以太坊协议未来可能的发展方向：繁荣篇

以太坊协议设计中有许多重要的"细节"对其成功至关重要。约一半内容涉及不同类型的EVM改进,其余部分由各种小众主题构成,这就是"繁荣"的意义所在。

繁荣:关键目标

• 将EVM变为高性能和稳定的"最终状态"
• 将账户抽象引入协议,允许所有用户享受更安全和便捷的账户
• 优化交易费用经济,提高可扩展性同时降低风险
• 探索先进的密码学,使以太坊在长期内显著改善

EVM改进

解决了什么问题?

目前的EVM难以进行静态分析,这使得创建高效实现、正式验证代码和进行进一步扩展变得困难。此外,EVM的效率较低,难以实现许多形式的高级密码学,除非通过预编译显式支持。

它是什么,如何运作?

当前EVM改进路线图的第一步是EVM对象格式(EOF),计划在下一个硬分叉中纳入。EOF是一系列EIP,指定了一个新的EVM代码版本,具有许多独特的特征,最显著的是:

• 代码(可执行,但无法从EVM中读取)与数据(可读取,但无法执行)之间的分离
• 禁止动态跳转,仅允许静态跳转
• EVM代码无法再观察与燃料相关的信息
• 添加了一种新的显式子例程机制

EOF代码的结构包括代码段、数据段和类型信息段。

在引入EOF后,进一步的升级变得更加容易,目前发展最完善的是EVM模块算术扩展(EVM-MAX)。EVM-MAX创建了一组专门针对模运算的新操作,并将其放置在一个无法通过其他操作码访问的新内存空间中,这使得使用诸如Montgomery乘法等优化成为可能。

一个较新的想法是将EVM-MAX与单指令多数据(SIMD)特性结合。SIMD可用于加速许多形式的密码学,包括哈希函数、32位STARKs和基于格的密码学,EVM-MAX和SIMD的结合使得这两种性能导向的扩展成为自然的配对。

现有研究链接

• EOF:
• EVM-MAX:
• SIMD:

剩下的工作及权衡

目前,EOF计划在下一个硬分叉中纳入。尽管总是有可能在最后一刻移除它,但这样做将面临很大挑战。移除EOF意味着未来对EVM的任何升级都需在没有EOF的情况下进行,虽然可以做到,但可能更困难。

EVM的主要权衡在于L1复杂性与基础设施复杂性,EOF是需要添加到EVM实现中的大量代码,静态代码检查也相对复杂。然而,作为交换,我们可以简化高级语言、简化EVM实现以及其他好处。可以说,优先考虑以太坊L1持续改进的路线图应包括并建立在EOF之上。

需要做的一项重要工作是实现类似EVM-MAX加SIMD的功能,并对各种加密操作的gas消耗进行基准测试。

如何与路线图的其他部分交互?

L1调整其EVM使得L2也能更容易地进行相应调整,如果二者不进行同步调整,可能会造成不兼容,带来不利影响。此外,EVM-MAX和SIMD可以降低许多证明系统的gas成本,从而使L2更加高效。它还使得通过用可以执行相同任务的EVM代码替代更多的预编译变得更加容易,可能不会大幅影响效率。

账户抽象

解决了什么问题?

目前,交易只能通过一种方式进行验证:ECDSA签名。最初,账户抽象旨在超越这一点,允许账户的验证逻辑为任意的EVM代码。这可以启用一系列应用:

• 切换到抗量子密码学
• 轮换旧密钥(广泛被认为是推荐的安全实践)
• 多重签名钱包和社交恢复钱包
• 使用一个密钥进行低价值操作,使用另一个密钥(或一组密钥)进行高价值操作

允许隐私协议在没有中继的情况下工作,显著降低其复杂性,并消除一个关键的中央依赖点

自2015年账户抽象提出以来,其目标也扩展到了包括大量"便利目标",例如,某个没有ETH但拥有一些ERC20的账户能够用ERC20支付gas。

它是什么,如何运作?

账户抽象的核心是简单的:允许智能合约发起交易,而不仅仅是EOA。整个复杂性来自于以一种对维护去中心化网络友好的方式实现这一点,并防范拒绝服务攻击。

一个典型的关键挑战是多重失效问题:如果有1000个账户的验证函数都依赖于某个单一值S,并且当前值S使得内存池中的交易都是有效的,那么有一个单一交易翻转S的值可能会使内存池中的所有其他交易失效。这使得攻击者能够以极低的成本向内存池发送垃圾交易,从而堵塞网络节点的资源。

经过多年的努力,旨在扩展功能的同时限制拒绝服务(DoS)风险,最终得出了实现"理想账户抽象"的解决方案:ERC-4337。

ERC-4337的工作原理是将用户操作的处理分为两个阶段:验证和执行。所有验证首先被处理,所有执行随后被处理。在内存池中,只有当用户操作的验证阶段只涉及其自身账户并且不读取环境变量时,才会被接受。这可以防止多重失效攻击。此外,对验证步骤也强制实施严格的gas限制。

现有研究链接

• 关于账户抽象历史的演讲:
• ERC-4337:
• EIP-7702:
• BLSWallet代码(使用聚合功能):
• EIP-7562(写入协议的账户抽象):
• EIP-7701(基于EOF的写入协议账户抽象):

剩下的工作及权衡

目前主要需要解决的是如何将账户抽象完全引入协议,最近受到欢迎的写入协议账户抽象EIP是EIP-7701,该提案在EOF之上实现账户抽象。一个账户可以拥有一个单独的代码部分用于验证,如果账户设置了该代码部分,则该代码将在来自该账户的交易的验证步骤中执行。

这种方法的迷人之处在于,它清晰地表明了本地账户抽象的两种等效视角:

1. 将EIP-4337作为协议的一部分
2. 一种新的EOA类型,其中签名算法为EVM代码执行

如果我们从对验证期间可执行代码复杂性设定严格界限开始,那么这种方法的安全性就非常明确:只是将ECDSA验证替换为需要相似时间的EVM代码执行。

然而,随着时间的推移,我们需要放宽这些界限,因为允许隐私保护应用在没有中继的情况下工作,以及量子抗性都是非常重要的。为此,我们需要找到更灵活地解决拒绝服务(DoS)风险的方法,而不要求验证步骤必须极度简约。

主要的权衡似乎是"快速写入一种让较少人满意的方案"与"等待更长时间,可能获得更理想的解决方案",理想的方法可能是某种混合方法。一种混合方法是更快地写入一些用例,并留出更多时间来探索其他用例。另一种方法是在L2上首先部署更雄心勃勃的账户抽象版本。然而,这面临的挑战是,L2团队需要对采用提案的工作充满信心,才能愿意进行实施,尤其是要确保L1和/或其他L2未来能够采用兼容的方案。

我们还需要明确考虑的另一个应用是密钥存储账户,这些账户在L1或专用L2上存储账户相关状态,但可以在L1和任何兼容的L2上使用。有效地做到这一点可能要求L2支持诸如L1SLOAD或REMOTESTATICCALL的操作码,但这也需要L2上的账户抽象实现支持这些操作。

它如何与路线图的其他部分互动?

包含列表需要支持账户抽象交易,在实践中,包含列表的需求与去中心化内存池的需求实际上非常相似,尽管对于包含列表来说灵活性稍大。此外,账户抽象实现应该尽可能在L1和L2之间实现协调。如果将来我们期望大多数用户使用密钥存储Rollup,账户抽象设计应以此为基础。

EIP-1559改进

它解决了什么问题?

EIP-1559于2021年在以太坊上激活,显著改善了平均区块包含时间。然而,当前EIP-1559的实施在多个方面并不完美:

1. 公式略有缺陷:它并不是以50%的区块为目标,而是针对约50-53%的满区块,这取决于方差(这与数学家所称的"算术-几何均值不等式"有关)。
2. 在极端情况下调整不够迅速。

后面用于blobs的公式(EIP-4844)是专门设计来解决第一个问题的,整体上也更简洁。然而,EIP-1559本身以及EIP-4844都未尝试解决第二个问题。因此,现状是一个混乱的中间状态,涉及两种不同的机制,并且有一种观点认为,随着时间的推移,两者都需要进行改进。

此外,还有其他与EIP-1559无关的以太坊资源定价的弱点,但可以通过对EIP-1559的调整来解决。其中一个主要问题是平均情况与最坏情况的差异:以太坊中的资源价格必须设置得能够处理最坏情况,即一个区块的全部gas消耗占用一个资源,但实际的平均使用远低于此,导致了低效。

什么是多维Gas,它是如何运作的?

解决这些低效问题的方案是多维Gas:为不同资源设定不同的价格和限制。这个概念在技术上独立于EIP-1559,但EIP-1