以太坊10万TPS升级之路

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原文作者:wheart.eth

原文来源:mirror

首先我想问大家一个问题:以太坊是不是一个“成熟的”产品?

其实只要比较熟悉以太坊,你就发现它并不成熟,虽然它有着最丰富的生态,庞大的市值,无与伦比的地位,但是同时它有非常多的缺陷:Gas 高昂、TPS 低下、扩展性不足等等问题严重限制着以太坊的发展。但是以太坊就这样“摆烂”了吗?这显然更不可能!

V神认为现在的以太坊仅仅完成了 40%,即使是在合并之后也就 55%,可见我们现在使用的以太坊只是“半成品”!并且V神在以太坊社区会议(ETHCC)上公开表示,以太坊在完成五次升级后,TPS 将达到 10 万!(TPS:每秒处理交易数,现在为15-20)

今天我们就聊聊以太坊后续升级的那些事,将其升级的五个阶段:The Merge、The Surge、The Verge、The Purge、The Splurge 完完整整的呈现的在大家眼前。

以太坊以太坊升级路线图中文版注意:The Merge、The Surge、The Verge、The Purge、The Splurge 并没有严格的先后顺序,它们是同时进行的,而 Merge 是最先完成的一步。
Merge、Surge、Verge、Purge、Splurge 的用词是主要是为了押韵,所以不能单单以字面意思理解。

概述

  • The Merge:共识机制由 POW 转 POS,减少能源消耗,为之后的分片和数据优化打下基础
  • The Surge:分片,提升 TPS,降低 Gas,提高可扩展性
  • The Verge:引入 Verkle 树,优化数据存储
  • The Purge:简化存储,降低验证者硬盘空间性能要求,减少网络拥堵
  • The Splurge:一系列小升级,以保证以上升级可以平稳运行

1. The Merge

9月15日,以太坊 Merge 升级完成,这标志着以太坊终于摆脱了“浪费资源”的帽子,走进了 POS 时代,V神表示以太坊转 POS 让全世界的用电量下降了 0.2%!这是一次非常重要的转折,圈内的朋友亲切地称之为“过年了”。虽然此次以太坊合并可以撑得上 Web3 盛会,但是据我观察,真正了解“合并”的人真的少之又少。

以太坊V神:以太坊合并完成

1.1 什么是 Merge?

Merge 即合并指的是以太坊主链和信标链的合二为一,而信标链是与以太坊主链平行工作互不影响、以 POS 为共识机制的一条区块链,它于2020年12月1日运行,合并之前的验证者超过37万,信标链不参加主网交易的验证,只负责管理分片链的验证者以及存储少部分认证。

简单说下信标链和分片链:这是以太坊2.0最重要的两个模块,信标链的职责是推动主链转POS的进程以及管理分片链的验证者,而分片链则着眼于提高网络的容量,进而加快交易速度、减少Gas消耗。关于分片的知识后面会具体说明。

以太坊合并前的网络结构

1.2 为什么要 Merge?

首先我们要纠正一个误解:Merge(合并)的目的不是提高交易速度或者降低交易费用,事实上它对这两点基本也并没有提升。但同时Merge的意义又是非凡的,它是以太坊升级之路上最重要的事件之一,为之后的四次升级奠定了基础

Merge 将信标链与主链合并,以太坊的共识全面转为 POS,引入“验证委员会”概念,这加强了网络共识并为高效的协议内数据可用性层铺平了道路。同时,由于 POS 不再需要挖矿,生成区块消耗的能源大大降低。

注解:与 POW 不同,POS 不需要专业的矿机挖矿来生成区块,每个人只要质押 32ETH 就可以成为验证者节点,拥有记账和投票的权力。POS 的整个共识过程可以简单分为“打包”和“投票”,首先系统随机挑选打包节点,负责生成新区块,其他节点对其生成的区块投票验证,获得多数投票后区块加入共识。但是当节点很多时,投票会浪费大量时间,所以为了提高效率网络中会选出一个“验证委员会”,由委员会的节点负责投票,为了保证公平,委员会成员是轮换选举制。在 POS 中,打包奖励与“币龄”相关,简单理解就是你质押的ETH越多,时间越长,奖励越多。为了激励诚实负责的节点,打击作恶节点,如果验证者突然离线或者故意验证不良交易,其质押的ETH会被削减。如果你没有32ETH但是也想参与,可以选择加入第三方质押池获得部分奖励。

以太坊

1.3 Merge 的意义

Merge 最重大的改变就是以太坊的共识全面转为 POS,而共识机制的转变主要有以下几个优势:

  • 能源消耗降低

从此以太坊无需价格高昂的挖矿设备,质押32ETH就可以成为验证者节点,能源消耗降低 99.95%,世界总用电量下降 0.2%。

  • 减少以太坊的发行,使以太坊成为通缩货币

区块奖励将由每天 1.46W 枚减少到 1600 枚,同时质押使得 ETH 的流通量进一步降低,研究公司 FSInsight 的报告认为发行量的下降意味着以太坊的市值可能在未来 12 个月内超过比特币;

  • 以太坊2.0战略的关键一步,为分片奠定基础。

在POW共识下,矿工可以随意停止工作并离开网络,POS的质押激励解决了这一问题(详见1.2注解部分),这为之后分片链协调验证者投票奠定了基础。

2. The Surge

Merge 升级对用户来说感知并不强,但是下一步的 Surge 却是可以真真切切的改变用户体验,大家心心念念的 TPS 终于要提升了,同时Gas费用也会大大降低。The Surge 预计在 2023 年开始,在以太坊的整个升级过程中,这绝对是最关键的一步,也是最复杂的一步。但是因为这部分涉及的知识点太多太复杂,在这里我尽量简单描述,感兴趣的朋友可以自行查阅相关设计。

2.1 什么是 Surge?

The Surge 主要利用分片提高网络的 TPS、降低 Gas,那什么是“分片”呢?可以简单从字面意思去理解,分片会将以太坊分成若干更小的链,整个网络的 TPS 将是所有小区块链 TPS 的总和(就像在高速路上增加更多车道可以容纳更多车辆),这将显着提高网络的可扩展性,以太坊预计将会创建 64 个分片。

看到这里我们就可以明白为什么合并转 POS 是分片的基础:因为分片分割了整条链上的资源,如果是采用 POW 共识,此时每条分片链上的算力将会是原来的 1/n,这样针对分片链的攻击将容易很多,安全性得不到保障!而 POS 不需要算力,每个分片链上的验证者都是由共识随机分配的,同时作恶节点将会被惩罚削减质押的 ETH,所以 POS 也就不会因为分片而出现安全性下降的问题。

以太坊分片示意图

分片最关键的技术是 Danksharding、EIP-4844、Optimistic Rollups 和 ZK Rollups,下面简单说一下 Danksharding 和 EIP-4844。

Danksharding 是 2020 年后提出的新分片提案,Danksharding 初始阶段的 Proto-Dansharding 加入了 EIP-4844 引出了一种新的数据类型——Blob。Bolb 数据处理的的成本比 Calldata 低得多,而且处于共识层的 Bolbdata 只会保存一个月,区块的存储压力将会大大降低。Danksharding 使用了“数据可用性采样”技术,该技术允许以太坊上的节点使用少量数据来验证大量数据。总的来说,Danksharding 进一步细分了数据类型,精细化了数据处理流程,降低了系统工作量,让以太坊变成了一个统一的交易结算和数据可用性层。

2.2 为什么要 Surge?

Merge 降低了整个网络的能源消耗,但是对性能却没有提升,以太坊如果一致维持在20以内的TPS,很多应用场景都会被限制,所以通过 Surge 扩容分片提升性能是必由之路。

完成 Surge 升级后,以太坊的 TPS 将会大大提升(但是还达不到10万),用户体验更加丝滑顺畅,以太坊的使用场景也会有所扩展。在这个阶段完成后,我们执行交易的速度会十分接近 Web2 中心化服务,这是质的飞跃!没人能预测以太坊在这之后能够出现什么样的现象级产品!

3. The Verge

Verge 最重要的改变是引入 Verkle 树,这是对 Merkle 证明的强大升级。它可以用更小的数据来验证交易,这将优化以太坊上的存储并帮助减小验证节点存储的数据量,同时也让太坊变得更具可扩展性。

简单说,The Verge 将会优化区块的数据结构,验证节点需要存储的数据量会大幅降低,这降低了对节点性能的要求,更多的节点可以成为验证者,提升了以太坊的去中心化程度。

以太坊Verkle 树

4. The Purge

The Purge 的作用与 The Verge 相似,都是优化数据存储但侧重点有所不同,Verge 优化了验证所需的数据量,Purge 则是清除已有的历史数据和坏账,这就可以减少验证者所需的硬盘空间,简化存储,从而减少网络拥塞,提高交易处理速度。V神表示,到这个阶段结束时,以太坊应该能够每秒处理 100,000 笔交易。

5. The Splurge

The Splurge 是一系列比较小的升级,主要用来确保网络在前 4 个阶段之后平稳运行,也就是修修补补,将遗留问题处理一下。当这个阶段完成,以太坊才真正迈入“完全体”阶段!这也将是史无前例的 Web3 盛会。

总结

在完成以上五个阶段后,以太坊才能真正成为世界计算机:更安全的交易、更高的TPS、更低的Gas、更多的用户和更丰富的使用场景。虽然根据合并的经验来看,整个阶段肯定不会特别顺利,但是希望那一天到来时,大家都还能聚在一起,像合并那天一样共同庆祝这属于 Web3 的伟大胜利!

责任编辑:MK

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