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The Verge是什么?以太坊可能的未來(lái)The Verge

2024-10-24 08:02:31 | 來(lái)源: | 作者:佚名
在消費(fèi)類(lèi)筆記本電腦(包括寫(xiě)這篇文章時(shí)使用的筆記本電腦)上運(yùn)行節(jié)點(diǎn)是可能的,但要做到這一點(diǎn)卻很困難,The Verge 就是要改變這種狀況,讓完全驗(yàn)證鏈的計(jì)算成本變得低廉,讓每個(gè)手機(jī)錢(qián)包、瀏覽器錢(qián)包甚至智能手表都會(huì)默認(rèn)進(jìn)行驗(yàn)證

以太坊可能的未來(lái)The Verge!區(qū)塊鏈最強(qiáng)大的功能之一就是任何人都可以在自己的電腦上運(yùn)行一個(gè)節(jié)點(diǎn),并驗(yàn)證區(qū)塊鏈的正確性。即使 9596 個(gè)運(yùn)行鏈共識(shí)(PoW、PoS)的節(jié)點(diǎn)都立即同意更改規(guī)則,并開(kāi)始根據(jù)新規(guī)則生產(chǎn)區(qū)塊,每個(gè)運(yùn)行完全驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)的人都會(huì)拒絕接受鏈。不屬于這種陰謀集團(tuán)的造幣者會(huì)自動(dòng)匯聚到一條繼續(xù)遵循舊規(guī)則的鏈上,并繼續(xù)構(gòu)建這條鏈,而完全通過(guò)驗(yàn)證的用戶(hù)將遵循這條鏈。

這是區(qū)塊鏈與中心化系統(tǒng)的關(guān)鍵區(qū)別。然而,要使這一特性成立,運(yùn)行一個(gè)完全驗(yàn)證的節(jié)點(diǎn)需要對(duì)足夠多的人來(lái)說(shuō)確實(shí)可行。這既適用于造勢(shì)者(因?yàn)槿绻靹?shì)者不驗(yàn)證鏈,他們就沒(méi)有為執(zhí)行協(xié)議規(guī)則做出貢獻(xiàn)),也適用于普通用戶(hù)。如今,在消費(fèi)類(lèi)筆記本電腦(包括寫(xiě)這篇文章時(shí)使用的筆記本電腦)上運(yùn)行節(jié)點(diǎn)是可能的,但要做到這一點(diǎn)卻很困難。The Verge 就是要改變這種狀況,讓完全驗(yàn)證鏈的計(jì)算成本變得低廉,讓每個(gè)手機(jī)錢(qián)包、瀏覽器錢(qián)包甚至智能手表都會(huì)默認(rèn)進(jìn)行驗(yàn)證。

The Verge 2023 路線圖

最初,"Verge"指的是將以太坊狀態(tài)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)移到 Verkle 樹(shù)——一種允許更緊湊證明的樹(shù)形結(jié)構(gòu),可實(shí)現(xiàn)以太坊區(qū)塊的無(wú)狀態(tài)驗(yàn)證。節(jié)點(diǎn)可以驗(yàn)證一個(gè)以太坊區(qū)塊,而無(wú)需在其硬盤(pán)上存儲(chǔ)任何以太坊狀態(tài)(賬戶(hù)余額、合約代碼、存儲(chǔ)空間......),代價(jià)是花費(fèi)幾百 KB 的證明數(shù)據(jù)和幾百毫秒的額外時(shí)間來(lái)驗(yàn)證一個(gè)證明。如今,Verge 代表了一個(gè)更大的愿景,專(zhuān)注于實(shí)現(xiàn)以太坊鏈的最大資源效率驗(yàn)證,其中不僅包括無(wú)狀態(tài)驗(yàn)證技術(shù),還包括使用 SNARK 驗(yàn)證所有以太坊執(zhí)行。

除了對(duì) SNARK 驗(yàn)證整條鏈的長(zhǎng)期關(guān)注之外,另一個(gè)新問(wèn)題與 Verkle 樹(shù)是否是最佳技術(shù)有關(guān)。Verkle 樹(shù)容易受到量子計(jì)算機(jī)的攻擊,因此,如果我們將目前的 KECCAK Merkle Patricia 樹(shù)中的 Verkle 樹(shù),我們以后還得再次替換樹(shù)。Merkle 樹(shù)的自替代方法是直接跳過(guò)使用 Merkle 分支的 STARK,將其放入二叉樹(shù)。從歷史上看,由于開(kāi)銷(xiāo)和技術(shù)復(fù)雜性,這種方法一直被認(rèn)為是不可行的。不過(guò)最近,我們看到 Starkware 在一臺(tái)筆記本電腦上使用 ckcle STARKs 每秒證明了 170 萬(wàn)個(gè) Poseidon 哈希,而且由于 GKB 等技術(shù)的出現(xiàn),更多 "傳統(tǒng) "哈希值的證明時(shí)間也在迅速縮短。因此,在過(guò)去的一年里,"Verge"變得更加開(kāi)放,它有幾種可能性。

The Verge:關(guān)鍵目標(biāo)

  • 無(wú)狀態(tài)客戶(hù)機(jī):完全驗(yàn)證客戶(hù)機(jī)和標(biāo)記節(jié)點(diǎn)所需的存儲(chǔ)空間不應(yīng)超過(guò)幾 GB。

  • (長(zhǎng)期)在智能手表上完全驗(yàn)證鏈(共識(shí)和執(zhí)行)。下載一些數(shù)據(jù),驗(yàn)證 SNARK,完成。

在本章中

  • 無(wú)狀態(tài)客戶(hù)機(jī):Verkle 還是 STARKs

  • EVM 執(zhí)行的有效性證明

  • 共識(shí)的有效性證明

無(wú)狀態(tài)驗(yàn)證:Verkle 還是 STARKs

我們要解決什么問(wèn)題?

如今,以太坊客戶(hù)端需要存儲(chǔ)數(shù)百千兆字節(jié)的狀態(tài)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證區(qū)塊,而且這一數(shù)量每年都在增加。原始狀態(tài)數(shù)據(jù)每年增加約 30 GB,單個(gè)客戶(hù)端必須在上面存儲(chǔ)一些額外的數(shù)據(jù),才能有效地更新三元組。

這就減少了能夠運(yùn)行完全驗(yàn)證以太坊節(jié)點(diǎn)的用戶(hù)數(shù)量:盡管足以存儲(chǔ)所有以太坊狀態(tài)甚至多年歷史的大硬盤(pán)隨處可見(jiàn),但人們默認(rèn)購(gòu)買(mǎi)的電腦往往只有幾百千兆字節(jié)的存儲(chǔ)空間。狀態(tài)大小也給首次建立節(jié)點(diǎn)的過(guò)程帶來(lái)了巨大的摩擦:節(jié)點(diǎn)需要下載整個(gè)狀態(tài),這可能需要數(shù)小時(shí)或數(shù)天的時(shí)間。這會(huì)產(chǎn)生各種連鎖反應(yīng)。例如,它大大增加了節(jié)點(diǎn)制作者升級(jí)其節(jié)點(diǎn)設(shè)置的難度。從技術(shù)上講,可以在不停機(jī)的情況下完成升級(jí)——啟動(dòng)一個(gè)新客戶(hù)端,等待它同步,后關(guān)閉舊客戶(hù)端并傳輸密鑰——但在實(shí)際操作中,這在技術(shù)上非常復(fù)雜。

它如何工作?

無(wú)狀態(tài)驗(yàn)證是一種允許節(jié)點(diǎn)在不掌握整個(gè)狀態(tài)的情況下驗(yàn)證區(qū)塊的技術(shù)。取而代之的是,每個(gè)區(qū)塊都附帶一個(gè)見(jiàn)證,其中包括:(i) 該區(qū)塊將訪問(wèn)的狀態(tài)中特定位置的值、代碼、余額、存儲(chǔ); (ii) 證明這些值正確的加密證明。

實(shí)際上,實(shí)現(xiàn)無(wú)狀態(tài)驗(yàn)證需要改變以太坊的狀態(tài)樹(shù)結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)楫?dāng)前的 Merkle Patricia 樹(shù)對(duì)于實(shí)施任何加密證明方案都是極端不友好的,尤其是在最壞的情況下。無(wú)論是 "原始 "Merblk 分枝,還是"包裝"成 STARK 的可能性,都是如此。主要困難源于 MPT 的一些弱點(diǎn):

1.這是一棵六叉樹(shù)(即每個(gè)節(jié)點(diǎn)有 16 個(gè)子節(jié)點(diǎn))。這意味著,在大小為 N 的樹(shù)中,一個(gè)證明平均需要 32*( 16-1)*log 16(N) = 120* log 2(N)字節(jié),或者在 2 ^ 32 項(xiàng)的樹(shù)中大約需要 3840 字節(jié)。對(duì)于二叉樹(shù),只需要 32*( 2-1)*log 2(N) = 32* log 2(N)字節(jié),或大約 1024 字節(jié)。

2.代碼未被 Merkle 化。這意味著要證明賬戶(hù)代碼的任何訪問(wèn)權(quán)限,都需要提供整個(gè)代碼,最多為 24000 字節(jié)。

我們可以計(jì)算出最壞的情況如下:

30000000 gas / 2400 (冷賬戶(hù)閱讀成本) * (5 * 488 + 24000) = 330000000 字節(jié)

分支成本略有降低(用 5* 480 代替 8* 480),因?yàn)楫?dāng)分支較多時(shí),其頂端部分會(huì)重復(fù)出現(xiàn)。但即便如此,在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)要下載的數(shù)據(jù)量也是完全不現(xiàn)實(shí)的。如果我們嘗試用 STARK 來(lái)封裝它,就會(huì)遇到兩個(gè)問(wèn)題:(i) KECCAK 對(duì) STARK 相對(duì)不友好;(ii) 330 MB 的數(shù)據(jù)意味著我們必須證明對(duì) KECCAK round 函數(shù)的 500 萬(wàn)次調(diào)用,這對(duì)于除了最強(qiáng)大的消費(fèi)級(jí)硬件之外的所有硬件來(lái)說(shuō),都可能證明不了,即使我們能讓 STARK 證明 KECCAK 的效率更高。

如果我們直接用二叉樹(shù)代替十六進(jìn)制樹(shù),并對(duì)代碼進(jìn)行額外的 Merkle 化處理,那么最壞的情況大致會(huì)變成 30000000/2400* 32*( 32-14+ 8) = 10400000 字節(jié)(14 是對(duì) 2 ^ 14 分支的冗余位進(jìn)行的減法,而 8 則是進(jìn)入代碼塊中葉的證明的長(zhǎng)度)。需要注意的是,這需要改變 gas 成本,對(duì)訪問(wèn)每個(gè)單獨(dú)的代碼塊收費(fèi);EIP-4762 就是這么做的。10.4 MB 的容量要好得多,但對(duì)于許多節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō),在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)下載的數(shù)據(jù)還是太多了 。因此,我們需要引入更強(qiáng)大的技術(shù)。在這方面,有兩種領(lǐng)先的解決方案:Verkle 樹(shù)和 STARKed 二進(jìn)制哈希樹(shù)。

Verkle 樹(shù)

Verkle 樹(shù)使用基于橢圓曲線的矢量承諾來(lái)進(jìn)行更短的證明。解鎖的關(guān)鍵在于,無(wú)論樹(shù)的寬度如何,每個(gè)父子關(guān)系對(duì)應(yīng)的證明部分都只有 32 字節(jié)。證明樹(shù)寬度的唯一限制是,如果證明樹(shù)過(guò)寬 ,證明的計(jì)算效率就會(huì)降低。為以太坊提出的實(shí)現(xiàn)方案寬度為 256 。

因此,證明中單個(gè)分支的大小變?yōu)?32 - 1 og 256(N) = 4* log 2(N)字節(jié)。因此,理論上的最大證明大小大致為 30000000 / 2400 * 32* ( 32 -14 + 8) / 8 = 130000 字節(jié)(由于狀態(tài)塊的分布不均勻,實(shí)際計(jì)算結(jié)果略有不同, 但作為第一近似值是可以的)。

另外需要注意的是,在上述所有示例中,這種 "最壞情況 "并不是最壞情況:更壞的情況是攻擊者故意"挖掘"兩個(gè)地址,使其在樹(shù)中具有較長(zhǎng)的共同前綴,并從其中一個(gè)地址讀取數(shù)據(jù),這可能會(huì)將最壞情況下的分支長(zhǎng)度再延長(zhǎng) 2 倍。但即使有這樣的情況,Verkle 樹(shù)的最壞證明長(zhǎng)度為 2.6 MB,與目前最壞情況下的校驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合。

我們還利用這一注意事項(xiàng)做了另一件事:我們讓訪問(wèn) "相鄰 "存儲(chǔ)空間的成本變得非常低廉:要么是相同合同的許多代碼塊,要么是相鄰的存儲(chǔ)槽。EIP - 4762 提供了鄰接的定義,對(duì)鄰接訪問(wèn)只收取 200 gas 費(fèi)。在相鄰訪問(wèn)的情況下,最壞情況下的證明大小變?yōu)?30000000 / 200* 32 - 4800800 字節(jié),這仍大致在公差范圍內(nèi)。如果為了安全起見(jiàn),我們希望減少這個(gè)值,可以稍微增加相鄰訪問(wèn)的費(fèi)用。

STARKed 二進(jìn)制哈希樹(shù)

這項(xiàng)技術(shù)的原理不言自明:你只需做一棵二叉樹(shù),獲取最大 10.4 MB 的證明,證明塊中的值,后用證明的 STARK 代替證明。這樣,證明本身就只包含被證明的數(shù)據(jù),再加上來(lái)自實(shí)際 STARK 的 100-300 kB 固定開(kāi)銷(xiāo)。

這里的主要挑戰(zhàn)是驗(yàn)證時(shí)間。我們可以進(jìn)行與上述基本相同的計(jì)算,只不過(guò)我們計(jì)算的不是字節(jié)數(shù),而是哈希值。一個(gè) 10.4 MB 的區(qū)塊意味著 330000 個(gè)哈希值。如果再加上攻擊者 "挖掘 "地址樹(shù)中具有較長(zhǎng)公共前綴的可能性,那么最壞情況下的哈希值將達(dá)到約 660000 哈希值。因此,如果我們能證明每秒的哈希值為 200, 000 ,那就沒(méi)問(wèn)題了。

在使用 Poseidon 哈希函數(shù)的消費(fèi)類(lèi)筆記本電腦上,這些數(shù)字已經(jīng)達(dá)到,而 Poseidon 哈希函數(shù)是專(zhuān)門(mén)為 STARK 友好性而設(shè)計(jì)的。但是,Poseidon 系統(tǒng)還相對(duì)不成熟,因此很多人還不信任它的安全性。因此,有兩條現(xiàn)實(shí)的前進(jìn)道路:

  • 快速對(duì) Poseidon 進(jìn)行大量安全分析,并對(duì)其足夠熟悉,以便在L1進(jìn)行部署

  • 使用更 "保守 "的哈希函數(shù),如 SHA 256 或 BLAKE

如果要證明保守的哈希函數(shù),Starkware 的 STARK 圈在撰寫(xiě)本文時(shí)只能在消費(fèi)類(lèi)筆記本電腦上每秒證明 10-30 k 哈希值。不過(guò),STARK 技術(shù)正在迅速改進(jìn)。即使在今天,基于 GKR 的技術(shù)也顯示出將這一速度提高到 100-2 O 0 k 范圍。

除驗(yàn)證區(qū)塊外的見(jiàn)證使用案例

除了驗(yàn)證區(qū)塊外,還有其他三個(gè)關(guān)鍵用例需要更高效的無(wú)狀態(tài)驗(yàn)證:

  • 內(nèi)存池:當(dāng)交易被廣播時(shí),P2P網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)需要在重新廣播之前驗(yàn)證交易是否有效。如今驗(yàn)證包括驗(yàn)證簽名,還包括檢查余額是否充足和前綴是否正確。在未來(lái)(例如,使用原生賬戶(hù)抽象,如 EIP-7701 ,這可能會(huì)涉及運(yùn)行一些 EVM 代碼,這些代碼會(huì)進(jìn)行一些狀態(tài)訪問(wèn)。如果節(jié)點(diǎn)是無(wú)狀態(tài)的,則交易需要附帶證明狀態(tài)對(duì)象的證明。

  • 包含列表:這是一個(gè)提議的功能,允許(可能規(guī)模較小且不復(fù)雜的)權(quán)益證明驗(yàn)證者強(qiáng)制下一個(gè)區(qū)塊包含交易,而不管(可能規(guī)模較大且復(fù)雜的)區(qū)塊構(gòu)建者的意愿。這將削弱有權(quán)勢(shì)者通過(guò)延遲交易來(lái)操縱區(qū)塊鏈的能力。不過(guò),這需要驗(yàn)證者有辦法驗(yàn)證包含列表中交易的有效性。

  • 輕客戶(hù)端:如果我們希望用戶(hù)通過(guò)錢(qián)包訪問(wèn)鏈(如 Metamask、Rainbow、Rabby 等),要做到這一點(diǎn),他們需要運(yùn)行輕型客戶(hù)端(如 Helios).Helios 核心模塊為用戶(hù)提供經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的狀態(tài)根。而為了獲得完全無(wú)信任的體驗(yàn),用戶(hù)需要為他們所做的每個(gè) RPC 調(diào)用提供證明(例如,對(duì)于以太網(wǎng)調(diào)用請(qǐng)求(用戶(hù)需要證明在調(diào)用過(guò)程中訪問(wèn)的所有狀態(tài))。

所有這些用例都有一個(gè)共同點(diǎn),那就是它們需要相當(dāng)多的證明,但每個(gè)證明都很小。因此,STARK 證明對(duì)它們并沒(méi)有實(shí)際意義;相反,最現(xiàn)實(shí)的做法是直接使用 Merkle 分支。Merkle 分支的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可更新:給定一個(gè)以區(qū)塊 B 為根的狀態(tài)對(duì)象 X 的證明,如果收到一個(gè)子區(qū)塊 B 2 及其見(jiàn)證,就可以更新證明,使其以區(qū)塊 B 2 為根。Verkle 證明也是原生可更新的。

與現(xiàn)有研究有哪些聯(lián)系:

還能做些什么?

剩下的主要工作是

1.關(guān)于 EIP-4762 后果的更多分析(無(wú)狀態(tài) gas 成本變化)

2.完成和測(cè)試過(guò)渡程序的更多工作,這是任何無(wú)國(guó)籍環(huán)境實(shí)施方案復(fù)雜性的主要部分

3.對(duì) Poseidon、Ajtai 和其他"STARK-friendly "哈希函數(shù)的更多安全分析

4.為 "保守"(或 "傳統(tǒng)")哈希進(jìn)一步開(kāi)發(fā)超高效 STARK 協(xié)議功能,例如基于 Binius 或 GKR 的觀點(diǎn)。

此外,我們很快就會(huì)決定從以下三個(gè)選項(xiàng)中選擇一個(gè):(i) Verkle 樹(shù),(ii) STARK 友好哈希函數(shù)以及(iii)保守哈希函數(shù)。它們的特性可大致歸納在下表中:

除了這些 "標(biāo)題數(shù)字",還有其他一些重要的考慮因素:

  • 如今,Verkle 樹(shù)代碼已經(jīng)相當(dāng)成熟。除了 Verkle 之外,使用其他任何代碼都會(huì)推遲部署,很可能會(huì)推遲一個(gè)硬分叉。這也沒(méi)有關(guān)系,尤其是如果我們需要額外的時(shí)間來(lái)進(jìn)行哈希函數(shù)分析或驗(yàn)證器實(shí)現(xiàn),或者我們有其他重要的功能想要更早地納入以太坊。

  • 使用哈希值更新?tīng)顟B(tài)根比使用 Verkle 樹(shù)更快。這意味著基于哈希值的方法可以降低全節(jié)點(diǎn)的同步時(shí)間。

  • Verkle 樹(shù)具有有趣的見(jiàn)證更新屬性——Verkle 樹(shù)見(jiàn)證是可更新的。這個(gè)屬性對(duì) mempool、包含列表和其他用例都很有用,而且還可能有助于提高實(shí)現(xiàn)效率:如果更新了狀態(tài)對(duì)象,就可以更新倒數(shù)第二層的見(jiàn)證,而無(wú)需讀取最后一層的內(nèi)容。

  • Verkle 樹(shù)更難進(jìn)行 SNARK 證明。如果我們想把證明大小一直減小到幾千字節(jié),Verkle 證明就會(huì)帶來(lái)一些困難。這是因?yàn)?Verkle 證明的驗(yàn)證引入了大量 256 位操作,這就要求證明系統(tǒng)要么有大量開(kāi)銷(xiāo),要么本身有一個(gè)定制的內(nèi)部結(jié)構(gòu),其中包含 256 位的 Verkle 證明部分。這對(duì)無(wú)狀態(tài)本身不是問(wèn)題,但會(huì)帶來(lái)更多困難。

如果我們想以量子安全且合理高效的方式獲得 Verkle 見(jiàn)證可更新性,另一種可能的途徑是基于 lattice 的 Merkle 樹(shù)。

如果在最壞的情況下,證明系統(tǒng)的效率不夠高,那么我們還可以利用多維 gas 這意料之外的工具來(lái)彌補(bǔ)這種不足:為(i) calldata;(ii)計(jì)算;(iii)狀態(tài)訪問(wèn)以及可能的其他不同資源設(shè)定單獨(dú)的 gas 限制。多維 gas 增加了復(fù)雜性,但作為交換,它更嚴(yán)格地限制了平均情況和最壞情況之間的比率。有了多維 gas,理論上需要證明的最大分支數(shù)可能會(huì)從 12500 減少到例如 3000 。這將使 BLAKE 3 即使在今天也(勉強(qiáng))夠用。

多維 gas 允許區(qū)塊的資源限制更接近于底層硬件的資源限制

另一個(gè)意料之外的工具是將狀態(tài)根計(jì)算延遲到區(qū)塊之后的時(shí)隙。這樣,我們就有整整 12 秒的時(shí)間來(lái)計(jì)算狀態(tài)根,這意味著即使在最極端的情況下,每秒也只有 60000 哈希數(shù)的證明時(shí)間是足夠的,這再次讓我們認(rèn)為 BLAKE 3 只能勉強(qiáng)滿(mǎn)足要求。

這種方法的缺點(diǎn)是會(huì)增加一個(gè)時(shí)隙的輕客戶(hù)端延遲,不過(guò)也有更巧妙的技術(shù)可以將這種延遲減少到僅為證明生成延遲。例如,證明可以在任何節(jié)點(diǎn)生成后立即在網(wǎng)絡(luò)上廣播,而不 是等待下一個(gè)區(qū)塊。

它與路線圖的其他部分如何互動(dòng)?

解決無(wú)狀態(tài)問(wèn)題大大提高了單人定點(diǎn)的難度。如果有技術(shù)能降低單人定點(diǎn)的最低平衡,如 Orbit SSF 或應(yīng)用層策略,如小隊(duì)定點(diǎn),這將變得更可行。

如果同時(shí)引入 EOF,多維 gas 分析就會(huì)變得更加容易。這是因?yàn)槎嗑S gas 最主要的執(zhí)行復(fù)雜度來(lái)源于處理不傳遞父調(diào)用全部 gas 的子調(diào)用,而 EOF 只需將此類(lèi)子調(diào)用設(shè)為非法,就可將這一問(wèn)題變得微不足道(和本機(jī)帳戶(hù)抽象將為部分 gas 的當(dāng)前主要使用情況提供一個(gè)協(xié)議內(nèi)替代方案。

無(wú)狀態(tài)驗(yàn)證和歷史過(guò)期之間還有一個(gè)重要的協(xié)同作用。如今,客戶(hù)端必須存儲(chǔ)近 1 TB 的歷史數(shù)據(jù);這些數(shù)據(jù)是狀態(tài)數(shù)據(jù)的數(shù)倍。即使客戶(hù)機(jī)是無(wú)狀態(tài)的,除非我們能解除客戶(hù)機(jī)存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)的責(zé)任,否則幾乎無(wú)存儲(chǔ)客戶(hù)機(jī)的夢(mèng)想將無(wú)法實(shí)現(xiàn)。這方面的第一步是 EIP-4444 ,這也意味著將歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在 torrents 或門(mén)戶(hù)網(wǎng)站 Portal Network 中。

EVM 執(zhí)行的有效性證明

我們要解決什么問(wèn)題?

以太坊區(qū)塊驗(yàn)證的長(zhǎng)期目標(biāo)很明確——應(yīng)該能夠通過(guò)以下方式驗(yàn)證以太坊區(qū)塊:(i)下載區(qū)塊,或者甚至只下載區(qū)塊中數(shù)據(jù)可用性采樣的一小部分;(ii)驗(yàn)證區(qū)塊有效的一個(gè)小證明。這將是一個(gè)資源占用極低的操作,可以在移動(dòng)客戶(hù)端、瀏覽器錢(qián)包中完成,甚至可以在另一個(gè)鏈中完成(沒(méi)有數(shù)據(jù)可用性部分)。

要達(dá)到這一點(diǎn),需要對(duì)(i)共識(shí)層(即股權(quán)證明)和(ii)執(zhí)行層(即 EVM)進(jìn)行 SNARK 或 STARK 證明。前者本身就是一個(gè)挑戰(zhàn),應(yīng)該在進(jìn)一步不斷改進(jìn)共識(shí)層的過(guò)程中加以解決(例如,針對(duì)單槽終局性)。后者需要 EVM 執(zhí)行證明。

它是什么,如何運(yùn)作?

從形式上看,在以太坊規(guī)范中,EVM 被定義為一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù):你有一些前狀態(tài) S,一個(gè)區(qū)塊 B,你正在計(jì)算一個(gè)后狀態(tài) S' = STF(S,B)。如果用戶(hù)使用的是輕客戶(hù)端,他們并不完整地?fù)碛?S 和 S',甚至 E;相反,他們擁有一個(gè)前狀態(tài)根 R,一個(gè)后狀態(tài)根 R'和一個(gè)區(qū)塊哈希值 H。

  • 公共輸入:前狀態(tài)根 R, 后狀態(tài)根 R' , 塊哈希 H

  • 私人輸入:程序塊主體 B、程序塊 Q 訪問(wèn)的狀態(tài)中的對(duì)象、執(zhí)行程序塊 Q'后的相同對(duì)象、狀態(tài)證明(如 Merkle 分支)P

  • 主張 1 :P 是一個(gè)有效的證明,證明 Q 包含 R 所代表的狀態(tài)的某些部分

  • 主張 2 :如果在 Q 上運(yùn)行 STF,(i) 執(zhí)行過(guò)程只訪問(wèn) Q 內(nèi)部的對(duì)象,(ii) 數(shù)據(jù)塊是有效的,(iii) 結(jié)果是 Q'

  • 主張 3 :如果利用 Q' 和 P 的信息重新計(jì)算新的狀態(tài)根,就會(huì)得到 R'

如果存在這種情況,就可以擁有一個(gè)完全驗(yàn)證以太坊 EVM 執(zhí)行的輕型客戶(hù)端。這使得客戶(hù)端的資源已經(jīng)相當(dāng)?shù)?。要?shí)現(xiàn)真正的完全驗(yàn)證以太坊客戶(hù)端,還需要在共識(shí)方面做同樣的工作。

用于 EVM 計(jì)算的有效性證明的實(shí)現(xiàn)已經(jīng)存在,并被L2大量使用。而要使 EVM 有效性證明在L1中可行,還有很多工作要做。

與現(xiàn)有研究有哪些聯(lián)系?

還能做些什么?

如今,電子記賬系統(tǒng)的有效性證明在兩個(gè)方面存在不足:安全性和驗(yàn)證時(shí)間。

一個(gè)安全的有效性證明需要保證 SNARK 確實(shí)驗(yàn)證了 EVM 的計(jì)算,并且不存在漏洞。提高安全性的兩種主要技術(shù)是多驗(yàn)證器和形式驗(yàn)證。多驗(yàn)證器指的是有多個(gè)獨(dú)立編寫(xiě)的有效性證明實(shí)現(xiàn),就像有多個(gè)客戶(hù)端一樣,如果一個(gè)區(qū)塊被這些實(shí)現(xiàn)中的一個(gè)足夠大的子集證明,客戶(hù)端就會(huì)接受該區(qū)塊。形式驗(yàn)證涉及使用通常用于證明數(shù)學(xué)定理的工具,如 Lean 4 ,以證明有效性證明只接受正確執(zhí)行底層 EVM 規(guī)范(例如 EVM K 語(yǔ)義或用 python 編寫(xiě)的以太坊執(zhí)行層規(guī)范 (EELS))。

足夠快的驗(yàn)證時(shí)間意味著任何以太坊區(qū)塊都能在不到 4 秒的時(shí)間內(nèi)得到驗(yàn)證。今天,我們離這個(gè)目標(biāo)還很遙遠(yuǎn),盡管我們已經(jīng)比兩年前想象的要接近得多。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),我們需要在三個(gè)方向上取得進(jìn)展:

  • 并行化——目前最快的 EVM 校驗(yàn)器平均可在 15 秒內(nèi)證明一個(gè)以太坊區(qū)塊。它是通過(guò)在數(shù)百個(gè) GPU 之間進(jìn)行并行化,后在最后將它們的工作匯總在一起來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的。從理論上講,我們完全知道如何制造一個(gè)能在 O(log(N))時(shí)間內(nèi)證明計(jì)算的 EVM 驗(yàn)證器:讓一個(gè) GPU 完成每一步,后做一個(gè) "聚合樹(shù)":

實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)存在挑戰(zhàn)。即使是在最壞的情況下,即一個(gè)非常大的事務(wù)占用了整個(gè)區(qū)塊,計(jì)算的分割也不能按次進(jìn)行,而必須按操作碼(EVM 或 RISC-V 等底層虛擬機(jī)的操作碼)進(jìn)行。要確保虛擬機(jī)的"內(nèi)存"在證明的不同部分之間保持一致,是實(shí)施過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。不過(guò),如果我們能實(shí)現(xiàn)這種遞歸證明,那么我們知道,即使在其他方面沒(méi)有任何改進(jìn),至少證明者的延遲問(wèn)題已經(jīng)解決了。

  • 證明系統(tǒng)優(yōu)化--新的證明系統(tǒng),如 Orion、Binius、GRK 以及其他更多信息,很可能會(huì)導(dǎo)致又一次大大縮短了通用計(jì)算的驗(yàn)證時(shí)間。

  • EVM gas 成本的其他變化——EVM 中的許多東西都可以?xún)?yōu)化,使其更有利于證明者,尤其是在最壞的情況下。如果攻擊者可以構(gòu)建一個(gè)阻塞證明者十分鐘時(shí)間的區(qū)塊,那么僅能在 4 秒內(nèi)證明一個(gè)普通的以太坊區(qū)塊是不夠的。所需的 EVM 更改可大致分為以下幾類(lèi):

- gas 成本的變化——如果一個(gè)操作需要很長(zhǎng)時(shí)間才能證明,那么即使它的計(jì)算速度相對(duì)較快,也應(yīng)該有很高的 gas 成本。EIP-7667 是為處理這方面最嚴(yán)重的問(wèn)題而提出的一個(gè) EIP:它大大增加了(傳統(tǒng))哈希函數(shù)的 gas 成本,因?yàn)檫@些函數(shù)的操作碼和預(yù)編譯相對(duì)便宜。為了彌補(bǔ)這些 gas 成本的增加,我們可以降低證明成本相對(duì)較低的 EVM 操作碼的 gas 成本,從而保持平均吞吐量不變。

- 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)替換——除了用對(duì) STARK 更友好的方法替換狀態(tài)樹(shù)外,我們還需要替換事務(wù)列表、收據(jù)樹(shù)和其他證明成本高昂的結(jié)構(gòu)。Etan Kissling 將事務(wù)和收據(jù)結(jié)構(gòu)移至 SSZ 的 EIP 就是朝著這個(gè)方向邁出的一步。

除此之外,上一節(jié)提到的兩個(gè)工具(多維 gas 和延遲狀態(tài)根)也能在這方面提供幫助。不過(guò),值得注意的是,與無(wú)狀態(tài)驗(yàn)證不同的是,使用這兩個(gè)工具意味著我們已經(jīng)擁有了足夠的技術(shù)來(lái)完成我們目前所需的工作,而即使使用了這些技術(shù),完整的 ZK-EVM 驗(yàn)證也需要更多的工作——只是需要的工作更少而已。

上文沒(méi)有提到的一點(diǎn)是證明器硬件:使用 GPU、FPGA 和 ASIC 更快地生成證明。Fabric Cryptography、Cysic 和 Accseal 是三家在這方面取得進(jìn)展的公司。這對(duì)L2來(lái)說(shuō)非常有價(jià)值,但不太可能成為L(zhǎng)1的決定性考慮因素,因?yàn)槿藗儚?qiáng)烈希望L1保持高度去中心化,這意味著證明生成必須在以太坊用戶(hù)的合理范圍內(nèi),而不應(yīng)受到單個(gè)公司硬件的瓶頸限制。L2可以做出更積極的權(quán)衡。

在這些領(lǐng)域中,還有更多的工作要做:

  • 并行化證明要求證明系統(tǒng)的不同部分可以 "共享內(nèi)存"(如查找表)。我們知道這樣做的技術(shù),但需要加以實(shí)現(xiàn)。

  • 我們需要進(jìn)行更多的分析,以找出理想的 gas 成本變化集,從而最大限度地減少最壞情況下的驗(yàn)證時(shí)間。

  • 我們需要在證明系統(tǒng)方面做更多的工作

可能的代價(jià)是:

  • 安全性與驗(yàn)證器時(shí)間:如果選擇更激進(jìn)的哈希函數(shù)、更復(fù)雜的證明系統(tǒng)或更激進(jìn)的安全假設(shè)或其他設(shè)計(jì)方案,就有可能縮短驗(yàn)證器時(shí)間。

  • 去中心化與證明器時(shí)間:社區(qū)需要就所針對(duì)的證明器硬件的 “規(guī)格 ”達(dá)成一致。要求證明者是大規(guī)模實(shí)體可以嗎?我們希望高端消費(fèi)筆記本電腦能在 4 秒內(nèi)證明一個(gè)以太坊區(qū)塊嗎?介于兩者之間?

  • 打破向后兼容性的程度:其他方面的不足可以通過(guò)更積極的 gas 成本變化來(lái)彌補(bǔ),但這更有可能不成比例地增加某些應(yīng)用程序的成本,迫使開(kāi)發(fā)人員重寫(xiě)和重新部署代碼,以保持經(jīng)濟(jì)可行性。同樣,這兩個(gè)工具也有其自身的復(fù)雜性和弊端。

它與路線圖的其他部分如何互動(dòng)?

實(shí)現(xiàn)L1 EVM 有效性證明所需的核心技術(shù)在很大程度上與其他兩個(gè)領(lǐng)域共享:

  • L2的有效性證明(即 "ZK rollup")

  • 無(wú)狀態(tài)的 "STARK 二進(jìn)制哈希證明 "方法

在L1成功實(shí)現(xiàn)有效性證明,就能最終實(shí)現(xiàn)輕松的單人質(zhì)押:即使是最弱的計(jì)算機(jī)(包括手 機(jī)或智能手表)也能質(zhì)押。這進(jìn)一步提高了解決單人質(zhì)押的其他限制(如 32 ETH 最低限額)的價(jià)值。

此外,L1的 EVM 有效性證明可以大大提高L1的 gas 限值。

共識(shí)的有效性證明

我們要解決什么問(wèn)題?

如果我們想用 SNARK 完全驗(yàn)證一個(gè)以太坊區(qū)塊,那么 EVM 的執(zhí)行并不是我們需要證明的唯一部分。我們還需要證明共識(shí),即系統(tǒng)中處理存款、取款、簽名、驗(yàn)證器余額更新以及以太坊權(quán)益證明部分其他元素的部分。

共識(shí)比 EVM 簡(jiǎn)單得多,但它面臨的挑戰(zhàn)是,我們沒(méi)有L2 EVM 卷積,因此無(wú)論如何,大部分工作都要完成。因此,任何證明以太坊共識(shí)的實(shí)現(xiàn)都需要 "從頭開(kāi)始",盡管證明系統(tǒng)本身是可以在其基礎(chǔ)上構(gòu)建的共享工作。

它是什么,如何工作?

信標(biāo)鏈被定義為狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù),就像 EVM 一樣。狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)主要由三部分組成:

  • ECADD(用于驗(yàn)證 BLS 簽名)

  • 配對(duì)(用于驗(yàn)證 BLS 簽名)

  • SHA 256 哈希值(用于讀取和更新?tīng)顟B(tài))

在每個(gè)區(qū)塊中,我們需要為每個(gè)驗(yàn)證器證明 1-16 個(gè) BLS 12-381 ECADD(可能不止一個(gè),因?yàn)楹灻赡馨诙鄠€(gè)集合中)。這可以通過(guò)子集預(yù)計(jì)算技術(shù)來(lái)彌補(bǔ),因此我們可以說(shuō)每個(gè)驗(yàn)證者只需證明一個(gè) BLS 12-381 ECADD。目前,每個(gè)插槽有 30000 個(gè)驗(yàn)證器簽名。未來(lái),隨著單時(shí)隙終局性的實(shí)現(xiàn),這種情況可能會(huì)向兩個(gè)方向發(fā)生變化:如果我們采取 "蠻力"路線,每個(gè)時(shí)隙的驗(yàn)證者數(shù)量可能會(huì)增加到 100 萬(wàn)。與此同時(shí),如果采用 Orbit SSF,驗(yàn)證器數(shù)量將保持在 32768 個(gè),甚至減少到 8192 個(gè)。

BLS 聚合如何工作:驗(yàn)證總簽名只需要每個(gè)參與者一個(gè) ECADD,而不是一個(gè) ECMUL。但是 30000 個(gè) ECADD 仍然是一個(gè)很大的證明量。

就配對(duì)而言,目前每個(gè)插槽最多有 128 個(gè)證明,這意味著需要驗(yàn)證 128 個(gè)配對(duì)。通過(guò) ElP-7549 和進(jìn)一步的修改,每個(gè)插槽可以減少到 16 個(gè)。配對(duì)的數(shù)量很少,但成本極高:每個(gè)配對(duì)的運(yùn)行(或證明)時(shí)間比 ECADD 長(zhǎng)數(shù)千倍。

證明 BLS 12-381 運(yùn)算的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是,沒(méi)有曲線階數(shù)等于 BLS 12-381 字段大小的便捷曲線,這給任何證明系統(tǒng)都增加了相當(dāng)大的開(kāi)銷(xiāo)。另一方面,為以太坊提出的 Verkle 樹(shù)是用 Bandersnatch 曲線構(gòu)建的,這使得 BLS 12-381 本身成為 SNARK 系統(tǒng)中用于證明 Verkle 分支的自曲線。一個(gè)比較簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)每秒可以證明 100 G 1 的加法;要使證明速度足夠快,幾乎肯定需要像 GKR 這樣的巧妙技術(shù)。

對(duì)于 SHA 256 哈希值來(lái)說(shuō),目前最糟糕的情況是紀(jì) 元轉(zhuǎn)換塊,整個(gè)驗(yàn)證器短平衡樹(shù)和大量驗(yàn)證器平衡都會(huì)被更新。每個(gè)驗(yàn)證器的短平衡樹(shù)只有一個(gè)字節(jié),因此有 1 MB 的數(shù)據(jù)會(huì)被重新取哈希。這相當(dāng)于 32768 次 SHA 256 調(diào)用。如果有一千個(gè)驗(yàn)證者的余額高于或低于一個(gè)閾值,需要更新驗(yàn)證者記錄中的有效余額,這相當(dāng)于一千個(gè) Merkle 分支,因此可能需要一萬(wàn)次哈希值。洗牌機(jī)制需要每個(gè)驗(yàn)證器 90 比特(因此需要 11 MB 的數(shù)據(jù)),但這可以在一個(gè)紀(jì) 元的任何時(shí)間計(jì)算。在單槽終結(jié)的情況下,這些數(shù)字可能會(huì)根據(jù)具體情況有所增減。洗牌變得沒(méi)有必要,盡管 Orbit 可能會(huì)在一定程度上恢復(fù)這種需要。

另一個(gè)挑戰(zhàn)是需要重新獲取所有驗(yàn)證器狀態(tài),包括公鑰,才能驗(yàn)證一個(gè)區(qū)塊。對(duì)于 100 萬(wàn)個(gè)驗(yàn)證器來(lái)說(shuō),僅讀取公鑰就需要 4800 萬(wàn)字節(jié),再加上 Merkle 分支。這就需要每個(gè)紀(jì) 元數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的哈希值。如果我們必須證明 PoS 的有效性,一種現(xiàn)實(shí)的方法是某種形式的增量可驗(yàn)證計(jì)算:在證明系統(tǒng)內(nèi)存儲(chǔ)一個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)優(yōu)化,可以高效查找,并證明對(duì)該結(jié)構(gòu)的更新。

總之,挑戰(zhàn)很多。要最有效地應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn),很可能需要對(duì)信標(biāo)鏈進(jìn)行深入的重新設(shè)計(jì),而這可能與轉(zhuǎn)向單槽終結(jié)同時(shí)進(jìn)行。這種重新設(shè)計(jì)的特點(diǎn)可能包括:

  • 哈希函數(shù)的變化:現(xiàn)在使用的是 "完整 "的 SHA 256 哈希函數(shù),因此由于填充的原因,每次調(diào)用都要對(duì)應(yīng)兩次底層壓縮函數(shù)調(diào)用。如果改用 SHA 256 壓縮函數(shù),我們至少可以獲得 2 倍的收益。如果改用 Poseidon,我們可能會(huì)獲得 100 倍的增益,從而徹底解決我們的所有問(wèn)題(至少在哈希值方面):在每秒 170 萬(wàn)哈希值(54 MB),即使是一百萬(wàn)條驗(yàn)證記錄也能在幾秒鐘內(nèi) "讀取 "到證明中。

  • 如果是 Orbit,則直接存儲(chǔ)洗牌后的驗(yàn)證器記錄:如果選擇一定數(shù)量的驗(yàn)證器(如 8192 或 32768 個(gè))作為給定插槽的委員會(huì),則將它們直接放入彼此旁邊的狀態(tài)中,這樣只需最少的哈希就能將所有驗(yàn)證器的公鑰讀入證明中。這樣還可以高效地完成所有平衡更新。

  • 簽名聚合:任何高性能簽名聚合方案都會(huì)涉及某種遞歸證明,網(wǎng)絡(luò)中的不同節(jié)點(diǎn)會(huì)對(duì)簽名子集進(jìn)行中間證明。這就自然而然地將證明工作分擔(dān)給了網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)節(jié)點(diǎn),從而大大減少了 "最終證明者 "的工作量。

  • 其他簽名方案:對(duì)于 Lamport+ Merkle 簽名 ,我們需要 256 + 32 個(gè)哈希值來(lái)驗(yàn)證簽名;乘以 32768 個(gè)簽名者,就得到 9437184 個(gè)哈希值。對(duì)簽名方案進(jìn)行優(yōu)化后,可以通過(guò)一個(gè)很小的常數(shù)因子進(jìn)一步改善這一結(jié)果。如果我們使用 Poseidon,這在單個(gè)插槽內(nèi)就能證明。但實(shí)際上,使用遞歸聚合方案會(huì)更快。

與現(xiàn)有研究有哪些聯(lián)系?

還有哪些工作要做,如何取舍:

實(shí)際上,我們需要數(shù)年時(shí)間才能獲得以太坊共識(shí)的有效性證明。這與我們實(shí)現(xiàn)單槽終局性、Orbit、修改簽名算法以及安全分析所需的時(shí)間大致相同,而安全分析需要足夠的信心才能使用像 Poseidon 這樣 "激進(jìn) "的哈希函數(shù)。因此,最明智的做法是解決這些其他問(wèn)題,并在解決這些問(wèn)題的同時(shí)考慮到 STARK 的友好性。

主要的權(quán)衡很可能是在操作順序上,在改革以太坊共識(shí)層的更漸進(jìn)的方法和更激進(jìn)的 "一次改變?cè)S多 "的方法之間。對(duì)于 EVM 來(lái)說(shuō),漸進(jìn)式方法是合理的,因?yàn)樗茏畲笙薅鹊販p少對(duì)向后兼容性的干擾。對(duì)共識(shí)層來(lái)說(shuō),向后兼容性的影響較小,而且對(duì)信標(biāo)鏈構(gòu)建方式的各種細(xì)節(jié)進(jìn)行更 "全面 "的重新思考,以最佳方式優(yōu)化 SNARK 友好性也有好處。

它與路線圖的其他部分如何互動(dòng)?

在對(duì)以太坊 PoS 進(jìn)行長(zhǎng)期重新設(shè)計(jì)時(shí),STARK 友好性必須成為首要考慮因素,尤其是單槽終局性、Orbit、簽名方案變更和簽名聚合。 

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    ChainCatcher消息,據(jù)Coinglass數(shù)據(jù),過(guò)去24小時(shí)全網(wǎng)爆倉(cāng)1.40億美元,多單爆倉(cāng)4236.83萬(wàn)美元,空單爆倉(cāng)9744.83萬(wàn)美元。其中比特幣多單爆倉(cāng)616.75萬(wàn)美元,比特幣空單爆倉(cāng)1798.87萬(wàn)美元,以太坊多單爆倉(cāng)801.55萬(wàn)美元,以太坊空單爆倉(cāng)3802.75萬(wàn)美元。此外,最近24小時(shí),全球共有65907人被爆倉(cāng),最大單筆爆倉(cāng)單發(fā)生在Binance-BTCUSDT價(jià)值194.60萬(wàn)美元。
  • 數(shù)據(jù):疑似Arthapala地址過(guò)去1小時(shí)再次將3610枚ETH轉(zhuǎn)入CEX

    2025-07-09 15:59
    ChainCatcher消息,據(jù)鏈上分析師Ai姨監(jiān)測(cè),疑似質(zhì)押和驗(yàn)證服務(wù)商Arthapala地址過(guò)去1小時(shí)再次將3610枚ETH充值進(jìn)Bybit和OKX,價(jià)值949萬(wàn)美元。
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