準。不同協議在不同場景下做相同的事情通常毫無益處，但這種模式仍常出現，主要是因爲協議路線圖的不同部分缺乏溝通。以下是幾個通過共享組件簡化以太坊的具體示例。

統一糾刪碼

我們在三個場景中需要糾刪碼：

1. 數據可用性採樣：客戶端驗證區塊已發布。

2. 更快的 P2P 廣播：節點接收 n/2 個片段後即可接受區塊，在延遲與冗餘間取得平衡。

3. 分布式歷史存儲：以太坊歷史數據分片存儲，每組 n/2 個片段可恢復其餘片段，降低單一片段丟失風險。

若在三種場景中使用同一糾刪碼（無論是 Reed-Solomon、隨機線性碼等），將獲得以下優勢：

1. 最小化代碼量：減少總代碼行數。

2. 提高效率：若節點爲某場景下載部分片段，這些數據可用於其他場景。

3. 確保可驗證性：所有場景的片段均可根據根驗證。

若使用不同糾刪碼，至少應確保兼容性，例如數據可用性採樣的水平 Reed-Solomon 碼與垂直隨機線性碼在同一域操作。

統一序列化格式

以太坊的序列化格式目前僅部分固化，因數據可按任意格式重新序列化和廣播。例外是交易籤名哈希，需規範格式進行哈希。未來，序列化格式的固化程度將因以下原因進一步提高：

1. 完全帳戶抽象（EIP-7701）：交易完整內容對虛擬機可見。

2. 更高的 Gas 限制：執行層數據需放入數據塊（blobs）。

屆時，我們有機會統一以太坊三個層級的序列化格式：執行層、共識層、智能合約調用 ABI。

我提議使用 SSZ，因爲 SSZ：

1. 易於解碼：包括在智能合約內（因其基於 4 字節的設計和較少的邊緣情況）。

2. 已在共識層廣泛使用。

3. 與現有 ABI 高度相似：工具適配相對簡單。

已有向 SSZ 全面遷移的努力，我們應在規劃未來升級時考慮並延續這些努力。

統一樹結構

若從 EVM 遷移到 RISC-V（或其他可選的最小虛擬機），十六進制 Merkle Patricia 樹將成爲證明區塊執行的最大瓶頸，即使在平均情況下也是如此。遷移到基於更優哈希函數的二叉樹將顯著提升證明器效率，同時降低輕客戶端等場景的數據成本。

遷移時，應確保共識層使用相同的樹結構。這將使以太坊的共識層與執行層可通過相同代碼訪問和解析。

從現在到未來

簡單性在許多方面類似於去中心化，二者均爲韌性目標的上遊。明確重視簡單性需要一定的文化轉變。其收益往往難以量化，而額外努力和放棄某些耀眼功能的成本卻立竿見影。然而，隨着時間推移，收益將愈發顯著 — — 比特幣本身就是絕佳例證。

我提議效仿 tinygrad，爲以太坊長期規範設定明確的最大代碼行數目標，使以太坊共識關鍵代碼接近比特幣的簡單性。處理以太坊歷史規則的代碼將繼續存在，但應置於共識關鍵路徑之外。同時，我們應秉持選擇更簡單方案的理念，優先選擇封裝復雜性而非系統性復雜性，並做出提供清晰屬性和保證的設計選擇。