以太坊擴容新時代：零知識證明技術助力實現每秒1萬筆交易

以太坊即將迎來創世區塊十周年,經過多年探索,其擴容路線圖正在開啓新的篇章。雖然近期ETH價格漲提振了市場信心,但真正令人振奮的是,以太坊L1終於找到了一條在保持高度去中心化的同時實現大規模擴容的可行路徑。

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,以確認這批交易的正確執行。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將像可編程分片一樣運行,提供與L1相同的安全性。

雖然這些提案尚未正式獲得以太坊治理流程的批準,但它們是基於以太坊創始人自2017年就開始探索的思路,並得到了核心研究人員的大力支持。

在今年7月的EthCC大會上,以太坊基金會核心研究員表示:"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。"

他的終極目標是在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,共同擴展整個生態以滿足全球需求。

以太坊L1擴容面臨的挑戰

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保持着近乎執着的堅持。從最堅定的ETH支持者角度看,一些高吞吐量鏈存在着數百萬美元的中心化風險點,政府可能直接針對這些節點進行交易審查。即使是硬件要求相對較低的鏈,其成本和帶寬要求也可能影響去中心化程度。

相比之下,以太坊甚至可以在樹莓派上運行,這種低門檻設計讓超過15,000個公開節點和上百萬驗證者參與網路,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抵抗力。當然,代價是速度極慢——當前TPS僅約每秒18-20筆交易。

從某種程度上說,區塊鏈架構本身就存在效率瓶頸。每當進行一次狀態變更時,全網所有節點都需要重新驗證整個狀態,這嚴重限制了可擴展性。

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分層擴容這條路線。

零知識證明技術的突破

零知識證明技術被認爲是解決區塊鏈不可能三角的關鍵。它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。

生成零知識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:讓驗證者只需檢查一份極小的零知識證明即可,而無需重復執行所有交易。

這意味着,未來驗證零知識證明的計算量小到連售價7美元的低配版樹莓派都能勝任,根本不需要大型數據中心。

zkEVM:通往1萬TPS的路線圖

最近有消息稱,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,很多零知識證明技術的實用化探索,其實是從L2網路開始的。例如,某些L2網路就是100%兼容EVM的ZK Rollup公鏈——任何能在以太坊上運行的應用,都能在這些L2上無縫運行。

零知識證明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。隨着零知識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。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。切換到採用零知識證明的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。

最近,L1 Gas上限剛剛提高了22%,達到4500萬。有研究人員提出了一項提案,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。

有研究人員甚至進一步提出,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。