Foresight Ventures：EIP-4844全面解析，以太坊邁向Full sharding的第一步_HARD

原文作者：YihanXu

最近社區參與度超標的?KZGCeremony?都刷到了吧，這個儀式到底在干什么？

簡單概括，KZGCeremony?是實現?EIP-4844?不可繞過的一個初始化環節，而?EIP-4844?是實現以太坊?sharding?過程中的先行版本。

Sharding?從數據可用性角度擴容，而?rollup?主要從執行層面擴容，一起緩解主網擁堵問題；我認為?sharding?可能是突破區塊鏈不可能三角的一次嘗試。

下面這張以太坊區塊大小的走勢圖可以從另一個角度說明數據層面擴容的必要性。從創世區塊開始，以太坊從底層架構到上層應用都在不斷地快速迭代，但平均區塊大小仍為?90?Kb?左右，最高點也沒有質的突破。雖然?Rollup?從計算層切入，解決以太坊擁堵問題，但性能仍然受制于?layer1?的數據存儲能力。

由于實現過程的復雜度和安全性考慮，以太坊開發團隊將?sharding?分成了多個階段，其中就包括最近提到的?proto-danksharding?和?danksharding。整個過程將會是一個歷時數年的更新；

在目前的以太坊的數據存儲模式下，只有少數特定高配置的機器可以加入網絡成為節點，而?fullsharding?之后?ethereum?不再需要每個節點都保存全部數據，在降低主網數據存儲成本的同時加強了安全性。

二、EIP-4844:短期高回報，Sharding?的精簡先行版

EIP-4844=Proto-Danksharding；

Proto?來自以太坊研究者的名稱

由于實現?danksharding的復雜度很高，開發周期至少是以年為單位的。因此?proto-danksharding?是實現?danksharding?前對以太坊的擴容方案，主要實現了?danksharding?中的交易格式、precompile?等設計；

每個?transaction?最多掛?2?個?blob；

每個?block?理想狀態包含?8?個?blob，約為?1?MB，最多包含?16?個?blob，約為?2?MB；

Blob?不需要像?calldata?一樣作為?historylog?被永久存儲；

dForce攻擊者總收益約為365萬美元:2月10日消息，據派盾監測，dForce在Arbitrum和Optimism上的一系列交易中被攻擊，攻擊者總收益約為365萬美元。[2023/2/10 11:58:42]

相比?danksharding，節點還是需要對完整的?DA?進行驗證。

2.Blob-carryingtransaction?解讀

給?transaction?掛上?blob

作用

參考?Vitalik?在提案中給出的圖，Datablob?和當前的?calldata?相似，rollup?可以將交易、證明等數據通過?blob?上傳到?layer1?來保證?dataavailability。

成本

Datablob?的設計初衷是支持?rollup高通量的交易，相比同等大小的?calldata，blob?的成本將會降低很多。因此，rollup?在維持數據可用性上花費的?gas?相比之前會顯著降低。

容量

每個?blob?的大小約為?125?kB。

3.Blob-carryingtransaction?的價值和挑戰

價值

可以把?blob?看成一種緩存，rollup?提交的交易數據從此以緩存的形式存在。降低對存儲硬件的要求，為以太坊提供額外的數據擴容并降低?gas?成本。

挑戰：對以太坊節點硬件性能的要求

Ethereum?當前平均區塊大小只有～?90?kB，但是一個?blob?就有～?125?kB

根據?EIP-4844?的設計，每個?slot?正常情況下約為?1MB，因此每年增加的數據量為：?1MB/block*5block/min*43200min/month*12month/year=?2.47TBperyear

每年增加的數據大小遠超過了以太坊數據總量，這樣的存儲方案顯然是不高效的。

解決方案

從短期擴容效果看，由于每個節點仍然需要儲存全量歷史數據，在實現?EIP-4844?的同時，對一段時間窗以外的?blob進行自動刪除；

dForce推出流動穩定儲備（LSR）模塊:1月20日消息，dForce推出流動穩定儲備（LSR）模塊，允許用戶使用支持的穩定幣作為抵押品，以1:1的匯率鑄造USX，從而以更有效的方式進一步增強USX的美元掛鉤。[2023/1/20 11:23:47]

從?sharding?的長期利益看，實現?EIP-4444?，即節點不需要存儲全量歷史數據，而是只需要參照?historyexpiry，存儲特定時間之后的數據；

這兩種解決方案從不同程度上緩解了?blob-carryingtransaction?在存儲空間上的?tradeoff。

4.KZGCommitment

KZGCommitment?是?EIP-4844?中采用的多項式承諾方案

解析?KZGcommitment

KZG?是作者?AniketKate,GregoryM.Zaverucha?和?IanGoldberg?姓氏的縮寫，他們在?2010?年發表了多項式承諾方案論文“Constant-SizeCommitmentstoPolynomialsandTheirApplications”，并且這個方案在?plonk-style?的?zk-snark?協議中有很廣泛的應用。

參考?DankradFeist?演講中的示意圖，KZGroot?類似?Merkleroot，區別在于?KZGroot?承諾一個多項式，即所有?position?都在這個多項式上。基于?proto-danksharding?的場景，KZGroot?承諾了一堆數據，其中的任何一個數據都可以被驗證屬于這個整體。

這也是為什么?KZGcommitment?在兼容性上對后面實現?DAS?更友好。

KZGcommitment?的流程如下：

Prover：提供證明，計算?data?的?commitment，prover?無法改變給定的多項式，并且用于證明的?commitment?只對當前這一個多項式有效；

Verifier：接收?prover?發送的?commitmentvalue?并進行驗證，確保?prover?提供了有效的證明。

KZGCommitment?的優勢

前懷俄明州銀行部專員Albert Forkner加入Web 3基礎設施公司Fortress:5月18日消息，前懷俄明州銀行部門州銀行專員Albert Forkner加入Fortress Blockchain Technologies。據悉，Fortress Blockchain Technologies是一家Web 3基礎設施公司，為加密貨幣、NFT和其他類型的數字資產提供托管和管理服務。

Forkner在懷俄明州銀行監管機構已有20多年的工作經驗，并積極參與特殊目的存款機構（SPDI）銀行執照相關工作。Forkner將利用其銀行業務關系管理新的Fortress Trust業務，在過去五個月里一直在幕后默默工作，以確保Fortress獲得內華達州監管機構的信托許可證，該許可證最終于上周獲得批準。（CoinDesk）[2022/5/18 3:23:25]

我認為主要出于對成本和安全性的思考，可以歸納但不局限于以下幾點：

成本

KZGcommitment?具備快速驗證、復雜度相對更低、簡潔的特點；

不需要提交額外的?proof，因此成本更低、更省?bandwidth；

數據觸達所需的?Pointevaluationprecompile?可以獲得更低的成本。

安全

假設出現了?failure，也只會影響?commitment?對應的?blob?中的數據，而不會其他深遠的影響。

更兼容

縱觀?sharding?的整體方案，KZGcommitment?對?DAS?方案兼容，避免了重復開發的成本。

5.KZGCeremony(trustedsetup)

KZGCeremony?是為?KZGCommitment?提供?trustsetup，目前吸引了超過?20,?000participants?的參與和貢獻，已經成為歷史上最大規模的?trustsetup。

最近社區參與熱情高漲的?KZGCeremony?就是為?EIP-4844?采用的?KZGcommitment?提供?trustsetup；

KZGCeremony?的流程

參考?Vitalik?的流程圖，任何人都可以作為?participants?貢獻?secret?并與之前的結果進行混合產生一個新的?result，以此類推，通過套娃的形式獲得最終的?SRS，并協助完成?KZGcommitment?的?trustsetup

Foreside加強對沖基金、私募股權公司和數字資產管理公司等私募基金業務:10月13日消息，Foreside Financial Group, LLC（簡稱Foreside）今天宣布加強其私募基金業務，包括專業人員的擴展，對其技術平臺的增強，以及啟動一個子業務，專門為基金經理提供投資策略，專注于加密貨幣、數字資產、風險投資工作室基金、醫療保健版稅、聯合風險投資和其他替代性非傳統資產。Foreside是一家為全球資產和財富管理行業客戶提供治理、風險管理和合規（GRC）解決方案和技術服務的提供商。（Business Wire）[2021/10/13 20:26:53]

trustsetup

EIP-4844?中采用了一種常見的?multi-participanttrustsetup，即?powers-of-tau；

遵循?1-of-N可信模型，不管多少人參與?generatingsetup?的過程，只要有一個人不泄漏自己的生成方式，可信初始化就是有效的；

必要性

KZGcommitment?的?trustsetup?可以簡單理解為：生成一個在每次執行?cryptographicprotocol?時需要依賴的一個參數，類似于?zk-snark?需要可信初始化；

Prover?在提供證明時，KZGcommitmentC=f(s)g?1?。其中?f?是評估函數，s?就是?KZGtrustedsetup?最終獲得的?finalsecret；

可以看出?finalsecret?是生成多項式承諾的核心參數，而作為獲取這個核心參數的可信流程，這次?KZGCeremony?對于整個?sharding?的實現非常重要。

6.EIP-4844?帶來的變化

Rollup

參考?ethresear?上給出的示意圖，rollup?需要將?statedelta、KZGcommitment?的?versionedhash?包含在?calldata?中進行提交

可以發現不同的是，calldata?只包含一些數據量小的，比如?statedelta、KZGcommitment，而將包含大量交易數據的?transactionbatch?放到了?blob?里。

美國支付服務公司Cass Information Systems加入區塊鏈運輸聯盟:據marketwired報道，日前，美國支付服務公司Cass Information Systems宣布加入區塊鏈運輸聯盟。[2018/2/8]

有效降低成本，放?calldata?里很貴；

降低對區塊空間的占用

安全性

Dataavailability:Blob?存儲在信標鏈上，等同于?layer1?的安全性；

歷史數據：節點不會只會將?blob?存儲一段時間，需要?layer2rollup?做永久數據存儲，因此安全性依賴于?rollup。

成本

Proto-Danksharding?引入了新的交易類型，低成本數據格式?blob?的加入無疑會讓?rollup?的成本進一步降低，取決于實際鏈上應用和實現進展，優化后?rollup?的成本可能降低?x?10?甚至?x?50?；

同時?EIP-4844?引入了?blobfee；

Gas?和?blob?將會分別有可調節的?gasprice?和?limit；

Blob?的收費單元還是?gas，gasamount?隨?traffic?變動，以此維持每個?block?平均掛?8?個?blob?的目標

Precompile?的實現

Blob?中的數據本身無法被直接觸達，EVM?只能獲取?datablob?的?commitment。因此需要?rollup?提供?precompile?來驗證?commitment?的有效性.

下面分析兩種?EIP-4844?中提到的?precompile?算法

Pointevaluationprecompile

證明多個?commitments?指向同一數據；

主要針對?zk-rollup，rollup?需要提供?2?種?commitments:1.KZGcommitment;2.zk-rollup?本身的?commitment；

對于?optimisticrollup，大多數已經采用了?multi-roundfraudproof?的機制，finalroundfraudproof?所需的數據量較小。因此，采用?pointevaluationprecompile?能達到更低的成本

Blobverificationprecompile

證明?versionedhash?和?blob?是有效對應的；

optimisticrollup?在提交欺詐證明時需要?access?全量數據，因此先驗證?versionedhash?和?blob?合法，再進行?fraudproofverification

三、Danksharding:邁向?fullsharding?的重要一步

Danksharding?的命名來自以太坊研究員?DankradFeist

1.擴容：進一步擴充?Rollup?的緩存空間

在?proto-danksharding?實現后，由于新的交易格式引入了?blob，每個區塊可以平均額外獲得?1?MB?的緩存空間。Danksharking?實現后，每個區塊額外?16?MB，最大允許?32?MB。

2.Data?availability：存儲和驗證策略更高效

相比?proto-danksharding?要求全節點下載全量數據，Danksharking?實現后以太坊節點只需要對?blob?抽樣。Sampling?后的數據會分布在全網節點中，并可以組成完成的?datablob。

DAS：高效抽樣檢查

通過糾纏碼幫助全網節點在下載部分數據的情況下更容易發現原始數據的丟失的概率，從而提升安全性

3.安全性：基本不變

由于每個節點不再保存全量歷史數據，從數據可用性、備份和抽樣檢查的角度出發，安全性由至少一個節點保存全量數據變為多個節點存儲部分數據，并最終還原完整數據。

雖然乍一看對單點的依賴安全性遠高于對多點的依賴，但是以太坊網絡中的節點數量夠多，完全可以保證數據備份的需求，因此安全性并不會有很大變化。

4.新的挑戰：對?blockbuilder?的要求提升

雖然驗證者不需要下載并保留全量歷史數據，對?bandwidth?和存儲硬件的要求得到了緩解，但是區塊創建者仍然需要上傳包含全量?transactiondata?的?blob?數據。

這里簡單介紹一下PBS(proposer/builderseparation)，參考?Dankrad?給出?PBS?在?danksharding?方案中的應用圖：

將負責出塊負責人的角色拆分為?proposer?和?builder。最初是為了做?anti-MEV?設計的提案，在?danksharding?的設計中為了降低區塊創建時對bandwidth?的要求。

四、其他?sharding?方案：Shardeum?的動態分片

Shardeum?是?EVM?兼容的?layer1?公鏈,與以太坊的?staticsharding?方案不同，shardeum?通過dynamicstatesharding的方案提升底層可擴展性和安全性，同時，天然地保證較高的去中心化程度；

1.Dynamicstatesharding

優勢

Dynamicstatesharding?帶來最直觀的優勢在于?linearscaling，接入網絡的節點可以非常高效的被?sharding?算法動態分組，并快速響應，提升區塊鏈網絡的?TPS。在?dynamicstatesharding?的設計中，每個節點會覆蓋不同?range?的?address，并且覆蓋范圍又會有冗余設計以保證高效的?sharding?和安全性。

場景內實現

拋開生態的復雜度，單從兩種技術實現的角度看，dynamicstatesharding?的難度大于?staticsharding。可以看出?Shardeum?的技術團隊在?sharding?的技術層面有很深的積累，團隊之前在?Shardustechnology?上的研發也對這條公鏈的底層技術做出了很大貢獻，甚至在項目早期階段很好的展示了?dynamicstatesharding?所帶來的?linearscaling。

2.Shardeum?綜合歸納

產品

將節點劃分到不同的?group，參考?divideandconquer?的思路，把計算和存儲的?workload?進行分流，從而允許更高程度的并行處理。因此，可以容納更多節點加入，進一步提升公鏈的?throughput?和去中心化程度。

團隊

市場經驗豐富，敘事能力超強，對動態分片研究很深。

技術

針對自己的場景設計了合適的?sharding?方案(dynamicstatesharding)和共識的設計(ProofofStakeProofofQuorum)，以提升可擴展性為第一目標，保證更高程度的去中心化和安全性。

進度

將在?2023-02-02launchbetanet，值得關注。

五、對?sharding?的思考和展望

Sharding?是以太坊擴容的長久之計，也是一個價值巨大、意義深遠的長期方案。實現?sharding?的過程中，現有所有方案都可能被不斷迭代，包括現在提到的?proto-danksharding、danksharding?等，值得持續關注；

對?sharding?大方向的理解很重要，但是每一個實現?fullsharding?過程中的提案所采納的技術方案同樣值得關注，并且我相信也會涌現很多相關的優秀團隊和項目；

Sharding?是對一種擴容技術的統稱，但具體落地的方案并不是只有一種。需要認識到不同的公鏈會有適合自己場景的?sharding?方案。比如?danksharding?中的一些設計也只適合以太坊網絡，安全性的?tradeoff?需要大量的節點來抵消；

Sharding?和其他擴容方案的合理結合對于可擴展性的提升?1?1>2?。目前的?Danksharding?并不是自成一派的擴容方案，而是和以太坊生態的其他實現相輔相成的。比如?Danksharding?和?rollup?一起，為以太坊擴容達成更好的效果。

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