Vitalik分析：如何讓5年后的以太坊變得像比特幣一樣簡單
太坊旨在成為全球賬本，需要可擴展性和韌性。本文聚焦協(xié)議簡單性的重要性，提出通過簡化共識層（3-slot 最終性、STARK 聚合）和執(zhí)行層（替換 EVM 為 RISC-V 或類似虛擬機）大幅降低復雜性，減少開發(fā)成本、錯誤風險和攻擊面。建議通過向后兼容策略（如鏈上 EVM 解釋器）平滑過渡，并統(tǒng)一糾刪碼、序列化格式（SSZ）和樹結構以進一步簡化。目標是讓以太坊共識關鍵代碼接近比特幣的簡單性，提升韌性和參與度，需文化上重視簡單性并設定最大代碼行數(shù)目標。
Fusaka 硬分叉計劃將 L2 數(shù)據(jù)的可用空間增加 10 倍，而當前提議的 2026 年路線圖也計劃為 L1 層帶來類似的大幅提升。與此同時，以太坊已完成向權益證明（PoS）的過渡，客戶端多樣性迅速提升，零知識（ZK）驗證、量子抗性研究也在穩(wěn)步推進，應用生態(tài)日益穩(wěn)健。
本文旨在聚焦一個同樣重要卻易被低估的韌性（乃至可擴展性）要素：協(xié)議的簡單性。
比特幣協(xié)議最令人贊嘆之處在于其優(yōu)雅的簡潔性：
1. 存在一條由區(qū)塊組成的鏈，每個區(qū)塊通過哈希與前一區(qū)塊相連。
2. 區(qū)塊的有效性通過工作量證明（PoW）驗證，即檢查哈希值的前幾位是否為零。
3. 每個區(qū)塊包含交易，交易花費的幣要么來自挖礦獎勵，要么來自之前的交易輸出。
僅此而已！即便是一個聰明的高中生也能完全理解比特幣協(xié)議的運作，而一個程序員甚至可以將其作為業(yè)余項目編寫一個客戶端。
協(xié)議的簡單性為比特幣（以及以太坊）成為可信、中立的全球基礎層帶來了諸多關鍵優(yōu)勢：
1. 易于理解：降低協(xié)議的復雜性，讓更多人能夠參與協(xié)議研究、開發(fā)和治理，減少技術精英階層主導的風險。
2. 降低開發(fā)成本：簡化協(xié)議大幅降低創(chuàng)建新基礎設施（如新客戶端、證明器、開發(fā)者工具等）的成本。
3. 減少維護負擔：降低長期協(xié)議維護的成本。
4. 減少錯誤風險：降低協(xié)議規(guī)范及實現(xiàn)中發(fā)生災難性錯誤的可能性，同時便于驗證不存在此類錯誤。
5. 縮小攻擊面：減少協(xié)議的復雜組件，降低被特殊利益集團攻擊的風險。
歷史上，以太坊（有時因我個人的決策）常常未能保持簡單，導致開發(fā)成本過高、安全風險增加以及研發(fā)文化的封閉性，而這些復雜性追求的收益往往被證明是虛幻的。本文將探討五年后的以太坊如何接近比特幣的簡單性。
簡化共識層
新的共識層設計（歷史上稱為 “信標鏈”）旨在利用過去十年在共識理論、ZK-SNARK 開發(fā)、質押經(jīng)濟等領域的經(jīng)驗，構建一個長期最優(yōu)且更簡單的共識層。相比現(xiàn)有信標鏈，新設計顯著簡化：
1. 3-slot 最終性設計：移除槽（slot）、周期（epoch）、委員會重組等概念，以及相關的高效處理機制（如同步委員會）。 3-slot 最終性的基本實現(xiàn)僅需約 200 行代碼，且相比 Gasper，安全性接近最優(yōu)。
2. 減少活躍驗證者數(shù)量：允許使用更簡單的分叉選擇規(guī)則實現(xiàn)，增強安全性。
3. 基于 STARK 的聚合協(xié)議：任何人都可成為聚合者，無需信任聚合者或為重復位域支付高昂費用。聚合密碼學的復雜性較高，但其復雜性被高度封裝，系統(tǒng)性風險較低。
4. 簡化 P2P 架構：上述因素可能支持更簡單、更穩(wěn)健的點對點網(wǎng)絡架構。
5. 重新設計驗證者機制：包括進入、退出、提款、密鑰轉換、 inactivity leak 等機制，簡化代碼行數(shù)并提供更清晰的保證（如弱主觀性周期）。
共識層的優(yōu)勢在于其與 EVM 執(zhí)行層相對獨立，因此有較大空間持續(xù)改進。更大的挑戰(zhàn)在于如何在執(zhí)行層實現(xiàn)類似簡化。
簡化執(zhí)行層
EVM 的復雜性日益增加，且許多復雜性被證明無必要（部分因我個人決策失誤）：256 位虛擬機過度優(yōu)化了如今已逐漸過時的特定密碼學形式，預編譯（precompiles）為單一用例優(yōu)化卻鮮被使用。
逐一解決這些問題效果有限。例如，移除 SELFDESTRUCT 操作碼耗費巨大努力，卻僅帶來較小收益。近期關于 EOF（EVM Object Format）的爭論也顯示出類似挑戰(zhàn)。
我最近提出一個更激進的方案：與其對 EVM 進行中等規(guī)模（但仍具破壞性）的更改以換取 1.5 倍的收益，不如向一個更優(yōu)、更簡單的虛擬機過渡，以實現(xiàn) 100 倍的收益。類似于 “合并”（The Merge），我們減少破壞性變更的次數(shù)，但使每次變更更具意義。具體而言，我建議將 EVM 替換為 RISC-V，或以太坊 ZK 證明器使用的另一種虛擬機。這將帶來：
1. 效率大幅提升：智能合約執(zhí)行（在證明器中）無需解釋器開銷，直接運行。Succinct 的數(shù)據(jù)顯示在許多場景下性能可提升 100 倍以上。
2. 簡單性大幅改進：RISC-V 規(guī)范相比 EVM 極其簡單，替代方案（如 Cairo）同樣簡潔。
3. 支持 EOF 的動機：如代碼分區(qū)、更友好的靜態(tài)分析、更大代碼大小限制等。
4. 更多開發(fā)者選擇：Solidity 和 Vyper 可添加后端以編譯到新虛擬機。若選擇 RISC-V，主流語言開發(fā)者也能輕松將代碼移植到該虛擬機。
5. 移除大部分預編譯：可能僅保留高度優(yōu)化的橢圓曲線操作（量子計算機普及后連這些也將消失）。
主要缺點是，與已準備就緒的 EOF 不同，新虛擬機的收益需較長時間惠及開發(fā)者。我們可通過短期實施高價值的 EVM 改進（如增加合約代碼大小限制、支持 DUP/SWAP17–32）來緩解這一問題。
這將帶來更簡單的虛擬機。核心挑戰(zhàn)在于：如何處理現(xiàn)有的 EVM？
虛擬機過渡的向后兼容策略
簡化（或在不增加復雜性的前提下改進）EVM 的最大挑戰(zhàn)在于如何平衡目標實現(xiàn)與現(xiàn)有應用的向后兼容性。
首先需要明確：以太坊代碼庫（即使在單一客戶端內）并非只有一種定義方式。
目標是盡量縮小綠色區(qū)域：節(jié)點參與以太坊共識所需的邏輯，包括計算當前狀態(tài)、證明、驗證、FOCIL（分叉選擇規(guī)則）及 “普通” 區(qū)塊構建。
橙色區(qū)域無法減少：若協(xié)議規(guī)范移除或更改某執(zhí)行層功能（如虛擬機、預編譯等），處理歷史區(qū)塊的客戶端仍需保留相關代碼。但新客戶端、ZK-EVM 或形式化證明器可完全忽略橙色區(qū)域。
新增的黃色區(qū)域：對理解當前鏈或優(yōu)化區(qū)塊構建非常有價值，但不屬于共識邏輯。
Etherscan 及部分區(qū)塊構建者支持 ERC-4337 用戶操作。若我們用鏈上 RISC-V 實現(xiàn)替換某些以太坊功能（如 EOA 及其支持的舊交易類型），共識代碼將顯著簡化，但專用節(jié)點可能繼續(xù)使用原有代碼進行解析。
橙色和黃色區(qū)域的復雜性是封裝復雜性，理解協(xié)議的人可跳過這些部分，以太坊實現(xiàn)可忽略它們，這些區(qū)域的錯誤不會引發(fā)共識風險。
橙色和黃色區(qū)域的代碼復雜性遠比綠色區(qū)域的復雜性危害小。
將代碼從綠色區(qū)域移至黃色區(qū)域的思路，類似于蘋果通過 Rosetta 翻譯層確保長期向后兼容的策略。
受 Ipsilon 團隊近期文章啟發(fā)，我提出以下虛擬機變更流程（以 EVM 到 RISC-V 為例，但也可用于 EVM 到 Cairo 或 RISC-V 到更優(yōu)虛擬機）：
1. 要求新預編譯提供鏈上 RISC-V 實現(xiàn)：讓生態(tài)系統(tǒng)逐步適應 RISC-V 虛擬機。
2. 引入 RISC-V 作為開發(fā)者選項：協(xié)議同時支持 RISC-V 和 EVM，兩種虛擬機的合約可自由交互。
3. 替換大部分預編譯：除橢圓曲線操作和 KECCAK（因需極致速度）外，用 RISC-V 實現(xiàn)替換其他預編譯。通過硬分叉移除預編譯，同時將該地址的代碼（類似 DAO 分叉）從空更改為 RISC-V 實現(xiàn)。RISC-V 虛擬機極其簡單，即使在此止步也凈簡化協(xié)議。
4. 在 RISC-V 中實現(xiàn) EVM 解釋器：作為智能合約上鏈（因 ZK 證明器需要已進行）。在初始發(fā)布數(shù)年后，現(xiàn)有 EVM 合約通過該解釋器運行。
完成第 4 步后，許多 “EVM 實現(xiàn)” 仍將用于優(yōu)化區(qū)塊構建、開發(fā)者工具和鏈分析，但不再是關鍵共識規(guī)范的一部分。以太坊共識將 “原生地” 僅理解 RISC-V。
通過共享協(xié)議組件簡化
降低協(xié)議總復雜度的第三種方式（也最易被低估）是盡可能在協(xié)議棧的不同部分共享統(tǒng)一標準。不同協(xié)議在不同場景下做相同的事情通常毫無益處，但這種模式仍常出現(xiàn)，主要是因為協(xié)議路線圖的不同部分缺乏溝通。以下是幾個通過共享組件簡化以太坊的具體示例。
統(tǒng)一糾刪碼
我們在三個場景中需要糾刪碼：
1. 數(shù)據(jù)可用性采樣：客戶端驗證區(qū)塊已發(fā)布。
2. 更快的 P2P 廣播：節(jié)點接收 n/2 個片段后即可接受區(qū)塊，在延遲與冗余間取得平衡。
3. 分布式歷史存儲：以太坊歷史數(shù)據(jù)分片存儲，每組 n/2 個片段可恢復其余片段，降低單一片段丟失風險。
若在三種場景中使用同一糾刪碼（無論是 Reed-Solomon、隨機線性碼等），將獲得以下優(yōu)勢：
1. 最小化代碼量：減少總代碼行數(shù)。
2. 提高效率：若節(jié)點為某場景下載部分片段，這些數(shù)據(jù)可用于其他場景。
3. 確?？沈炞C性：所有場景的片段均可根據(jù)根驗證。
若使用不同糾刪碼，至少應確保兼容性，例如數(shù)據(jù)可用性采樣的水平 Reed-Solomon 碼與垂直隨機線性碼在同一域操作。
統(tǒng)一序列化格式
以太坊的序列化格式目前僅部分固化，因數(shù)據(jù)可按任意格式重新序列化和廣播。例外是交易簽名哈希，需規(guī)范格式進行哈希。未來，序列化格式的固化程度將因以下原因進一步提高：
1. 完全賬戶抽象（EIP-7701）：交易完整內容對虛擬機可見。
2. 更高的 Gas 限制：執(zhí)行層數(shù)據(jù)需放入數(shù)據(jù)塊（blobs）。
屆時，我們有機會統(tǒng)一以太坊三個層級的序列化格式：執(zhí)行層、共識層、智能合約調用 ABI。
我提議使用 SSZ，因為 SSZ：
1. 易于解碼：包括在智能合約內（因其基于 4 字節(jié)的設計和較少的邊緣情況）。
2. 已在共識層廣泛使用。
3. 與現(xiàn)有 ABI 高度相似：工具適配相對簡單。
已有向 SSZ 全面遷移的努力，我們應在規(guī)劃未來升級時考慮并延續(xù)這些努力。
統(tǒng)一樹結構
若從 EVM 遷移到 RISC-V（或其他可選的最小虛擬機），十六進制 Merkle Patricia 樹將成為證明區(qū)塊執(zhí)行的最大瓶頸，即使在平均情況下也是如此。遷移到基于更優(yōu)哈希函數(shù)的二叉樹將顯著提升證明器效率，同時降低輕客戶端等場景的數(shù)據(jù)成本。
遷移時，應確保共識層使用相同的樹結構。這將使以太坊的共識層與執(zhí)行層可通過相同代碼訪問和解析。
從現(xiàn)在到未來
簡單性在許多方面類似于去中心化，二者均為韌性目標的上游。明確重視簡單性需要一定的文化轉變。其收益往往難以量化，而額外努力和放棄某些耀眼功能的成本卻立竿見影。然而，隨著時間推移，收益將愈發(fā)顯著?—?— 比特幣本身就是絕佳例證。
我提議效仿 tinygrad，為以太坊長期規(guī)范設定明確的最大代碼行數(shù)目標，使以太坊共識關鍵代碼接近比特幣的簡單性。處理以太坊歷史規(guī)則的代碼將繼續(xù)存在，但應置于共識關鍵路徑之外。同時，我們應秉持選擇更簡單方案的理念，優(yōu)先選擇封裝復雜性而非系統(tǒng)性復雜性，并做出提供清晰屬性和保證的設計選擇。
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