快速交易确认:改善以太坊用户体验的新方向

区块链用户体验的一个重要方面是交易确认速度。近年来,以太坊在这方面取得了长足进步。得益于EIP-1559和转向PoS后稳定的出块时间,用户在L1上发送的交易通常可在5-20秒内确认,大致相当于信用卡支付体验。然而,进一步缩短确认时间仍有价值,某些应用甚至要求亚秒级延迟。本文将探讨提升以太坊交易确认速度的几种可行方案。

现有技术概述

单槽最终性

目前,以太坊的Gasper共识采用槽(Slot)和纪元(Epoch)的架构。每12秒一个槽,部分验证者对链头投票,32个槽(6.4分钟)内所有验证者轮流投票一次。这些投票被解释为类PBFT共识算法中的消息,两个纪元(12.8分钟)后提供强经济保证的最终性。

近年来,这种方法逐渐显露缺陷:一是复杂度高,槽级和纪元级机制交互容易出错;二是12.8分钟的等待时间过长。单槽最终性(Single Slot Finality, SSF)通过类Tendermint机制取代了这种架构,区块N在N+1生成前即可最终确认。SSF保留了"非活跃泄漏"机制,允许超过1/3验证者离线时链仍可继续运行和恢复。

SSF的主要挑战在于每个质押者每12秒需发布两条消息,给链带来巨大负载。虽然有一些缓解方案,如最近的Orbit SSF提案,但用户仍需等待5-20秒才能确认交易。

Rollup预确认

近年来,以太坊一直遵循以rollup为中心的路线图,将L1设计为支持数据可用性等基础功能,供L2协议(如rollups、validiums和plasmas)使用,在更大规模上为用户提供同等安全性。

这导致了以太坊生态系统内的分工:L1专注于抗审查、可靠性和核心功能改进,L2则更直接地服务用户需求。然而,L2希望为用户提供比5-20秒更快的确认。

理论上,创建去中心化排序器网络是L2的责任。一小群验证者可能每几百毫秒就为区块签名一次,并质押资产作为保证。这些L2区块的头文件最终会发布到L1。

但L2验证者集可能作恶:先签署区块B1,然后签署冲突的B2并提前提交。一旦被发现,他们将失去质押资产。目前已有中心化版本的实例,但rollup在开发去中心化排序网络方面进展缓慢。要求所有L2都实现去中心化排序似乎不太公平,这几乎等同于创建全新的L1。因此,有人提出让所有L2(及L1)共用一个以太坊范围内的预确认机制:基础预确认。

基础预确认

基础预确认假设以太坊提议者是高度复杂的MEV相关参与者,通过激励他们承担预确认服务责任来利用这种复杂性。

其基本思路是创建标准化协议,用户可支付额外费用,立即获得交易将被纳入下一区块的保证,以及对交易结果的声明。如提议者违约,将被罚没。

这种机制既可用于L1交易,也可用于"基于"的rollups的L2区块。

未来展望

假设我们实现了单槽最终性,使用类Orbit技术减少每槽签名验证者数量,同时推进降低32 ETH质押门槽的目标。槽时长可能增加到16秒,然后使用rollup预确认或基础预确认为用户提供更快确认。最终我们得到一个新的纪元-槽架构。

这种架构难以避免的深层原因在于:就某事达成大致一致所需时间,远少于达成最大程度"经济最终性"所需时间。

主要原因包括节点数量和节点"质量"。"近似共识"只需少量节点,而经济最终性需要大多数节点参与。专业化节点子集可将近似协议时间降至约2秒。

因此,纪元-槽架构似乎是正确方向,但不同实现间存在差异。值得探索的是在两种机制间建立更强的关注点分离,而非像Gasper那样紧密耦合。

L2的选择

目前L2有三种合理策略:

1. 技术和理念上都"基于"以太坊,优化其基础层属性和价值观。可视为"品牌分片",也可在新VM设计等方面大胆创新。

2. 成为"带区块链脚手架的服务器",充分利用中心化优势,同时通过有效性证明、退出机制等确保安全性。

3. 折衷方案:拥有约百个节点的快速链,以太坊提供额外互操作性和安全性。这是许多L2项目当前路线。

对某些应用(如ENS、密钥存储、部分支付协议)来说,12秒出块时间已足够。其他情况则需要纪元-槽架构,其中"纪元"是以太坊的SSF,而"槽"则因应用而异。

关键问题是以太坊原生的纪元-槽架构能做到何种程度。如果槽时间能降至1秒,第三种方案的空间将大大缩小。

目前我们距离这些问题的最终答案尚远。区块提议者复杂度的演变仍存在较大不确定性。像Orbit SSF这样的新颖设计为探索提供了广阔空间。选项越多,我们就能为L1和L2用户提供更好的体验,也能简化L2开发人员的工作。