以太坊擴容新時代:零知識證明技術助力實現每秒萬筆交易

以太坊創世區塊十周年之際,其擴容路線圖正在探索新的方向和願景。經過數年圍繞 L2 擴容的探索,以太坊 L1 終於找到了一條在保持最大去中心化前提下實現極致擴容的可信路徑。

從現在開始,以太坊計劃每年將 Gas 上限和 TPS 提升數倍。驗證者將不再重復執行每筆交易,而是只驗證一份零知識證明,以證明這批交易的正確執行,從而使底層網路 TPS 提升至每秒上萬筆。同時,L2 也將同步擴容,實現數十萬甚至數百萬 TPS。一種名爲"原生 Rollup"的新型 L2 將像可編程分片一樣運行,提供與 L1 相同的安全性。

某核心研究員在近期會議上表示:"我們正處於以太坊擴容的關鍵轉折點,我堅信我們即將進入 L1 的 GigaGas 時代——大約 1 萬 TPS,而開啓這一時代的關鍵是 zkEVM 與實時證明。"該研究員的終極目標是在 10 年內讓以太坊生態實現 1000 萬 TPS,這意味着未來必然是一個"網路中的網路"架構:不同 L2 各自承擔不同場景、權衡與優勢,共同擴展整個生態滿足全球需求。

以太坊 L1 擴容的困境

以太坊一直對去中心化有着近乎意識形態的執着。從最大主義者的角度看,某些區塊鏈的中心化風險點較高,政府可能直接針對其節點進行交易審查。而以太坊甚至可以運行在樹莓派上,這種低門檻設計讓超過 15,000-16,000 個公開節點和上百萬驗證者參與網路,使其幾乎不可能被審查交易,並對攻擊具有極強韌性。

代價是速度極慢——當前 TPS 約爲每秒 18-20 筆交易,而某些競品鏈則可達每秒約 1500 筆。從某種程度上說,區塊鏈架構天生低效,有點像一個需要全球同步計算的電子表格。

正因如此,以太坊在 2020 年不得不走上了 L2 分層擴容這條路線。

ZK 技術:破解區塊鏈不可能三角

以太坊創始人曾提出"區塊鏈不可能三角"概念,描述公鏈在安全性、可擴展性和去中心化三者間難以兼得的困境。幾乎所有擴容方案都只能同時滿足其中兩項,必然犧牲掉第三項。

直到零知識證明(ZK-Proof)技術的出現。它能在不泄露交易細節的前提下,數學上證明一大批復雜交易已被正確執行。生成 ZK 證明的過程很復雜,但驗證一份證明是否正確卻既快又輕量。

以太坊未來的構想是:讓驗證者只需檢查一份極小的 ZK 證明的數學結果即可,而無需逐筆重算所有交易。某研究人員甚至表示,未來驗證 ZK 證明的計算量小到連低端樹莓派都能勝任,根本不需要大型數據中心。

zkEVM:通往 1 萬 TPS 的路線圖

以太坊基金會最近發布的一則消息引發了社區熱議:未來一年內,L1 主網可能集成零知識證明驅動的以太坊虛擬機(zkEVM)。

值得注意的是,很多 ZK 技術的實用化探索,其實是從 L2 網路開始的。例如某 100% 兼容 EVM 的 ZK Rollup 公鏈,任何能在以太坊上運行的應用,都能在其上無縫運行。該鏈甚至宣布將銷毀 20% 的 ETH 交易手續費,以支持 L1 價值回流。

ZK 技術爲區塊鏈的不可能三角提供了答案:我們可以大幅提高 L1 的 Gas 上限,而計算量的擴展並不會讓驗證變得更復雜。隨着 ZK 證明生成的延遲和成本不斷下降,我們能夠處理更高的吞吐量,同時保持驗證的硬件要求極低。

不過,社區也不必過度樂觀,即便未來一年內 zkEVM 成功集成到 L1,它也不會在第一天就直接實現 1 萬 TPS。

循序漸進的升級路線

以太坊目前有五個主要的軟件客戶端可用於運行網路,這意味着即便某個客戶端出現問題,網路也不會直接停擺。

在未來的升級路線中,以太坊計劃先發布兩到三個支持 ZK 驗證的改造版客戶端,使驗證者可以選擇通過檢查零知識證明來完成驗證,而不再重新執行每一筆交易。

最初,只有少數驗證者會率先切換到新的驗證模式,以便在早期排查和修復潛在問題。協議協調團隊表示,"切換到 snark 化的 EVM 將是一個循序漸進的過程"。

用戶主要會逐步感受到 L1 的 Gas 上限提高,也就是網路的經濟活動能力增強。雖然 L1 向 ZK 驗證的過渡需要時間,但 Gas 上限的擴容幾乎已箭在弦上。

近期,L1 Gas 上限剛剛提高了 22%,達到 4500 萬。有研究員提出了一個提案,建議客戶端每年自動三次上調 Gas 上限,按照該計劃,四年後以太坊主網就能實現約 2000 TPS。

某核心研究員甚至進一步提出,將這一節奏延長兩年,到 2031 年可達到 1 gigagas 的吞吐量,實現約 1 萬 TPS。