浅谈以太坊扩容⌗

这两天看了下以太坊扩容相关文章，囫囵吞枣、不甚理解。

简单写下小结，权当学习资料汇总了，欢迎一起探讨。

背景⌗

区块链诞生之初的一个愿景就是去中心化，要实现这一目标就需要更多节点参与到区块链的共识中来。

考虑到不同设备的计算水平不同，区块链节点类型大致可以分成三类：全节点、轻节点和SPV节点。

我们知道每个区块由区块头和这个区块所有的交易数据组成，这三种节点的区别就在于：

  • 全节点：验证所有区块的全部数据并存储的完整节点；
  • 轻节点：仍需下载验证区块的全部数据，只需存储部分数据；
  • SPV节点：只需验证并存储区块头数据。

PS：

扩容方案⌗

为了解决日益严重的交易费和吞吐量低下问题，以太坊的扩容途径主要有两种：

  • 直接提高区块链交易吞吐量
    • 增大区块容量，区块验证对节点设备要求提高，逐渐变得中心化；
    • 缩短区块产生时间，分叉概率提高。
  • 重构以太坊架构
    • 分层
      • State channels
      • Plasma
      • Rollup
    • 分片
      • Sharding
      • Danksharding && crList

PS：POW和POS的主要区别不在于交易吞吐量，而是出于环保、安全等方面的考虑。
PS：POS机制是分片的基础，在POW中由于矿工不需要质押，很容易在分片中作恶，无法对矿工进行实际惩处；通过POS质押可以直接扣除作恶提议者的资金，确保分片的安全性。

分层⌗

方案一的缺点已经说明，我们下面来分析方案二，我们先了解下分层的概念：

不必将所有交易放在以太坊主网上，而是在 Layer2 层执行大部分交易；L1层只需执行两个任务：处理存取款和验证L2交易的有效性，减轻L1负担，提高交易处理效率。

分层的方案大致可以分为三类，前两种是「完全的」Layer2 方案，它们试图将数据和计算都转移至链下，但由于 owner 问题，无法兼容所有的EVM应用；

而Rollup 是一种「混合」的 Layer2 方案，将计算以及状态存储转移至链下，但同时将每笔交易的部分数据保留在链上。

PS：

数据可用性（DA）⌗

我们上面所说的这些交易验证都是基于SPV证明，那么问题来了，SPV节点如何知道区块头的数据是正确的呢？又要如何验证Rollup数据的置信度呢？ 这便是数据可用性问题。解决方案主要有两种：

  • 欺诈性证明：依赖于随机采样证明或可信节点的警报；
  • 有效性证明：数据中就包含有相关证明

Rollup因此也分为两类：

  • Optimistic rollup，采用欺诈性证明，惰性计算，优化计算性能；
  • ZK rollup，采用有效性证明，只需压缩后的相关证明，优化存储性能

由于目前 ZK proof 计算成本高，趋于中心化。因此前期 Optimistic rollup 可能占有一定优势，随着 ZK proof 算法的优化，ZK rollup 应该会逐渐成为主流。

欺诈证明⌗

欺诈证明主要依赖于 SPV节点 和 全节点 两部分。

对于全节点来讲：

  • 通过激励来鼓励它们举报坏家伙们
  • 通过惩罚来限制它们进行警报的DOS攻击

但有时全节点是无法确定是欺诈的，比如矿工广播区块头和tx1外的所有交易数据，由于不可归因的性质，全节点无法证明tx1不可用。

利用纠删码技术，我们可以将n块数据扩展为2n块数据，任意的n块数据都可以恢复原始数据块。除非矿工隐藏一半以上的数据，否则全节点可以保证能拿到所有数据。

对于SPV节点来讲：

  • 通过历史数据等验证区块头数据的正确性（如无效、双花等问题）
  • 通过随机采样等验证全节点知道该区块头对应的所有交易数据

PS：

有效证明⌗

上面提到了通过纠删码技术，可以避免矿工隐藏某些交易，但这项技术仍需要依赖一个可信的全节点； 而且如果优化不好，一些欺诈证明的大小可能与区块本身的大小差不多，这个问题可以采用多维纠删码技术来改进。

而通过 KZG的多项式承诺，我们可以生成一个有效性证明，从而使SPV节点跳过欺诈证明。

当然除此之外，还有Coded Merkle Tree、Coded Interleaving Tree、FRI等技术。

PS：

分片⌗

分片就是将主链拆分成多个拥有单独共识机制的分片，全节点无需再同步验证所有交易数据，只需处理分片内的交易。同时为了保证安全性，信标链（Beacon）每隔一段时间会将验证者随机分配给各个分片。

Danksharding 区别于传统的分片技术，首先采用PBS（proposer builder separation）策略将 proposer 和 builder 分离，来避免矿工（既是 proposer 又是 builder）审查交易内容，获取MEV。

传统分片技术中，每个分片都有各自的 proposer 和 builder，每个分片打包的 shard block 聚合成最终的 execution block。当有一个 shard block 作恶不可用时，整个execution block都会不可用。

在 Danksharding 架构中，每个分片的 proposer 只需要广播可执行交易，由执行层的 builder 同时负责打包 shard block 和 execution block。

而 crList（Censorship resistance）类似于 flashbot，可以确保区块按 proposer 提交的交易列表打包，以免 builder 任意审查交易数据，获取MEV；与后者的区别在于 crList 是公开的交易列表。

PS：