以太坊模塊化的第一步：Proto-danksharding基本介紹及其工作原理

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大項目是以太坊改進提案(EIP)4844,也稱爲"原始數據庫"。該代碼更改旨在改善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,引入了一種新的交易類型,稱爲blobs,增加了以太坊區塊的數據和存儲要求,並創建了一個新的費用市場,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。通常,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被稱爲"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定價的獨立費用市場,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如何工作的細節,原數據庫的局限性,EIP-4844向完全數據庫的計劃演變,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,Arbitrum、Optimism、StarkNet、zkSync和Polygon zkEVM等以太坊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數據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,某交易平台和某平台,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費用市場,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費用市場進行拍賣,仿照EIP 1559的費用市場設計。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,在某平台上運行的排序器,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。

某平台確認的交易量大約是某平台的兩倍,並且像某平台一樣,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,但不限於某平台,某平台和某平台。在某平台上,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。

原散列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。稱爲完全拋棄,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。與原棄權一樣,完全棄權下的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加節點計算負荷的情況下增加發布到以太坊的Blobs數量和數據量。此外,開發者還打算在未來的升級中通過實施歷史到期等建議,進一步降低節點的計算負荷。用以太坊研究員Dankrad Feist的話說,隨着時間的推移,以太坊將變得像"公共告示牌而不是存檔系統",將保留交易歷史完整副本的責任推給經常使用這些數據的網路利益相關者,如Layer rollup和某些區塊鏈基礎設施公司等。雖然EIP 4844引入了Blobs,但這是一個早期的例子,說明所有的交易有一天可能會成爲以太坊上的存儲。

擦除編碼

擦除編碼技術加強了對數據的採樣能力。如果一個惡意的排序器扣留了少數塊數據,在1%