Proto-danksharding：概念及工作原理

隨着合並和上海升級的完成，以太坊已成功從工作量證明過渡到權益證明共識協議。以太坊發展路線圖的下一個重要項目是以太坊改進提案(EIP) 4844,也稱爲"原型數據分片"。該代碼變更旨在提升建立在以太坊之上的 rollup 的可擴展性。EIP 4844 以以太坊核心開發者"Protolambda"和 Dankrad Feist 的名字命名,引入了一種稱爲 blobs 的新交易類型,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 blobs 與常規交易分開定價。

Rollups 是依賴 Layer 區塊鏈(如以太坊)進行數據可用性(DA)(廣泛傳播和臨時存儲交易數據批次的功能)的協議。一般來說,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(驗證)。這些 rollup 專門從以太坊等 DA 層讀取數據,並執行有效的交易和智能合約代碼。建立在以太坊之上的 rollup 依靠以太坊區塊中包含的分批交易數據來實現交易的真實性。排序器是以成本效益的方式對用戶交易進行批處理和壓縮,以提交給 DA 層的行爲者。

通常情況下,向以太坊發布大量數據的成本很高,部分原因是網路將數據作爲交易歷史的一部分永久地存儲在一個稱爲"CALLDATA"的字段中。通過 EIP 4844,每個區塊將創建額外的 512kB 或 768kB 的數據空間用於 rollup。以太坊核心開發人員正在權衡究竟應該爲 blob 交易創建多少額外的空間。重要的是,發布到這個空間的數據將被存儲大約三周的時間。由於通過 blob 交易驗證的數據的短暫性,以及隔離於其他類型交易的 blob 定價的獨立收費市場,理論上,rollup 向以太坊發布數據的成本將大大降低。隨着時間的推移,開發人員打算引入數據採樣技術,這樣 blob 數據就不需要全部下載給以太坊全節點進行驗證,進一步降低 rollup 成本。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。

本報告深入探討了 EIP-4844 的工作原理細節、原型分片的局限性、EIP-4844 向完全分片的演進計劃,並包括關於代碼變更在 2023 年秋季按計劃實施時對最終用戶和去中心化應用(dapp)開發者的直接好處的一些考慮。考慮到原版 danksharding 的重點是支持 Layer rollup 生態系統和通過模塊化擴展以太坊,在下一次以太坊升級中實施的代碼變更將是模塊化區塊鏈理論在規模上應用於世界上最大的公共區塊鏈之一的重要測試場所。

背景

EIP-4844 被認爲是以太坊的可擴展性升級。然而,需要注意的是,該代碼的改變並沒有實質性地增加或引入對以太坊本身交易能力的改進。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 被認爲是對以太坊可擴展性的提升,因爲它使建立在以太坊之上的 Layer 網路更具成本效益,但該代碼變更並沒有提高以太坊作爲交易和智能合約代碼執行的通用區塊鏈的可擴展性。

在過去的四年裏,以太坊 rollup 的交易活動一直在增長。某數據平台估計,所有 Layer 網路上實現的每秒交易量(TPS)加起來是以太坊日平均 TPS 的 3.8 倍。

根據某研究機構通過某分析平台提供的數據,與直接向以太坊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 上發送交易的成本,趨勢是 0.03 美元至 0.05 美元左右。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 的目標是通過引入一種新的交易類型,即二進制大型對象,或稱 blob,來減少 rollup 成本。以下是 EIP-4844 所定義的 blob 交易的生命週期的逐步說明:

EIP-4844 並不影響提交給以太坊 mempool 的常規交易如何被納入區塊,也不影響決定以太坊區塊空間價格的收費市場,但 EIP-4844 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來處理常規交易。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(至少 256kB)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,即 blob 塊空間被填充不足的 50%,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),即 Beacon Chain 上,並在三周後從 CL 節點上丟棄。Proto-danksharding 將使每個區塊最多有四個 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。每個 blob 是一個單一的 rollup 排序器的機會,以確認單批交易到以太坊。以太坊上每天大約產生 7094 個區塊,在 EIP 4484 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。連續處理每個區塊的最大數量的 blob 的成本對於一個排序器來說是非常昂貴的)。

在過去的六個月裏,在某 rollup 上運行的排序器,按交易活動計算是第二大最受歡迎的以太坊 rollup,每天向以太坊提交大約 3126 個交易批次。

某 rollup 確認的交易量大約是該 rollup 的兩倍,並且像該 rollup 一樣,依靠排序器通過 CALLDATA 向以太坊發布數據來完成交易。在以太坊上流行的 rollup 的其他例子包括,但不限於某些 rollups。在某 rollup 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。保守的說,rollup 開發者估計,從 EIP 4844 的激活,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之前和之後的幾個月裏,滾動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。雖然防止鏈外二級市場的出現是一個優先事項,而不是引入更高水平的協議復雜性來防止這種可能性,目前,開發人員正在採取"等待和觀察的方法",通過 EIP 4844 引入 blob,並打算在未來對 EIP 4844 進行進一步優化。

原型分片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。稱爲完全分片,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 blobs 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,對所有數據都已從測序儀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。與原型分片一樣,完全分片下的 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。然後,用戶和利益相關者有一段時間可以查看這些交易,確認它們已經在以太坊這樣的 DA 層上最終完成,並在前一批交易的基礎上建立新的交易批次。

通過 DAS,以太坊開發者有信心在不增