Proto-danksharding：概念及工作原理

随着合并和上海升级的完成，以太坊已成功从工作量证明过渡到权益证明共识协议。以太坊发展路线图的下一个重要项目是以太坊改进提案(EIP) 4844,也称为"原型数据分片"。该代码变更旨在提升建立在以太坊之上的 rollup 的可扩展性。EIP 4844 以以太坊核心开发者"Protolambda"和 Dankrad Feist 的名字命名,引入了一种称为 blobs 的新交易类型,增加了以太坊区块的数据和存储要求,并创建了一个新的收费市场,将 blobs 与常规交易分开定价。

Rollups 是依赖 Layer 2 区块链(如以太坊)进行数据可用性(DA)(广泛传播和临时存储交易数据批次的功能)的协议。一般来说,基于智能合约的 rollup 不仅依赖以太坊的 DA,还依赖以太坊进行交易结算(验证)。这些 rollup 专门从以太坊等 DA 层读取数据,并执行有效的交易和智能合约代码。建立在以太坊之上的 rollup 依靠以太坊区块中包含的分批交易数据来实现交易的真实性。排序器是以成本效益的方式对用户交易进行批处理和压缩,以提交给 DA 层的行为者。

通常情况下,向以太坊发布大量数据的成本很高,部分原因是网络将数据作为交易历史的一部分永久地存储在一个称为"CALLDATA"的字段中。通过 EIP 4844,每个区块将创建额外的 512kB 或 768kB 的数据空间用于 rollup。以太坊核心开发人员正在权衡究竟应该为 blob 交易创建多少额外的空间。重要的是,发布到这个空间的数据将被存储大约三周的时间。由于通过 blob 交易验证的数据的短暂性,以及隔离于其他类型交易的 blob 定价的独立收费市场,理论上,rollup 向以太坊发布数据的成本将大大降低。随着时间的推移,开发人员打算引入数据采样技术,这样 blob 数据就不需要全部下载给以太坊全节点进行验证,进一步降低 rollup 成本。Proto-danksharding 是完全 danksharding 的前奏和"原型",它将使以太坊节点能够下载 blob 数据的片段,以确定完整 blob 的可用性。

本报告深入探讨了 EIP-4844 的工作原理细节、原型分片的局限性、EIP-4844 向完全分片的演进计划,并包括关于代码变更在 2023 年秋季按计划实施时对最终用户和去中心化应用(dapp)开发者的直接好处的一些考虑。考虑到原版 danksharding 的重点是支持 Layer 2 rollup 生态系统和通过模块化扩展以太坊,在下一次以太坊升级中实施的代码变更将是模块化区块链理论在规模上应用于世界上最大的公共区块链之一的重要测试场所。

背景

EIP-4844 被认为是以太坊的可扩展性升级。然而,需要注意的是,该代码的改变并没有实质性地增加或引入对以太坊本身交易能力的改进。Proto-danksharding 降低了向以太坊发布大量数据的成本,从而降低了 rollup 的运营成本。EIP-4844 被认为是对以太坊可扩展性的提升,因为它使建立在以太坊之上的 Layer 2 网络更具成本效益,但该代码变更并没有提高以太坊作为交易和智能合约代码执行的通用区块链的可扩展性。

在过去的四年里,以太坊 rollup 的交易活动一直在增长。某数据平台估计,所有 Layer 2 网络上实现的每秒交易量(TPS)加起来是以太坊日平均 TPS 的 3.8 倍。

根据某研究机构通过某分析平台提供的数据,与直接向以太坊部署代码和交易的成本相比,rollup 为终端用户和 dapp 开发者节省了 99% 以上的 gas 费用。

截至 2023 年 6 月 13 日,在两个最受欢迎的以太坊 rollup 上发送交易的成本,趋势是 0.03 美元至 0.05 美元左右。然而,在链上活动频繁和网络拥堵的情况下,这些成本有时会飙升到 1 美元以上。

EIP-4844 的目标是通过引入一种新的交易类型,即二进制大型对象,或称 blob,来减少 rollup 成本。以下是 EIP-4844 所定义的 blob 交易的生命周期的逐步说明:

EIP-4844 并不影响提交给以太坊 mempool 的常规交易如何被纳入区块,也不影响决定以太坊区块空间价格的收费市场,但 EIP-4844 确实增加了以太坊区块的存储要求。额外的数据空间是为了将 blob 交易附加到区块上。Blob 就像副车,可以附加到以太坊区块上,而不影响或挤占现有的区块空间来处理常规交易。Blob 区块空间将根据其自身的收费市场进行拍卖,仿照 EIP 1559 的收费市场设计。最初,blob 交易将几乎没有成本。此后,每确认一个区块,如果超过一半的 blob 区块空间(至少 256kB)被利用,blob 交易的成本将增加 12.5%。对于每一个 blob 块空间未被充分利用的区块,即 blob 块空间被填充不足的 50%,blob 的成本就会减少 12.5%。

Blob 交易不会无限期地存储在以太坊上,而是存储在以太坊的共识层(CL),即 Beacon Chain 上,并在三周后从 CL 节点上丢弃。Proto-danksharding 将使每个区块最多有四个 blob,每个 blob 能够包含最多 128kB 的额外数据。每块 512kB 的 blob 空间的最大限制可能会根据正在进行的 EIP-4844 的测试而改变。开发人员正在积极讨论将该限制从 4 个 blob 增加到 6 个的可能性。每个 blob 是一个单一的 rollup 排序器的机会,以确认单批交易到以太坊。以太坊上每天大约产生 7094 个区块,在 EIP 4484 之后,假设 4 个 blob/ 区块的限制,每天最多可处理 28376 个 blob。(这是一个理论上的最大值,由于 blob 费用的动态变化,在实践中可能永远不会达到。连续处理每个区块的最大数量的 blob 的成本对于一个排序器来说是非常昂贵的)。

在过去的六个月里,在某 rollup 上运行的排序器,按交易活动计算是第二大最受欢迎的以太坊 rollup,每天向以太坊提交大约 3126 个交易批次。

某 rollup 确认的交易量大约是该 rollup 的两倍,并且像该 rollup 一样,依靠排序器通过 CALLDATA 向以太坊发布数据来完成交易。在以太坊上流行的 rollup 的其他例子包括,但不限于某些 rollups。在某 rollup 上,超过 90% 的费用来自 Layer 1 CALLDATA 费用。

专门的数据存储空间的引入,不管一开始有多小,都是为了降低使用以太坊作为所有基于以太坊的 rollup 的 DA 层的成本。保守的说,rollup 开发者估计,从 EIP 4844 的激活,rollup 费用会减少 100% 到 900%。然而,这些估计可能会根据原数据库激活之前和之后的几个月里,滚动采用和活动的增加而改变。

blob 交易的成本,虽然在 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 数量增加,有可能迅速攀升。此外,虽然每个 blob 旨在为单个排序器提供发布多达 128kB 数据的机会,但 rollup 排序器有可能进行协调,使单个 blob 包含来自多个 rollup 的数据。以太坊开发者意识到,由于每个区块的数量有限,而且单个交易批次可能无法完全利用每个 blob 交易的全部 128kB 数据空间,因此可能会出现定价 blob 的二级市场。虽然防止链外二级市场的出现是一个优先事项,而不是引入更高水平的协议复杂性来防止这种可能性,目前,开发人员正在采取"等待和观察的方法",通过 EIP 4844 引入 blob,并打算在未来对 EIP 4844 进行进一步优化。

原型分片为引入更先进的技术奠定了基础,以便在不增加节点计算负载的情况下进一步降低 blob 成本。称为完全分片,对 blob 的完整设想是将每块 blob 的最大数量从 4 个增加到 64 个。

完全 Danksharding

四个 blobs 使以太坊区块大小增加 512kB。六个 blob 会使以太坊区块大小额外增加 768kB。如前所述,额外的区块空间严格用于 blob 交易,并不像普通区块空间那样永久存储数据。EIP 4844 的完整愿景是为以太坊引入最多 64 个 blob,并且在不大幅增加区块验证的节点计算负载的情况下做到这一点。为了实现完全的 danksharding,以太坊需要实现两种技术:数据可用性采样(DAS)和擦除编码。

数据可用性取样(DAS)

在验证 Layer 2 rollup 交易的背景下,DAS 的目标是确保由排序器捆绑的所有数据片断都已经发布到链上。完全节点是随机选择的,从 blob 中下载一块数据并生成数据可用性证明。完整节点对数据采样的次数越多,对所有数据都已从测序仪中提供而没有扣留重要数据的概率确定性就越大。对节点来说,采样数据的过程比下载整个 blob 数据的计算量要小,但在理论上会给出同样的数据可用性保证。与原型分片一样,完全分片下的 blob 数据抽样将确保来自排序器的交易已被验证并发布在链上,供任何用户或网络利益相关者评估。然后,用户和利益相关者有一段时间可以查看这些交易,确认它们已经在以太坊这样的 DA 层上最终完成,并在前一批交易的基础上建立新的交易批次。

通过 DAS,以太坊开发者有信心在不增