以太坊模塊化的第一步:Proto-danksharding基本介紹及其工作原理

以太坊已經成功完成了從工作量證明到權益證明共識協議的過渡。下一個重要項目是EIP-4844,又稱"原始數據可用性"。這個代碼變更旨在提高建立在以太坊之上的rollup的可擴展性。

EIP-4844引入了一種新的交易類型,稱爲blob。它增加了以太坊區塊的數據和存儲要求,並創建了一個新的收費市場,將blob與常規交易分開定價。

Rollup是依賴於Layer區塊鏈(如以太坊)進行數據可用性(DA)的協議。通常,基於智能合約的rollup不僅依賴以太坊的DA,還依賴以太坊進行交易結算。這些rollup從以太坊等DA層讀取數據,並執行有效的交易和智能合約代碼。

向以太坊發布大量數據的成本通常很高,部分原因是網路將數據作爲交易歷史的一部分永久存儲。通過EIP-4844,每個區塊將創建512kB或768kB的額外數據空間用於rollup。這些數據將被存儲約三周時間。理論上,rollup向以太坊發布數據的成本將大大降低。

Proto-danksharding是完全danksharding的前奏和"原型",它將使以太坊節點能夠下載blob數據的片段,以確定完整blob的可用性。

本文深入探討了EIP-4844的工作原理細節,原始danksharding的局限性,EIP-4844向完全danksharding的演進計劃,以及對最終用戶和dapp開發者的直接好處。

背景

EIP-4844被視爲以太坊的可擴展性升級。然而,需要注意的是,這項代碼變更並沒有實質性地增加或改進以太坊本身的交易能力。Proto-danksharding降低了向以太坊發布大量數據的成本,從而降低了rollup的運營成本。EIP-4844被認爲提升了以太坊的可擴展性,因爲它使建立在以太坊之上的Layer網路更具成本效益,但該代碼變更並未提高以太坊作爲通用區塊鏈的可擴展性。

近年來,Arbitrum、Optimism、StarkNet、zkSync和Polygon zkEVM等以太坊rollup的交易活動一直在增長。L2Beat.com估計,所有Layer網路實現的總交易吞吐量是以太坊日均TPS的3.8倍。

根據Blockworks Research通過Dune Analytics提供的數據,與直接在以太坊上部署代碼和交易的成本相比,rollup爲終端用戶和dapp開發者節省了99%以上的gas費用。

截至2023年6月13日,在兩個最受歡迎的以太坊rollup Optimism和Arbitrum上發送交易的成本約爲0.03美元至0.05美元。然而,在鏈上活動頻繁和網路擁堵的情況下,這些成本有時會飆升到1美元以上。

EIP-4844的目標是通過引入blob交易來進一步降低rollup成本。以下是EIP-4844所定義的blob交易生命週期的逐步說明:

1. 用戶向rollup提交交易
2. Rollup排序器將交易打包成批次
3. 排序器創建blob交易,將打包的交易數據編碼爲blob
4. Blob交易被提交到以太坊mempool
5. 驗證者將blob交易納入區塊
6. 區塊被廣播到網路並最終確認
7. Blob數據在信標鏈中存儲約3周
8. 3周後blob數據被刪除
9. Rollup仍可訪問交易數據的加密承諾

EIP-4844不會影響常規交易如何被納入區塊,也不會影響決定以太坊區塊空間價格的收費市場,但它確實增加了以太坊區塊的存儲要求。額外的數據空間是爲了將blob交易附加到區塊上。Blob就像副車,可以附加到以太坊區塊上,而不影響或擠佔現有的區塊空間。

Blob區塊空間將根據其自身的收費市場進行拍賣,仿照EIP-1559的收費市場設計。最初,blob交易將幾乎沒有成本。此後,每確認一個區塊,如果超過一半的blob區塊空間被利用,blob交易的成本將增加12.5%。對於每一個blob塊空間未被充分利用的區塊,blob的成本就會減少12.5%。

Blob交易不會無限期地存儲在以太坊上,而是存儲在以太坊的共識層(CL)上,並在三周後從CL節點上丟棄。Proto-danksharding將使每個區塊最多有4個blob,每個blob能夠包含最多128kB的額外數據。每塊512kB的blob空間的最大限制可能會根據正在進行的EIP-4844的測試而改變。開發人員正在積極討論將該限制從4個blob增加到6個的可能性。

以太坊上每天大約產生7094個區塊,在EIP-4844之後,假設4個blob/區塊的限制,每天最多可處理28376個blob。(這是一個理論上的最大值,由於blob費用的動態變化,在實踐中可能永遠不會達到。)

在過去的六個月裏,Optimism上運行的排序器每天向以太坊提交大約3126個交易批次。Arbitrum確認的交易量大約是Optimism的兩倍。在Optimism上,超過90%的費用來自Layer 1 CALLDATA費用。

專門的數據存儲空間的引入,不管一開始有多小,都是爲了降低使用以太坊作爲所有基於以太坊的rollup的DA層的成本。保守估計,rollup開發者預計EIP-4844激活後,rollup費用會減少100%到900%。然而,這些估計可能會根據原數據庫激活前後幾個月裏rollup採用和活動的增加而改變。

blob交易的成本,雖然在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數量增加,有可能迅速攀升。此外,雖然每個blob旨在爲單個排序器提供發布多達128kB數據的機會,但rollup排序器有可能進行協調,使單個blob包含來自多個rollup的數據。以太坊開發者意識到,由於每個區塊的數量有限,而且單個交易批次可能無法完全利用每個blob交易的全部128kB數據空間,因此可能會出現定價blob的二級市場。

Proto-danksharding爲引入更先進的技術奠定了基礎,以便在不增加節點計算負載的情況下進一步降低blob成本。稱爲完全danksharding,對blob的完整設想是將每塊blob的最大數量從4個增加到64個。

完全danksharding

四個blob使以太坊區塊大小增加512kB。六個blob會使以太坊區塊大小額外增加768kB。如前所述,額外的區塊空間嚴格用於blob交易,並不像普通區塊空間那樣永久存儲數據。EIP-4844的完整願景是爲以太坊引入最多64個blob,並且在不大幅增加區塊驗證的節點計算負載的情況下做到這一點。爲了實現完全的danksharding,以太坊需要實現兩種技術:數據可用性採樣(DAS)和擦除編碼。

數據可用性取樣(DAS)

在驗證Layer rollup交易的背景下,DAS的目標是確保由排序器捆綁的所有數據片斷都已經發布到鏈上。完全節點是隨機選擇的,從blob中下載一塊數據並生成數據可用性證明。完整節點對數據採樣的次數越多,對所有數據都已從排序器中提供而沒有扣留重要數據的概率確定性就越大。對節點來說,採樣數據的過程比下載整個blob數據的計算量要小,但在理論上會給出同樣的數據可用性保證。與proto-danksharding一樣,完全danksharding下的blob數據抽樣將確保來自排序器的交易已被驗證並發布在鏈上,供任何用戶或網路利益相關者評估。

通過DAS,以太坊開發者有信心在不增加節點計算負荷的情況下增加發布到以太坊的blob數量和數據量。此外,開發者還打算在未來的升級中通過實施歷史到期等建議,進一步降低節點的計算負荷。用以太坊研究員Dankrad Feist的話說,隨着時間的推移,以太坊將變得像"公共告示牌而不是存檔系統",將保留交易歷史完整副本的責任推給經常使用這些數據的網路利益相關者,如Layer rollup和Infura、Alchemy和Blockdaemon等區塊鏈基礎設施公司。雖然EIP-4844引入了blob,但這是一個早期的例子,說明所有的交易有一天可能會成爲以太坊上的blob存儲。

擦除編碼

擦除編碼技術加強了對數據的採樣能力。如果一個惡意的排序器扣留了少數塊數據,在1%到49%的blob數據之間的任何地方,交易抽樣可能會概率性地導致某些樣本證明一開始就被返回爲正確,而不是錯誤。擦除編碼確保如果至少一半的blob被驗證,其餘的blob可以被重建。這種技術只有在數據被表示爲多項式,即兩個以上的代數項的表達式時才有效。最常見的擦除編碼形式依賴於Reed-Solomon(RS)碼,這是一個高級數學公式,可以根據足夠的已知數據片斷解決缺失的數據。直觀地說,僅靠抽樣可能無法有效地保證大量數據的可用性,特別是在假設一個惡意的排序者從一個blob中扣留了一個單一的數據。擦除編碼爲blob引入了數據冗餘,這樣一來,惡意排序者必然需要扣留blob數據的明顯大份額才能扣留任何數量的數據。

DAS與擦除編碼的耦合是完全danksharding技術的基礎。這些技術也是某些DA層背後的技術,如Polygon Avail和Celestia。在許多方面,支持模塊化區塊鏈計算的願景,正在通過其他區塊鏈項目進行小規模測試,將在以太坊上進行規模測試,部分是通過proto-danksharding,並通過完全danksharding進行認真測試。

KZG承諾

在DAS和擦除編碼可以在以太坊上實現之前,完全danksharding需要實現KZG承諾方案。Kate Zaverucha Goldberg(KZG)承諾是一種零知識(ZK)證明系統,可以在不透露整個多項式的情況下對多項式進行評估。大型數據對象,如blob,如果首先被表示爲多項式,就可以被計算機以高效的方式操作和證明。EIP-4844重要的是引入了KZG承諾作爲blob的驗證和證明生成過程的一部分。對於依賴ZK證明的Layer rollup,KZG承諾可以表示對交易的計算和rollup協議的狀態。在EIP-4844的背景下,KZG承諾可以檢查blob的屬性,而不需要讀取blob事務的全部內容。

KZG儀式

用於驗證blob的KZG承諾方案依賴於通過可信設置一次性生成的祕密值。一些加密協議,如Zcash、Tornado Cash和FIL,都是依靠可信設置來安全地生成一個祕密值,用於反復的鏈上計算。EIP-4844的可信設置儀式於2023年1月拉開帷幕。它已經收到了來自以太坊社區的接近10萬個貢獻。作爲背景,可信設置儀式是一個一次性的程序,從超過一方的貢獻中生成一塊數據用於加密協議。在可信設置儀式中結合來自多個貢獻的熵的目標是生成一個幾乎不可能重新生成或猜測的祕密值。至關重要的是,從可信設置儀式中產生的最