未來以太坊路線圖的指向性是非常明顯的——圍繞服務 Rollup 而展開。
作者： Jiawei，IOSG Ventures
編輯： Olivia，IOSG Ventures
聲明：本文僅做行業學習交流之用，不構成任何投資參考
tl;dr：
- 如果「The Merge」進展順利，分片將成為以太坊在 2023 年及之後的開發主軸，而距離 2015 年分片被提出，其含義已經發生了很大變化。
- 在 Vitalik 提出「以 Rollup 為中心的以太坊路線圖」和以太坊的「Endgame」之後，以太坊的大方向發生了事實上的轉變——「退居幕後」，作為 Rollup 的安全性保證和數據可用性層。
- Danksharding 和 Proto-Danksharding 是一系列的技術組合，表現形式在於「發現問題」、引入或提出新技術來「解決問題」的一套組合拳。
- 時間線拉長到未來幾年，Rollup 的整體價值將變大：以太坊上呈現多 Rollup 的發展格局、跨 Rollup 基礎設施高度完善、Rollup 生態高度繁榮——甚至超越以太坊本身。
引言
轉眼 2022 年已走過一半。我們回看 Vitalik 在 2018 年 Devcon 演講中提出的 Serenity Roadmap，容易發現以太坊的發展路徑幾經更迭— 對比當前的路線圖，分片被賦予新的含義，eWASM 亦少有人提及。
為了避免潛在的欺詐和用戶誤導問題，今年 1 月底，以太坊基金會宣布棄用「ETH2」的說法，而是把當前的以太坊主網改稱為處理交易和執行的「執行層」，把原 ETH2 的說法改稱為協調和處理 PoS 的「共識層」。
當前，以太坊官方的路線圖涵蓋了三部分內容：信標鏈、合併與分片。
其中，信標鏈（Beacon Chain）作為以太坊向 PoS 遷移的前置工作，以及共識層的協調網絡，於 2020 年 12 月 1 日啟用，迄今已運行近 20 個月。
合併（The Merge）指當前以太坊主網與信標鏈的最終合併，也即執行層與共識層的統一，標誌著以太坊正式遷移到 PoS。在 IOSG 的文章「黎明將至：以太坊合併近在咫尺」中，我們介紹了合併相關的重要進展：當前以太坊 Ropsten 與 Sepolia 測試網成功完成了合併，緊接著是 Goerli 的合併；如果一切順利，意味著我們離主網合併不遠了。
本文我們將著重討論分片（Sharding）。原因在於：
其一，假定主網合併能夠在年內順利實現，那麼分片將緊隨其後，作為 2023 年以太坊的開發主軸。
其二，以太坊分片的概念最早由 Vitalik 在 2015 年的 Devcon 1 中提出，此後 GitHub 的 Sharding FAQ 中提出了分片的 6 個發展階段（如上圖）。然而，隨著以太坊路線圖的更新和相關 EIP 的推動，分片的含義和優先級都產生了很大變化。當我們在討論分片時，需要先確保對其含義的理解達成一致。
綜上兩點，梳理清楚分片的來龍去脈是很重要的。本文將著重討論以太坊原分片、 Danksharding 和 Proto-Danksharding 的由來、進展和未來路線，而非具體到每個技術細節。關於 Danksharding 和 Proto-Danksharding 的詳細內容，可參考 IOSG 此前的文章：「擴容殺手鐧 Danksharding 會是以太坊分片的未來嗎」、「EIP4844：即將開啟 L2 交易費降低可預見的窪地效應」。
Quick Review
這篇文章中將會多次提到 Rollup、數據可用性和分片。
我們在這裡快速回看一遍三者的基本概念。
當前主流 Rollup 分為 zkRollup 和 Optimistic Rollup。前者基於有效性證明，即批量執行交易，依賴密碼學證明 SNARK 來保證狀態轉換的正確性；後者「樂觀地」假設所有狀態轉換是正確的，除非被證偽；即需要一段時間窗口來確保錯誤的狀態轉換能夠被發現。
數據可用性對 zkRollup 和 Optimistic Rollup 都非常重要。對前者而言，用戶可以基於數據可用性重建二層的所有交易，以確保抗審查；對後者而言，需要使二層的所有數據都被發布，沒有被隱藏任一交易。至於當前數據可用性面臨的瓶頸與相應的解決方案，在下文中會提到。
以太坊全節點對 EVM 的完整狀態進行存儲，並參與所有交易驗證，這樣確保了去中心化和安全性，但隨之而來的是可擴展性的問題：交易線性執行，且需要每個節點進行逐一確認，這樣無疑是低效的。
此外，隨著時間推移，以太坊網絡數據不斷積累（當前達 786GB），運行全節點的硬件要求隨之水漲船高。全節點數量下降將引發潛在的單點故障，並削弱去中心化的程度。
直觀地看，分片相當於分工合作，即對所有節點進行分組，每筆交易只需要由單組節點進行驗證，並定期向主鏈提交交易記錄，以此實現交易的並行處理（比如有 1000 個節點，原來每筆交易都必須由每個節點進行驗證；如果把他們分為 10 組，每組 100 個節點來驗證交易，效率顯然大大提升了）。採用分片使得在提高可擴展性的同時，也降低了單組節點的硬件要求，從而解決上述兩個問題。
原分片
以太坊原方案中有 64 個分片，每個分片中都有獨立的提議者和委員會，提議者是被隨機選擇的一個驗證者，收集交易並進行排序；委員會是一組驗證者的集合（至少由 128 個驗證者組成），每隔一定時間被隨機分配到各個分片上，並驗證交易的有效性，如果委員會的 2/3 投票通過，則調用驗證者管理合約（VMC）向信標鏈提交交易記錄。區別於下述的「數據分片」，這種分片也被稱為「執行分片」。
背景
在聊 Danksharding 之前我們不妨先花點時間了解其背景。個人猜想，Danksharding 推出的社區氛圍基礎主要來自 Vitalik 的兩篇文章。這兩篇文章為以太坊的未來發展方向定下了基調。
首先，Vitalik 於 2020 年 10 月發表了「以 Rollup 為中心的以太坊路線圖」，提出以太坊需要在中短期內對 Rollup 進行集中支持。其一，以太坊基礎層擴容將聚焦於擴大區塊的數據容量，而非提高鏈上計算或 IO 操作的效率。即：以太坊分片旨在為數據 blob（而非交易）提供更多空間，以太坊無需對這些數據進行解釋，只確保數據可用。其二，以太坊的基礎設施進行調整以支持 Rollup（如 ENS 的 L2 支持、錢包的 L2 集成和跨 L2 資產轉移）。長遠來看，以太坊的未來應該作為安全性高的、人人可處理的單一執行分片，以及可擴展的數據可用性層。
此後，Vitalik 在 2021 年 12 月發表的「Endgame」中描述了以太坊的最終圖景：區塊產出是中心化的，但區塊驗證實現去信任且高度去中心化，同時確保抗審查。底層鍊為區塊的數據可用性提供保證，而 Rollup 為區塊的有效性提供保證（在 zkRollup 中，通過 SNARK 來實現；在 Optimistic Rollup 中，只需有一個誠實參與者運行欺詐證明節點）。類似於 Cosmos 的多鏈生態，以太坊的未來將是多 Rollup 共存的——它們都基於以太坊提供的數據可用性和共享安全性。用戶依賴橋在不同 Rollup 之間活動，而無需支付主鏈的高額費用。
上述兩篇文章基本確定了以太坊的發展方向：優化以太坊的基礎層建設，為 Rollup 服務。以上論點也許基於這樣一個看法：既然 Rollup 已經被驗證有效並且得到良好的採用，那麼「與其將花上幾年時間等待一個不確定且複雜的擴容方案（注：指原分片），不如將注意力放在基於 Rollup 的方案上」。
在此之後，Dankrad 提出了新分片方案 Danksharding。以下我們把 Danksharding 的具體技術組成拆分出來理解。
Proto-Danksharding
Proto-Danksharding 提出的背景在於，雖然 Rollup 方案對比以太坊主鏈而言顯著降低了交易費用，但還沒有到足夠低的理想程度。這是由於以太坊主鏈上提供數據可用性的 CALLDATA 仍然佔據較大的花費 (16gas / byte)。在原先的設想中，以太坊提出在數據分片中提供每個區塊 16MB 的專用數據空間給 Rollup 使用，但距離數據分片的真正實施仍舊遙遙無期。
今年 2 月 25 日，Vitalik 和 DankRad 等提出了 EIP-4844（Shard Blob Transactions）提案，也即 Proto-Danksharding，旨在以簡單、前向兼容的方式擴展以太坊的數據可用性，使其在 Danksharding 推出之後仍然可用。該提案的改動僅發生在共識層上，不需要執行層的客戶端、用戶和 Rollup 開發者進行額外的適配工作。
Proto-Danksharding 實際上並未執行分片，而是為將來的分片引入了一種稱為「Blob-carrying Transactions」的交易格式。這種交易格式區別於普通交易在於其額外攜帶了稱為 blob 的數據塊（約為 125kB），使區塊實際上變大，從而提供比 CALLDATA（約為 10kB）更加廉價的數據可用性。
然而，「大區塊」的普遍問題是對磁盤空間的要求不斷累加，採用 Proto-Danksharding 將使以太坊每年額外增加 2.5TB 的存儲量（當前全網絡數據僅為 986GB）。因此，Proto-Danksharding 設置了一段時間窗口（例如 30 天），在此之後對 blob 做刪除操作，用戶或者協議可以在這段時間內對 blob 數據進行備份。
即，以太坊的共識層僅僅作為一個高度安全的「實時公告板」，確保這些數據在足夠長的時間裡是可用的，並使其他用戶或協議有足夠的時間來備份數據，而非由以太坊永久保留所有的 blob 歷史數據。
這麼做的原因是，對存儲來說，每年新增的 2.5TB 不在話下，但對以太坊節點卻帶來不小的負擔。至於可能導致的信任假設問題，實際上只需有一個數據存儲方是誠實的（1 of N)，系統就可以正常運作，而不需要實時參與驗證、執行共識的驗證者節點集（N/2 of N）來存儲這部分歷史數據。
那麼，有沒有激勵來推動第三方對這些數據進行存儲呢？筆者暫時沒有發現激勵方案的推出，但 Vitalik 本人提出了幾個可能的數據存儲方：
1、針對應用的協議（例如 Rollup）。它們可以要求節點存儲與應用相關的歷史數據，如果歷史數據丟失，會對這部分應用造成風險，因此它們有動力去做存儲；
2、BitTorrent；
3、以太坊的 Portal Network，這是一個提供對協議的輕量級訪問的平台；
4、區塊鏈瀏覽器、API 提供者或者其他數據服務商；
5、個人愛好者或者從事數據分析的學者；
6、The Graph 等第三方索引協議。
Danksharding 數據可用性採樣（DAS）
在 Proto-Danksharding 中我們提到新的交易格式使得區塊實際上變大了，並且 Rollup 也累積了大量數據，節點需要下載這些數據來保證數據可用性。
DAS 的想法是：如果可以把數據分為 N 個塊，每個節點隨機地下載其中的 K 個塊，就能驗證所有數據是否可用，而無需下載所有數據，這樣就能大大減少節點的負擔。但如果某個數據塊丟失了怎麼辦？僅僅通過隨機下載 K 個塊很難發現某個塊丟失了。
為了實現 DAS，引入了糾刪碼（Erasure Coding）技術。糾刪碼是一種編碼容錯技術，基本原理是把數據分段，加入一定的校驗並使各個數據段之間產生關聯，即使某些數據段丟失，仍然能通過算法將完整的數據計算出來。
如果把糾刪碼的冗餘比例設置為 50%，那麼意味著只需要有 50% 的區塊數據可用，網絡中的任何人就可以重建所有區塊數據，並且進行廣播。如果攻擊者想要欺騙節點，則必須隱藏掉超過 50% 的區塊，但只要進行多次隨機採樣，這種情況幾乎不會發生。（例如，假設對區塊進行了 30 次隨機採樣，這些區塊都恰好被攻擊者隱藏掉的機率是
）
既然節點不下載所有數據，而是依靠糾刪碼來重建數據，那麼首先需要確保糾刪碼被正確編碼，否則用錯誤編碼的糾刪碼當然沒法重建數據。
這樣，進一步引入了 KZG 多項式承諾（KZG Polynomial Commitments），多項式承諾是一個「代表」多項式的簡化形式，用於證明多項式在特定位置的值與指定的數值一致，而無需包含該多項式的所有數據。Danksharding 中通過採用 KZG 承諾來實現對糾刪碼的驗證。
如果我們可以把所有數據都放在一個 KZG 承諾中當然很省事，但是構建這個 KZG 承諾，或者一旦有部分數據不可用，重建這個數據——兩者的資源要求都是巨大的。（實際上，單個區塊的數據需要多個 KZG 承諾來保證）而同樣為了降低節點負擔從而避免中心化，Danksharding 中把 KZG 承諾進行了進一步的拆分，提出了二維 KZG 承諾框架。
當我們依次解決上述問題之後，依靠 DAS，節點或者輕客戶端只需要隨機下載 K 個數據塊，就能夠驗證所有數據是可用的；這樣一來，即便引入「大區塊」之後，也不會過多地加重節點的負擔。
（注：特別地，Danksharding 中採用的糾刪碼算法是 Reed-Solomon 編碼；KZG 承諾是由 Kate、Zaverucha 和 Goldberg 發表的多項式承諾方案。在此暫不做展開，對算法原理感興趣的讀者可自行拓展。此外，確保糾刪碼正確性的方案還有在 Celestia 中採用的欺詐證明）
區塊提議者與構建者分離（PBS）
在當前情況下，PoW 礦工和 PoS 驗證者既是區塊構建者（Builder），又是區塊提議者（Proposer）——在 PoS 中，驗證者可以用 MEV 的利潤獲取更多新的驗證者席位，從而有更多機會去實現 MEV；此外，大型驗證池顯然比普通驗證人有更強大的 MEV 捕獲能力，這樣導致了嚴重的中心化問題。於是，PBS 提出把 Builder 和 Proposer 進行分離。
PBS 的想法如下：Builder 們構建一個排好序的交易列表，並且把出價提交給 Proposer。Proposer 只需要接受出價最高的交易列表，且任何人在拍賣的獲勝者被選出之前，無法知道交易列表的具體內容。
這種分離和拍賣的機制引入了博弈和 Builder 之間的「內捲」：畢竟每個 Builder 捕獲 MEV 的能力不盡相同，Builder 需要權衡潛在的 MEV 利潤、以及拍賣出價之間的關係，這樣實際上減少了 MEV 的淨收入；而無論最終 Builder 提交的區塊是否能夠順利產出，都需要向 Proposer 支付競價的費用。這樣一來，Proposer（廣義上是所有驗證者集，一定時間內隨機重選）相當於分享了一部分 MEV 的收入，削弱了 MEV 的中心化程度。
以上介紹了 PBS 在解決 MEV 方面的優勢，而引入 PBS 還有另一個原因。在 Danksharding 中，對 Builder 的要求是：在 1 秒左右計算出 32MB 數據的 KZG 證明，這需要 32-64 核的 CPU；並且在一定時間內以 P2P 的方式廣播 64MB 的數據，這需要 2.5Gbit/s 的帶寬。顯然驗證者無法滿足這樣的要求。
於是 PBS 把兩者分開，Proposer 仍然作為一般驗證者節點，負責選擇交易列表，並廣播區塊頭；而 Builder 作為一個專門的角色，負責上述工作和構建交易列表。
去年 10 月，Vitalik 提出了雙 Slot PBS 方案（注：每個 Slot 為 12 秒，是信標鏈的時間單位），但具體的 PBS 方案仍然在討論中。
抗審查列表（crList）
但 PBS 也帶來一個問題，如果某個 Builder 總是出最高價（甚至寧願承擔經濟損失）來贏得拍賣，那麼他實際上有了審查交易的能力，可以選擇性地不把某些交易包含在區塊中。
為此，Danksharding 進一步引入了抗審查列表 crList（即 Censorship Resistance List），即 Proposer 有權利指定一個交易列表，這個交易列表必須被 Builder 所包含；在贏得拍賣後，Builder 需要證明 crList 中的交易都已經被包含在內（或區塊已滿），否則該區塊將被視為無效。
小結
把上述的數據可用性採樣（DAS）、區塊構建者和提議者分離（PBS）以及抗審查列表（crList）組合起來，就得到了完整的 Danksharding。我們發現，「分片」的概念其實已經被淡化了，儘管保留了 Sharding 的叫法，但實際上的重點已經放在對數據可用性的支持上。
那麼 Danksharding 對比原分片有哪些優勢呢？
（Dankrad 本人在這裡列舉了 Danksharding 的 10 個優點，我們選取兩個來具體解釋）
在原分片中，每個單獨的分片都有其提議者和委員會，分別對分片內的交易驗證進行投票，並由信標鏈的提議者收集所有投票結果，這項工作很難在單個 Slot 內完成。而在 Danksharding 中只在信標鏈上存在委員會（廣義的驗證者集，一定時間內隨機重選），由這個委員會來驗證信標鏈區塊和分片數據。這相當於把原來的 64 組提議者和委員會簡化為 1 組，無論是理論還是工程實現的複雜度都大大降低了。
Danksharding 的另一個優點是，以太坊主鍊和 zkRollup 之間有可能實現同步調用。上文我們談到，在原分片中信標鏈需要收集所有分片的投票結果，這會產生確認的延遲。而在 Danksharding 中，信標鏈的區塊和分片數據由信標鏈的委員會進行統一認證，也即同個信標區塊的交易可以即時訪問分片的數據。這樣激發了更多可組合性的想像空間：例如 StarkWare 提出的分佈式 AMM（dAMM），能夠跨 L1/L2 進行 Swap 或共享流動性，從而解決流動性碎片化的問題。
在 Danksharding 得到實施之後，以太坊將變成 Rollup 的統一結算層和數據可用性層。
Closing Thoughts
在上圖中，我們對 Danksharding 進行一個總結。
綜上，我們大致可以看到，未來的 2 至 3 年內，以太坊路線圖的指向性是非常明顯的——圍繞服務 Rollup 而展開。儘管在此過程中路線圖改動與否仍然是未知數：Danksharding 預計將在未來 18-24 個月內實現，而 Proto-Danksharding 將在 6-9 個月內實現。但至少我們明確了 Rollup 作為以太坊的擴容基礎，佔據著一定的主導地位。
根據 Vitalik 提出的展望，在此我們也提出一些預測性思考和猜想：
- 一是類似 Cosmos 的多鏈生態，未來以太坊上將出現多 Rollup 的競爭格局，由以太坊為它們提供安全性和數據可用性的保證。
- 二是跨 L1/Rollup 基礎設施將成為剛需。跨域 MEV 將帶來更加複雜的套利組合，類似上述提到的 dAMM 帶來更豐富的可組合性。
- 三是多 Rollup 的生態應用將超越以太坊本身。由於以太坊的定位退居其次，作為 Rollup 的數據可用性層，我們猜測更多的應用會遷移到 Rollup 上面去做（若第二點成立）；或者至少在以太坊和 Rollup 上面同時做應用。
參考材料：
https://consensys.net/blog/blockchain-explained/the-roadmap-to-serenity-2/
https://www.web3.university/article/ethereum-sharding-an-introduction-to-blockchain-sharding
https://ethereum-magicians.org/t/a-rollup-centric-ethereum-roadmap/4698
https://vitalik.ca/general/2021/12/06/endgame.html
https://notes.ethereum.org/@vbuterin/proto_danksharding_faq
https://twitter.com/pseudotheos/status/1504457560396468231
https://ethos.dev/beacon-chain/
https://notes.ethereum.org/@fradamt/H1ZqdtrBF
https://cloud.tencent.com/developer/article/1829995
https://medium.com/coinmonks/builder-proposer-separation-for-ethereum-explained-884c8f45f8dd
https://dankradfeist.de/ethereum/2021/10/13/kate-polynomial-commitments-mandarin.html
https://members.delphidigital.io/reports/the-hitchhikers-guide-to-ethereum
https://vitalik.ca/general/2019/09/22/plonk.html
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