以太坊邁向萬級TPS:零知識證明技術助力擴容新時代

以太坊正走向每秒處理1萬筆交易(TPS)的擴容新階段,零知識證明(ZK)技術成爲這一進程的關鍵推動力。在經歷多年圍繞L2擴容的探索後,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行路徑。

未來幾年,以太坊的Gas上限和TPS有望每年提升數倍。驗證者將不再需要重復執行每筆交易,而只需驗證一份零知識證明,以確認一批交易的正確執行。這將使底層網路的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將如同可編程分片一般運行,提供與L1相同的安全性。

盡管這些提案尚未正式獲得以太坊治理流程批準,但它們建立在Vitalik Buterin自2017年就開始探索的思路之上,並得到了以太坊基金會核心研究員的支持。

在今年7月的EthCC大會上,某研究員表示:"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 - 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10年內讓以太坊生態能夠實現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

盡管其他區塊鏈早已開始嘗試使用更強大的硬件和計算能力來擴大吞吐量,但以太坊一直對去中心化有着近乎意識形態的執着。從某些支持者的角度看,像某些"數據中心鏈"擁有數百萬美元的中心化風險點,政府可以直接針對這些節點進行交易審查。即使是一些硬件規格要求較低的鏈,其成本和帶寬要求也令人望而卻步,從而影響去中心化程度。

相比之下,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個驗證者參與網路,因此幾乎不可能審查以太坊上的交易,並且使整個網路對攻擊具有極強的韌性。

當然,代價是速度極慢 - 當前TPS約爲每秒處理18-20筆交易,而某些競品的TPS則可達每秒約1500筆交易。

從某種程度上說,區塊鏈架構天生低效,有點像一個在線表格,每當你修改一個單元格之前,全世界所有擁有副本的電腦都要先把整個表格重新算一遍,確認無誤後才能更新。

某ZK技術公司的聯合創始人解釋說:"以太坊的設計是希望任何人都能跟上網路,並重新執行所有交易",這也意味着交易量不能隨便無限放大,因爲每筆交易都需要有人重新計算。

正因爲在保持去中心化的前提下,主網擴容空間有限,以太坊在2020年不得不走上了L2分層擴容這條備受爭議的路線。

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,用來形容公鏈在安全性、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。

直到現在,零知識證明(ZK-Proof)這一被形容爲"登月級數學"的技術,能夠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證明的過程非常復雜,但驗證一份證明是否正確,卻既快又輕量。

因此,以太坊未來的構想是:與其讓一堆性能孱弱的樹莓派節點逐筆重算所有交易,不如讓驗證者只需檢查一份極小的ZK證明的數學結果即可。

某技術專家繼續解釋說,"與其讓大家重新執行所有交易,不如直接給他們一份證明,告訴他們這些操作已經發生了,這樣任何人都可以驗證這份證明,而不必重新做計算"。

有研究員甚至打趣說,未來驗證ZK證明的計算量小到連售價7美元的微型計算機都能勝任,根本不需要大型數據中心。

zkEVM:通往1萬TPS的路線圖

以太坊基金會的某研究員最近在博客中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,都能在該鏈上無縫運行。

該鏈甚至把自己視作以太坊的延伸,最近還宣布將銷毀20%的ETH交易手續費,以支持L1價值回流。

該鏈負責人解釋說,ZK技術爲區塊鏈的不可能三角提供了答案:"ZK的魔力在於,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"。

他補充說,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 - 甚至一塊智能手表也能勝任驗證工作。

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。

日拱一卒,然後一瞬間完成

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,網路也不會像某些競品那樣直接停擺。

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(ZK-proofs)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。

以太坊基金會協議協調團隊的某成員表示,"切換到snark化的EVM將是一個循序漸進的過程" - 這裏的"snark"化指的是採用SNARK類型的零知識證明。

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。

上周,L1 Gas上限剛剛提高了22%,達到4500萬,某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。

而另一位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。