以太坊技术升级The Surge解析

今年10月以来，以太坊联合创始人发布了一系列关于以太坊协议未来可能性的文章，内容涵盖了以太坊发展路线图的六个部分。本文将解读该系列的第二部分The Surge，重点讨论以太坊的可扩展性和长期发展。从这个阶段的技术路线图，我们可以深入了解以太坊将如何转变为一个能够处理巨大需求（TPS达到100,000+），且同时保持去中心化和安全的协议。

以太坊的核心愿景

从本质上讲，以太坊旨在成为去中心化互联网的基础层。以太坆通过自动执行的智能合约代码支持复杂的去中心化应用程序，这种灵活性使其成为开发人员构建包括DeFi、NFT等去中心化应用程序的首选区块链。

然而，以太坊在可扩展性方面存在局限性。以太坊L1每秒只能处理大约15到30笔交易，与传统支付网络还有很大的差距。这导致网络拥堵期间的gas费高昂，并限制了以太坊成为全球规模基础设施的能力。这正是The Surge要重点解决的问题。

The Surge主要目标如下：

• 以太坊L1+L2 达到100,000+ TPS；
• 保持 L1 的去中心化和稳健性；
• 至少有一些L2 完全继承以太坊的核心属性（无需信任、开放、抗审查）；
• 最大化 L2 之间的互操作性：以太坊应该像一个生态系统，而不是几十条不同的区块链。

以 rollup 为中心的未来

The Surge是指以太坊计划大幅提高可扩展性，主要通过L2解决方案。而rollup是这一战略的关键组成部分。以 rollup 为中心的路线图提出了一个简单的分工：以太坊 L1 专注于成为一个强大且去中心化的基础层，而 L2 则承担帮助生态系统扩展的任务。

Rollup将交易在链下进行打包，然后将其提交回以太坊主网，在保持安全性和去中心化的同时显着提高吞吐量。rollup可以将以太坊的可扩展性提高到100,000 TPS以上。这将是变革性的扩展，因为它允许以太坊在不损害去中心化精神的前提下处理全球规模的应用程序。

以rollup为中心的路线图被视为长期的扩展解决方案。以太坊2.0通过The Merge从PoW过渡到PoS降低了能耗，而rollup作为长期的扩展解决方案则被视为下一个重要里程碑。

今年，以rollup为中心的路线图取得了重要成果：随着 EIP-4844 blobs 的推出，以太坪 L1 的数据带宽大幅增加，多个以太坊虚拟机（EVM）rollup 已进入第一阶段。每个 L2 都作为具有自身内部规则和逻辑的分片存在，分片实现方式的多样性和多元化如今已成为现实。

数据可用性采样 (DAS)进一步发展

The Surge的另一个关键方面是数据可用性采样 (DAS)，这是一种旨在解决数据可用性问题的技术。在像以太坊这样的去中心化网络中，所有节点都可以验证数据而无需存储或下载所有内容，这点至关重要。

DAS允许节点在不访问完整数据集的前提下验证数据，从而提高可扩展性和效率。

有两种形式的DAS：PeerDAS和2D DAS。PeerDAS有望增强rollup中的信任假设，使其更加安全。2D DAS不仅在blob内进行随机抽样，还在blob之间进行随机抽样。利用KZG承诺的线性属性，通过一组新的虚拟blob来扩展一个区块中的blob集，这些虚拟blob将相同的冗余信息进行编码。

借助DAS，以太坊可以处理更大量的数据，从而实现更快、更便宜的rollup，而不损害去中心化。

在未来更远的阶段，需要做更多的工作来确定2D DAS的理想版本，并证明其安全属性。

长期现实路径是：

1. 实施理想的 2D DAS；
2. 坚持使用 1D DAS，牺牲采样带宽效率，为了简单性和健全性而接受较低的数据上限；
3. 放弃 DA，完全接受 Plasma 作为主要 Layer2 架构。

值得注意的是，即使决定直接在 L1 层扩展执行，这种选择也是存在的。这是因为如果 L1 层要处理大量的 TPS，L1 区块将变得非常大，客户端将希望有一种高效的方法来验证其正确性，因此将不得不在 L1 层使用与rollup（如 ZK-EVM 和 DAS）相同的技术。

Plasma 和其他解决方案

除了Rollup，早期提出的链下扩展方案之一 Plasma也是另一种L2解决方案。

Plasma创建子链，这些子链独立于主以太坊链处理交易，定期向主网提交摘要。对于每个区块，运营商会向每个用户发送一个 Merkle 分支来证明该用户的资产的变化状态。用户可以通过提供 Merkle 分支来提取其资产。重要的是，这个分支不必以最新状态为根。

因此，即使数据可用性出现问题，用户仍然可以通过提取可用的最新状态来恢复其资产。如果用户提交了一个无效的分支（例如，提取已经发送给他人的资产，或者运营商自己凭空创造了一个资产），则可以通过链上的挑战机制来判断资产的合法归属。

虽然Plasma的开发在某种程度上落后于rollup，但其仍被视为以太坊更广泛的可扩展性工具包的一部分。

此外，还有关于改进数据压缩技术和加密证明的讨论，以进一步提高 rollup和其他L2解决方案的效率。思路是压缩尽可能多的数据，同时确保所有必要的信息仍然可供以太坊节点进行验证。这些技术改进很可能在以太坊实现更高吞吐量的过程中发挥关键作用。

早期的 Plasma 版本只能处理支付用例，无法有效地进一步推广。然而，如果要求每个根都用 SNARK 进行验证，那么 Plasma 就会变得强大得多。其过程可以大大简化，因为排除了运营商作弊的大部分可能路径。同时，也开辟了新的路径，即在运营商不作弊的情况下，用户可以立即提取资金，而无需等待一周的挑战期。

制作EVM plasma链的一种方法（并非唯一方法）是：使用ZK-SNARK构建一个平行UTXO树，反映EVM所做的余额更改，定义了在历史的不同时期"同一枚coin"的独特映射。然后可以在其基础上构建Plasma结构。

Plasma的性能相当好，这也是大家要设计技巧结构以攻克其安全不足的关键原因。

跨L2互操作性改进

当今 L2 生态系统面临的一个主要挑战是跨L2互操作性较弱，如何让使用 L2 生态系统的感觉就像是在使用一个统一的以太坊生态系统一样是急需改进的问题。

跨 L2 互操作性改进有很多类别。从理论上讲，以 Rollup 为中心的以太坊与执行分片 L1 是类似的。当前以太坊 L2 生态系统在实践中距离理想状态还有以下问题：

• 特定链的地址：地址中应包含链信息（L1、Optimism、Arbitrum......）。一旦实现这一点，就可以通过简单地将地址放入发送字段来实现跨 L2 发送流程，此时钱包可以在后台自行处理如何发送（包括使用跨链协议）。

• 特定链的支付请求：应能够轻松且标准化地创建形式为"在链 Z 上向我发送 X 个 Y 类型的代币"的消息。这主要有两个应用场景：人与人之间的支付或人与商户服务之间的支付；dApp 请求资金。

• 跨链兑换和 Gas 支付：应有一个标准化的开放协议来表达跨链操作。ERC-7683和RIP-7755 在该领域的尝试，尽管这两者的应用范围都比这些特定用例更广。

• 轻客户端：用户应能够实际验证他们正在交互的链，而不仅仅是信任 RPC 提供商。ERC-3668（CCIP-read）是实现这一目标的一种策略。

• 共享代币桥理念：假设在一个所有 L2 都是有效性证明 rollup ，且每个 slot 都向以太坊提交的世界中，要在原生状态下将一个 L2 的资产转移到另一个 L2，仍然需要提现和存款，这需要支付大量的 L1 Gas 费。

解决这一问题的一种方法是：创建一个共享的极简 Rollup，它的唯一功能就是维护每种类型的代币由哪个 L2 拥有以及各拥有多少余额，并允许这些余额通过任何 L2 发起的一系列跨 L2 发送操作进行批量更新。这将使得跨 L2 转账无需每次转账都支付 L1 燃气费，也无需使用如 ERC-7683 等基于流动性提供者的技术。

• 同步组合性：允许在特定 L2 与 L1 之间或多个 L2 之间发生同步调用。这有助于提高 DeFi 协议的财务效率。前者可以在没有任何跨 L2 协调的情况下实现；后者则需要共享排序。基于 rollup 的技术自动适用于所有这些技术。

上面的许多示例都面临着何时标准化以及标准化哪些层的标准困境。如果标准化过早，可能会使一个较差的解决方案根深蒂固。如果标准化过晚，则可能会造成不必要的碎片化。

目前的一个共识是：在某些情况下，既存在一种属性较弱但更容易实施的短期解决方案，也存在一种"最终正确"但需要数年时间才能实现的长期解决方案。这些任务不仅仅是技术问题，它们也是（甚至可能主要是）社会问题，需要 L2 和钱包以及 L1 合作。

继续扩展以太坊L1

扩展以太坊L1 本身，并确保它能够继续容纳越来越多的用例是非常有价值的。

L1 扩展有三种策略，可以单独或并行进行：

1. 改进技术（例如客户端代码、无状态客户端、历史到期）以使 L1 更易于验证，然后提高 Gas 限制；
2. 降低特定操作的成本，在不增加最坏情况风险的情况下增加平均容量；
3. 原生 Rollups（即，创建 EVM 的 N 个并行副本）。

这些不同的技术各有不同的权衡取舍。例如，原生rollups 在组合性方面存在与普通 rollups 相同的弱点：不能发送一个单一交易来跨多个rollup 同步执行操作。提高 Gas 上限会削弱通过简化 L1 验证可以实现的其他好处，比如增加运行验证节点的用户比例，以及增加 solo 质押者数量。根据实现方式的不同，使 EVM中的特定操作更便宜可能会增加 EVM 的整体复杂性。

去中心化和安全性

可扩展性和去中心化之间的平衡是反复提到的主题之一。许多区块链项目选择牺牲去中心化来换取更高的吞吐量。例如，某区块链每