以太坊迈向万级TPS:零知识证明技术助力扩容新时代

以太坊正走向每秒处理1万笔交易(TPS)的扩容新阶段,零知识证明(ZK)技术成为这一进程的关键推动力。在经历多年围绕L2扩容的探索后,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行路径。

未来几年,以太坊的Gas上限和TPS有望每年提升数倍。验证者将不再需要重复执行每笔交易,而只需验证一份零知识证明,以确认一批交易的正确执行。这将使底层网络的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将如同可编程分片一般运行,提供与L1相同的安全性。

尽管这些提案尚未正式获得以太坊治理流程批准,但它们建立在Vitalik Buterin自2017年就开始探索的思路之上,并得到了以太坊基金会核心研究员的支持。

在今年7月的EthCC大会上,某研究员表示:"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 - 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10年内让以太坊生态能够实现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

尽管其他区块链早已开始尝试使用更强大的硬件和计算能力来扩大吞吐量,但以太坊一直对去中心化有着近乎意识形态的执着。从某些支持者的角度看,像某些"数据中心链"拥有数百万美元的中心化风险点,政府可以直接针对这些节点进行交易审查。即使是一些硬件规格要求较低的链,其成本和带宽要求也令人望而却步,从而影响去中心化程度。

相比之下,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个验证者参与网络,因此几乎不可能审查以太坊上的交易,并且使整个网络对攻击具有极强的韧性。

当然,代价是速度极慢 - 当前TPS约为每秒处理18-20笔交易,而某些竞品的TPS则可达每秒约1500笔交易。

从某种程度上说,区块链架构天生低效,有点像一个在线表格,每当你修改一个单元格之前,全世界所有拥有副本的电脑都要先把整个表格重新算一遍,确认无误后才能更新。

某ZK技术公司的联合创始人解释说:"以太坊的设计是希望任何人都能跟上网络,并重新执行所有交易",这也意味着交易量不能随便无限放大,因为每笔交易都需要有人重新计算。

正因为在保持去中心化的前提下,主网扩容空间有限,以太坊在2020年不得不走上了L2分层扩容这条备受争议的路线。

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,用来形容公链在安全性、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。

直到现在,零知识证明(ZK-Proof)这一被形容为"登月级数学"的技术,能够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证明的过程非常复杂,但验证一份证明是否正确,却既快又轻量。

因此,以太坊未来的构想是:与其让一堆性能孱弱的树莓派节点逐笔重算所有交易,不如让验证者只需检查一份极小的ZK证明的数学结果即可。

某技术专家继续解释说,"与其让大家重新执行所有交易,不如直接给他们一份证明,告诉他们这些操作已经发生了,这样任何人都可以验证这份证明,而不必重新做计算"。

有研究员甚至打趣说,未来验证ZK证明的计算量小到连售价7美元的微型计算机都能胜任,根本不需要大型数据中心。

zkEVM:通往1万TPS的路线图

以太坊基金会的某研究员最近在博客中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,都能在该链上无缝运行。

该链甚至把自己视作以太坊的延伸,最近还宣布将销毁20%的ETH交易手续费,以支持L1价值回流。

该链负责人解释说,ZK技术为区块链的不可能三角提供了答案:"ZK的魔力在于,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"。

他补充说,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 - 甚至一块智能手表也能胜任验证工作。

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。

日拱一卒,然后一瞬间完成

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,网络也不会像某些竞品那样直接停摆。

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(ZK-proofs)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。

以太坊基金会协议协调团队的某成员表示,"切换到snark化的EVM将是一个循序渐进的过程" - 这里的"snark"化指的是采用SNARK类型的零知识证明。

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。

上周,L1 Gas上限刚刚提高了22%,达到4500万,某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。

而另一位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。