以太坊扩容新时代:零知识证明技术助力实现每秒万笔交易

以太坊创世区块十周年之际,其扩容路线图正在探索新的方向和愿景。经过数年围绕 L2 扩容的探索,以太坊 L1 终于找到了一条在保持最大去中心化前提下实现极致扩容的可信路径。

从现在开始,以太坊计划每年将 Gas 上限和 TPS 提升数倍。验证者将不再重复执行每笔交易,而是只验证一份零知识证明,以证明这批交易的正确执行,从而使底层网络 TPS 提升至每秒上万笔。同时,L2 也将同步扩容,实现数十万甚至数百万 TPS。一种名为"原生 Rollup"的新型 L2 将像可编程分片一样运行,提供与 L1 相同的安全性。

某核心研究员在近期会议上表示:"我们正处于以太坊扩容的关键转折点,我坚信我们即将进入 L1 的 GigaGas 时代——大约 1 万 TPS,而开启这一时代的关键是 zkEVM 与实时证明。"该研究员的终极目标是在 10 年内让以太坊生态实现 1000 万 TPS,这意味着未来必然是一个"网络中的网络"架构:不同 L2 各自承担不同场景、权衡与优势,共同扩展整个生态满足全球需求。

以太坊 L1 扩容的困境

以太坊一直对去中心化有着近乎意识形态的执着。从最大主义者的角度看,某些区块链的中心化风险点较高,政府可能直接针对其节点进行交易审查。而以太坊甚至可以运行在树莓派上,这种低门槛设计让超过 15,000-16,000 个公开节点和上百万验证者参与网络,使其几乎不可能被审查交易,并对攻击具有极强韧性。

代价是速度极慢——当前 TPS 约为每秒 18-20 笔交易,而某些竞品链则可达每秒约 1500 笔。从某种程度上说,区块链架构天生低效,有点像一个需要全球同步计算的电子表格。

正因如此,以太坊在 2020 年不得不走上了 L2 分层扩容这条路线。

ZK 技术:破解区块链不可能三角

以太坊创始人曾提出"区块链不可能三角"概念,描述公链在安全性、可扩展性和去中心化三者间难以兼得的困境。几乎所有扩容方案都只能同时满足其中两项,必然牺牲掉第三项。

直到零知识证明(ZK-Proof)技术的出现。它能在不泄露交易细节的前提下,数学上证明一大批复杂交易已被正确执行。生成 ZK 证明的过程很复杂,但验证一份证明是否正确却既快又轻量。

以太坊未来的构想是:让验证者只需检查一份极小的 ZK 证明的数学结果即可,而无需逐笔重算所有交易。某研究人员甚至表示,未来验证 ZK 证明的计算量小到连低端树莓派都能胜任,根本不需要大型数据中心。

zkEVM:通往 1 万 TPS 的路线图

以太坊基金会最近发布的一则消息引发了社区热议:未来一年内,L1 主网可能集成零知识证明驱动的以太坊虚拟机(zkEVM)。

值得注意的是,很多 ZK 技术的实用化探索,其实是从 L2 网络开始的。例如某 100% 兼容 EVM 的 ZK Rollup 公链,任何能在以太坊上运行的应用,都能在其上无缝运行。该链甚至宣布将销毁 20% 的 ETH 交易手续费,以支持 L1 价值回流。

ZK 技术为区块链的不可能三角提供了答案:我们可以大幅提高 L1 的 Gas 上限,而计算量的扩展并不会让验证变得更复杂。随着 ZK 证明生成的延迟和成本不断下降,我们能够处理更高的吞吐量,同时保持验证的硬件要求极低。

不过,社区也不必过度乐观,即便未来一年内 zkEVM 成功集成到 L1,它也不会在第一天就直接实现 1 万 TPS。

循序渐进的升级路线

以太坊目前有五个主要的软件客户端可用于运行网络,这意味着即便某个客户端出现问题,网络也不会直接停摆。

在未来的升级路线中,以太坊计划先发布两到三个支持 ZK 验证的改造版客户端,使验证者可以选择通过检查零知识证明来完成验证,而不再重新执行每一笔交易。

最初,只有少数验证者会率先切换到新的验证模式,以便在早期排查和修复潜在问题。协议协调团队表示,"切换到 snark 化的 EVM 将是一个循序渐进的过程"。

用户主要会逐步感受到 L1 的 Gas 上限提高,也就是网络的经济活动能力增强。虽然 L1 向 ZK 验证的过渡需要时间,但 Gas 上限的扩容几乎已箭在弦上。

近期,L1 Gas 上限刚刚提高了 22%,达到 4500 万。有研究员提出了一个提案,建议客户端每年自动三次上调 Gas 上限,按照该计划,四年后以太坊主网就能实现约 2000 TPS。

某核心研究员甚至进一步提出,将这一节奏延长两年,到 2031 年可达到 1 gigagas 的吞吐量,实现约 1 万 TPS。