以太坊的路线图应该改变吗？

一个PoS的幽灵，在以太坊的上空回荡。——题记

自《Arollup-centricethereumroadmap》一文发表以来，整个社区都对以太坊的路线图产生了疑问。

2020年11月18日，在以太坊基金会的Eth2.0研究团队的第五次AMA活动中，Vitalik明白地表示，路线图已经发生了变化：暂时不再强调Phase2的重要性，Phase1致力于实现数据分片，供rollup方式使用；信标链将具备执行功能，即Eth1-Eth2合并之后，信标链区块将直接包含交易；Phase0实现后的三大工作：轻客户端支持、数据分片、合并，将并行推进，任一模块只要准备好了就推出。

本文的目的不是为原来的三阶段路线图辩护。相反，本文是想主张，三阶段路线图虚无缥缈，新路线图食之无味，没有一种与Eth2.0相关的路线图值得以太坊放弃当前的运作模式、转向以PoS为基础的系统。

在这里，我会先讲解初始的三阶段路线图的论证思路及其技术难点；然后分析新路线图的可扩展性。最后论证，新路线图的可扩展性优势，已经渺小到不足以使以太坊冒险转入PoS。

Eth2.0的三阶段路线图

在过去两年，广为流传的Eth2.0路线图规划了三个依次序实现的组件：

Phase0：以PoS为共识机制的信标链

Phase1：多条分片链

Phase2：为所有分片增加执行功能

从这一路线图可以清晰地看出，原来的以太坊2.0的目标是打造一个“分片化执行”的系统，意思是：每个分片都有自己的状态，这些状态按各分片的状态转换规则来变更；变更后的状态由信标链来敲定；由此，以太坊2.0就成了一个多个分片可以并行处理交易的系统。这也意味着，以太坊2.0是一个“共识”和“交易处理”解耦的系统，被分配到各分片上的验证者负责验证交易和状态的正确性；但这些状态的敲定则依赖于信标链的epoch敲定机制，两个过程并不是完全同步的。

以太坊网络当前已销毁257.54万枚ETH:金色财经报道，据Ultrasound数据显示，截止目前，以太坊网络总共销毁2,575,396.25枚ETH。其中，ETHtransfers销毁237799.62枚ETH，OpenSea销毁230049.74枚ETH，UniswapV2销毁135751.69枚。注：自以太坊伦敦升级引入EIP-1559后，以太坊网络会根据交易需求和区块大小动态调整每笔交易的BaseFee，而这部分的费用将直接燃烧销毁。[2022/8/9 12:11:14]

这种“PoS信标链多分片”的架构，似乎也非常好地利用了PoS算法本身的特点：为了解决No-thing-at-stake问题，以太坊2.0所用的Casper算法要求用户先存入一部分押金才能获得出块资格，而如果验证者滥用了出块资格，则会被罚没押金；由此，像Casper这样的算法实际上在区块链上创造了两种可以相互沟通、但相互独立变更的状态：一种是普通用户的状态，另一种是验证者的出块权重状态；共识过程以出块权重状态为基础，达成共识也会更改出块权重状态；因此，共识过程先天独立于用户交易的验证，可以解耦；对任意的交易批次及结果状态而言，共识过程可以被抽象成一种“终局性敲定机制”，逻辑上，多分片并行执行于是成为可能。

至于其可扩展性，以太坊分片技术的命名“二次方分片”透露了端倪：假设分片上的交易，其执行复杂性能够被化约到与区块头验证同样的难度，则分片化执行的架构，可以使整个系统的处理能力，随着参与节点处理能力的线性提高而呈平方级提高。通俗来说，如果参与网络的节点在一段时间内能验证4个区块头，这就意味着，在参与一个分片时，节点们可以在同等时间内验证4笔交易，此时系统总处理量是4条分片×4笔交易/分片=16笔交易；如果节点的处理能力变成了8，则处理量会变成64笔交易。

以太坊L2网络总锁仓量为49.3亿美元:金色财经报道，L2BEAT数据显示，截至5月14日，以太坊Layer2上总锁仓量为49.3亿美元。其中锁仓量最高的为扩容方案Arbitrum，约27.7亿美元，占比56.32%。其次是dYdX，锁仓量9.69亿美元，占比19.65%。Optimism占据第三，锁仓量4.73亿美元，占比9.60%。[2022/5/14 3:15:20]

听起来很美好，但是，这个“平方级扩展”的论证中包含了如下假设：

存在一种技术，使得分片交易的验证，可以简化到与验证区块头同样的难度；

不存在跨分片的交易，即各分片内的交易是完全不会相互依赖的。跨分片的交易需要占用多个分片的处理容量，也要占据信标链的处理容量，会使可扩展性大打折扣。

关于，这个假设是有可能得到满足的，无状态性就是这样的一种技术，它的思路是，在传播交易，附带交易所访问状态的证明，使得交易的验证者无需持有交易执行之时的状态数据，就能验证交易的有效性。这一点极为关键，如果没有无状态性，参与分片验证的验证者就必须保存分片的状态，因为验证者会被不断分配到不同的分片链上，那就意味着他们必须保存所有分片的状态，在实践中也就意味着他们要不断下载所有分片的区块并处理交易，从而使整个系统坍缩为一个大区块系统。遗憾的是，至今，以太坊1.0也没有研究出足够轻量的无状态方法。

关于，那就没有什么好说的了。如果不能实现跨分片交易，分片化执行的系统就没什么意义，因为各分片各自为政。必须使得ETH有办法存在于各个分片上，这个系统才能仍然以ETH为主体。而直到今天为止，还没有出现一种跨分片交易方案，能够不增加信标链的处理量。道理也很简单，对于任意A分片来说，因为并行处理，任意B分片上正在发生什么交易，需不需要改写本分片的状态，是不可知的，因此必须存在一个通信层，可信地证明B分片上发生了一笔试图改写A分片状态的交易。而一旦需要让信标链具备处理交易的功能，平方级扩展的效果就会被打破。

以色列区块链公司Kirobo为以太坊交易提供“撤销”功能:以色列区块链安全公司Kirobo此前推出的“可检索转账”服务现在可用于以太坊网络上。对于MetaMask的用户和任何使用WalletConnect协议的钱包，可检索的转账允许用户通过生成由发送方输入的密码来回收发送到错误地址的资金。资金接收方还必须输入匹配的密码，否则发送方就会收回资金，从而撤销交易。此外，该服务还旨在防止向不支持存款的智能合约发送资金，以及防止中间人攻击。（Coindesk）[2020/11/12 14:08:46]

除了存疑的可扩展性，分片化执行还带来了许多经济上的有趣问题。例如，如果跨分片交易的处理时间超过一笔分片内交易的处理时间，这就意味着，不同分片上的ETH价值也不会相同。就好像美国国内的1美元，与美国国外的1美元，实际上并不是同一种东西。不论有多少个分片，都至少会有两种ETH价格，一种，是那个金融应用最繁茂的分片上的ETH的价格；另一种是其它分片上的ETH的价格；后者必须支付一定的手续费并付出一定的时间，才能换成前者，因此对前者必定有一些折价。同理，即使每个分片上都有uniswap，不同分片上市场的交易滑点也必定不相同，最终大家都会汇集到一个分片上，因为大家都在一起的时候，流动性最充沛，资金效率最高。某种程度上，可以认为跨分片交易的需要是很少的——但这也意味着，其它分片上闲置的交易处理容量，也根本没有意义。

分片化执行系统的技术难点，此处不再赘述，感兴趣者可以自己想想分片化执行系统怎么支付手续费的问题。但我在这里想说的是，分片化执行系统的设计理念违背了大家的实际需要，也违背了事物的发展规律。全局状态，并不是一个问题，而正是大家需要的东西；正是因为以太坊使得所有金融应用都能瞬间组合，创造了一个价值可以零摩擦流通的空间，以太坊才有了变革世界的潜力；在协议层为价值流通创造摩擦，是自废武功。有了一个良好的基础层时候，应该想办法维护这个基础层，剩下的事情让用户自己选择，让生态自己演化——不要以为设计能设计出一个生态，过度设计只是给所有人强加成本。

监测数据：Circle向以太坊网络新增发5,515万枚USDC:DAppTotal.com稳定币专题页面数据显示：10月08日16时50分 ，USDC发行方Circle向以太坊网络新增发1笔价值5,515万美元的USDC， 块高度为：11013967，交易哈希值为：0x2b8d416844c1f60defe6117f97f8e95be9a5307207be13fd0042ac0f6f5be5c0 。截至目前，Circle在以太坊网络上的ERC20 USDC总发行量已达2,770,795,349枚。[2020/10/8]

分片化执行的搁置，侧面印证了其中的难度——在可预见的未来，这条道路无法产生令我们满意的成果。尽管如此，我并不认为Eth2.0的研究员们已经完全放弃了三阶段路线图，Vitalik也还强调，变更后的路线图，跟Phase2也是完全兼容的，只是Phase2不再具有优先级。

但是实际上，放弃分片化执行，才是以太坊应该选择的道路。

可执行信标链路线图

在以太坊2.0的新路线图中，最令人瞩目的一点是：信标链区块将包含合并后的Eth1分片的交易，也即信标链具备了执行功能。其它分片仅具有保存数据的功能。

实际上，新路线图中“数据分片”的定位是“供rollup使用的数据可得性层”。

没了执行化分片，平方级扩展就无从谈起了。那么，这种“PoSLayer-1rolluprollup数据不占据主链区块空间”架构的可扩展性如何呢？

要解答这个问题，我们先来看看rollup方案与主链的交互模式。

以太坊Casper方案遭计算机科学专家质疑:PoS导致权力倾斜引致系统脆弱性:分布式系统专家、虚拟软件公司VMware研究员Dahlia Malkhi在周五的Financial Cryptography 2018会议上对以太坊的Casper扩容协议进行了评论，他表示“我认为就本质而言，权益证明十分脆弱，通过授权一个权力机构来行使主宰权，这在我看来，赋予了富裕阶级更大的权力。”[2018/3/10]

首先，你可以把一个rollup系统理解为一个无状态的合约，这个合约的内部状态，对外是不可见的；但是，该合约内发生的所有交易，其数据会定期公开出来，发布到主链上，使得任一第三方，得到这些数据后，都可以重建出该合约的内部状态。

使用有效性证明的rollup的特点是：该合约每次公开交易数据时，都附带一个这些交易已被正确执行、因此新的状态根应是XXX的“计算完整性证明”；如果该证明能通过合约的验证，则该合约更新状态根；如果该证明不能通过验证，则该合约拒绝更新。

使用错误性证明的rollup的方案则相反：任一人每次为合约公开交易数据时，都必须存入一笔押金，并断言合约的新状态根是YYY；此后一段时间内，任意其他人都能存入押金、发出错误性证明来挑战该断言；错误性证明即证明该批交易有瑕疵，或者交易处理后的新状态根不是YYY；如果挑战成功，则发布错误断言的人会损失押金；如果一段时间内无人挑战，则合约更新状态根为YYY。

这两种方案，都必须在链上发布数据，因此会占用链上空间；而且，链上空间的大小，决定了rollup系统在单位时间内的处理量。想得更深一些，如果这些交易数据，能够发布在一个数据量的约束更小的地方，或者说，不去占用Layer-1区块的空间，则其处理量，能产生倍加的效果。如果这样的地方有很多，那还可以产生倍乘的效果。

这就是“数据分片”及“以rollup为中心的路线图”的理念：让rollup方案把交易数据都放到分片区块中，分片有多少个，处理量就能提升多少倍；当前的以太坊区块数据量大概是20～30KB，这个数据量显然是安全的，则，如果我们有64条分片，我们每15秒就能提供64*30=1920KB=1.9MB的数据量。而且，使用端我提供了这么大的数据吞吐量，但它不会成为全节点的负担，因为这些数据你想下载就下载，不想下载就可以不下载，大家你下载一点，我下载一点，节点的负担还是很轻的——反正，验证这些rollup合约的状态，并不要求我拥有该rollup的所有历史交易数据。以太坊的状态仍然是安全的。

听起来很合理，但还是那句话，太乐观了，太多假设了：

这种“想下载就下载，不想下载就不下载”的方法，在zkrollup上根本行不通：当zkrollup要更新状态根时，zkrollup合约更新操作的验证者在接受证明时也必须获得与该证明对应的交易数据，否则就无法通过验证。。也就是说，如果仅考虑zkrollup，那么“数据分片”的方法，从带宽上来说，与大区块没有任何分别。不管这些数据一开始被发到了谁手上、存到了哪里，全节点都要下载它们。

对optimisticrollup来说，如果你愿意采取更乐观一点的假设，当然可以，你可以平时完全不下载交易数据，仅保留获得终局性的最新状态根，仅在发生争议时，再下载相关的交易数据，从全节点的角度看，并没有因此丧失对合约状态的验证能力；但是从用户的角度看，事情就完全不同了：你开始不确定自己到底是不是随时能够重构自己的状态，来完成取款。也就是说，用户将不能确定自己用的到底是optimisticrollup，还是plasma。本来，optimisticrollup的方案就是保证了所有全节点都有历史交易的备份，所以用户可以容易地重建自己的状态，并提交状态证明完成取款；但如果这一点保证失去了，你就不确定自己能不能重建状态了。optimisticrollup的安全性也会受到影响：它的安全假设是，获得了交易数据的人之中至少有1个是遵守协议的；在数据分片模式下，你并不知道，有多少人会去请求这部分交易数据。

总而言之，“数据分片”模式搭配zkrollup时，在带宽的意义上，无法提供更大的可扩展性，而与扩大区块空间的效果相同；在搭配optimisticrollup时，相对于大区块，其可扩展性优势与挑战发生的频率成反比；更严重的是，它使optimisticrollup有退化为plasma的风险。

结论

Rollup方案其实是从Layer-2发展过程中吸取了血淋淋的教训而飞出来的凤凰。它最大的特点在于，给用户的资金安全提供了充分的保护。因为任意得到了交易数据的人都可以重建状态，而区块链保证了这些交易数据的永续数据可得性，rollup方案得以提供layer-2方案中首屈一指的用户保护。只有这样的方案，用户才敢真的去使用。舍弃了这种好处，按最大化性能的乐观假设来设计系统，只能设计出用户不敢去用的东西。

只要你意识到，rollup本质上是一种合约的设计模式，“PoS数据分片rollup可以提供更大吞吐量”的迷思便可一眼洞穿——rollup不管在哪个共识中，都可以提供同样的可扩展性，数据分片能提供更多，只是因为引入了别的安全假设，使rollup牺牲安全性来换取吞吐量而已——问题在于，这样的合约，比rollup的安全性更弱、可扩展性更强的合约，不是没出现过，不是在pow链上就设计不出来，而是设计出来了也没人用而已。

自2017年以来，以太坊社区就为着实际的需要艰难地探索安全的可扩展性方案。许多人可能都相信过，“PoS分片”能提供强大的可扩展性，但那是“分片化执行系统”，有自身的一堆问题。眼前的“可执行信标链路线”，也不过是牺牲合约本身的属性来换吞吐量而已。时至今日，已经找不到证据，证明为了可扩展性，以太坊应该拥抱PoS。

归根结底，只有契合用户需要的性能提升，才是真正有意义的性能提升。如果不从用户的实际需要出发，相反，从技术美感或者最大化性能的假设出发，只能设计出空中楼阁。如果可以，那就让用户自己来做决定，在协议层操心太多，往往徒增摩擦。

以太坊的路线图应该改变吗？当然，应该放弃这些不切实际的幻想，回头问问用户需要什么。

作者:?阿剑

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