Vitalik 新文：以太坊如何實現對標比特幣的簡潔化​架構？

原文標題：Simplifying the L1

撰文：Vitalik

編譯：lenaxin，ChainCatcher

以太坊旨在成爲世界帳本：一個存儲文明資產與記錄的平台，是金融、治理、高價值數據認證等的基礎層。這需要具備兩個條件：可擴展性和韌性。Fusaka硬分叉旨在將二層（L2）數據的可用空間增加10倍，當前擬定的2026年路線圖也提出對一層（L1）進行類似的大幅擴容。與此同時，以太坊完成合並升級至權益證明機制（Proof of Stake），其客戶端多樣性迅速提升，零知識證明（ZK Verifiability）可驗證性以及抗量子計算能力方面的工作也在推進，各類應用也愈發穩健。

本文旨在聚焦於韌性（最終也會影響可擴展性）的一個方面，這一方面同樣重要卻容易被低估，即協議的簡潔性。

比特幣的一大優點在於其協議極爲簡潔優美。

區塊鏈由一系列區塊構成，每個區塊通過哈希值與前一區塊相連。區塊的有效性通過工作量證明機制驗證，即驗證其哈希值的前幾位是否爲零。每個區塊包含若幹交易，這些交易消耗的幣要麼通過挖礦產生，要麼來源於先前交易的輸出。比特幣協議的核心機制即在於此。即便是聰明的中學生也能完全理解這一協議，程序員甚至可以將其作爲業餘項目編寫客戶端。

保持協議的簡潔性爲比特幣或以太坊成爲全球公認的中立基礎層提供了關鍵優勢：

簡潔的協議更易於分析，能夠吸引更多參與者投身協議研究、開發及治理工作，同時降低技術壟斷風險。

簡化協議結構顯著減少與新基礎設施（如客戶端、證明器、日志工具及其他開發工具）對接的開發投入。

協議的簡潔設計有效降低長期維護成本。

協議規範及其實現中的嚴重漏洞風險顯著減少，並便於驗證系統安全性。

減少社會攻擊面：組件精簡使系統更易於防護特殊利益滲透，提升整體安全性。

歷史上，以太坊在協議設計上常未能貫徹簡潔性原則（部分原因源於本人決策），這直接導致研發成本居高不下、安全隱患頻發，以及研發文化的封閉性。這些問題的根源往往在於追逐被實踐證明無效的短期收益。本文將闡述未來五年以太坊如何實現接近比特幣的協議簡潔性。

簡化共識層

在3sf - mini（以太坊測試網絡代號）中對三時隙最終性進行模擬

新版共識層方案（曾命名爲「光束鏈」）旨在融合過去十年在共識理論、零知識證明（ZK-SNARK）、質押經濟學等領域的研究成果，爲以太坊構建面向長期發展的最優共識機制。相較於現有的信標鏈，該方案具備顯著簡化的特性，具體體現在以下方面：

三時隙最終性（3-slot finality）架構革新：消除了獨立時隙（slot）與紀元（epoch）的概念劃分，取消委員會輪換機制及同步委員會等復雜組件，大幅簡化協議規範。核心實現僅需約200行代碼，較Gasper協議在安全性上達到近乎最優水平。

驗證節點管理優化：通過限制活躍驗證節點數量，使得分叉選擇規則（fork choice rule）可採用更簡化的實現方案，同時保障系統安全性。

聚合協議升級：基於STARK的聚合機制允許任意節點擔任聚合角色，規避了對聚合器的信任依賴及重復比特字段（bitfield）的資源浪費問題。盡管聚合密碼學本身復雜度較高，但其高度封裝的特性顯著降低了系統性風險。

P2P網路架構改進：上述兩項優化爲構建更簡潔高效的點對點網路架構提供了可能性。

驗證流程重構：重新設計驗證節點準入、退出、提款、密鑰遷移及怠惰懲罰等機制，在降低代碼量的同時，明確核心參數（如弱主觀週期）的保障機制。

技術優勢：共識層與EVM執行層的相對解耦特性，爲持續優化提供了更大的技術空間。相較之下，執行層的同類改進面臨更大挑戰。

簡化執行層

以太坊虛擬機（EVM）的復雜性持續增長，其中許多復雜設計已被證明是不必要的（在很多情況下是我的決策失誤）：一個爲特定加密算法過度優化的256位虛擬機，而這些算法如今已逐漸失去重要性；以及爲單一使用場景過度設計的預編譯合約，這些場景的實際使用率極低。

試圖通過零散修補解決現存問題已不可行。移除 SELFDESTRUCT 操作碼耗費巨大努力卻僅獲得有限收益，近期關於 EOF 的爭論更凸顯了對虛擬機進行漸進式修改的困難。

作爲替代方案，我近期提出更激進的轉型路徑：與其對 EVM 進行中等規模（但仍具破壞性）的修改以換取 1.5 倍的性能提升，不如直接過渡到全新且顯著更優的虛擬機架構，以實現百倍級的性能躍升。如同合並（The Merge）一樣，我們通過減少破壞性變更次數，但提升每次變更的戰略價值。具體而言，建議採用 RISC-V 架構或以太坊 ZK 證明程序所使用的虛擬機替代現有 EVM。這一轉型將帶來：

效率革命性提升：在 ZK 證明環境中，智能合約可直接運行於目標架構，無需解釋器開銷。Succinct 數據顯示，在多數場景下性能可提升百倍以上。

架構極致簡化：RISC-V 規範相較於 EVM 極爲精簡，其他候選方案（如 Cairo）同樣具備簡潔特性。

繼承 EOF 的核心優勢：包括代碼分段管理、更友好的靜態分析支持以及更大的代碼容量限制。

開發者工具鏈擴展：Solidity 和 Vyper 可通過新增後端編譯支持新架構；若選擇 RISC-V，主流語言開發者可直接移植現有代碼。

預編譯合約優化：大部分預編譯功能將不再必要，僅保留高優化的橢圓曲線運算（隨量子計算發展或將淘汰）。

主要挑戰在於：不同於可立即實施的 EOF 方案，新虛擬機需要更長時間才能惠及開發者。可通過同步實施部分高價值的 EVM 改進（如提升合約代碼大小限制、優化 DUP/SWAP 指令集）作爲短期過渡方案。

這一轉型將顯著簡化虛擬機架構。核心問題在於：如何妥善處理現有 EVM 生態？

虛擬機遷移的向後兼容策略​

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簡化（或優化而不增加復雜度）EVM 任何部分的最大挑戰在於，如何平衡實現預期目標與維護現有應用的向後兼容性。​​

首先需要明確的是：甚至對於單一客戶端而言，界定何爲「以太坊代碼庫」並不存在唯一標準。

目標是最小化綠色區域：即節點爲參與以太坊共識所需運行的邏輯，包括計算當前狀態、證明生成與驗證、FOCIL（注：需確認是否爲專業術語縮寫）以及「基礎」區塊構建流程。

​​橙色區域無法縮減：若執行層功能（無論是虛擬機、預編譯合約或其他機制）從協議規範中移除或其功能發生變更，需要處理歷史區塊的客戶端必須保留該功能；但新客戶端（包括 ZK-EVM 或形式化驗證工具）可完全忽略此部分。

​​新增黃色區域：指對當前鏈上數據解析或最優區塊構建極具價值，但不屬於共識機制的代碼。典型案例如 Etherscan 及部分區塊構建器對 ERC-4337 用戶操作的支持。若將以太坊核心功能（如外部帳戶 EOA 及其支持的各類舊式交易類型）替換爲鏈上 RISC-V 實現，則共識代碼將大幅簡化，但專用節點可能仍需沿用原有代碼進行解析處理。

橙色和黃色區域的復雜性屬於封裝性復雜度，任何希望理解協議的人員均可跳過這些部分，Ethereum 實現方案也可自由選擇忽略。此外，這些區域的代碼缺陷不會引發共識風險。這意味着，相較於綠色區域的代碼復雜度，橙色和黃色區域的復雜度對系統整體的負面影響顯著更低。​

將代碼從綠色區域遷移至黃色區域的思路，類似於蘋果公司通過 Rosetta 翻譯層實現長期向後兼容的技術方案。

要求所有新開發的預編譯合約必須包含規範的鏈上 RISC-V 實現。此步驟旨在推動生態逐步適應 RISC-V 虛擬機環境（以 EVM 向 RISC-V 遷移爲例，該方案同樣適用於 EVM 至 Cairo 或其他更優虛擬機的遷移）：

雙虛擬機並行支持：在協議層面同時原生支持 RISC-V 和 EVM 兩種虛擬機。開發者可自由選擇開發語言，不同虛擬機編寫的合約可實現無縫交互。

預編譯合約分階段替換：除橢圓曲線運算和 KECCAK 哈希算法（因其對性能要求極致優化）外，所有預編譯合約均通過硬分叉替換爲 RISC-V 實現。

具體操作爲：移除原預編譯合約的同時，將該地址的代碼（採用 DAO 分叉模式）從空狀態修改爲對應的 RISC-V 實現。由於 RISC-V 架構的高度簡潔性，即便僅完成此步驟，系統整體復雜度仍將降低。

EVM解釋器鏈上部署：基於 RISC-V 實現 EVM 解釋器（ZK 證明工具鏈已推動此類開發），並將其作爲智能合約部署至鏈上。在初始版本發布數年後，現有EVM合約將通過該解釋器執行，從而完成向新虛擬機的平滑過渡。

​​通過共享協議組件實現簡化​

步驟四完成後，衆多「EVM 實現方案」仍將保留，並用於優化區塊構建、開發者工具及鏈上數據分析等場景，但這些實現將不再屬於核心共識規範的組成部分。屆時，以太坊共識機制將「原生」僅支持 RISC-V 架構。

通過共享協議組件實現簡化​

​​減少協議總體復雜度的第三種方法（也是最易被低估的方式）​​是盡可能在不同協議棧層級間共享統一標準。通常而言，在不同模塊中採用不同協議實現相同功能既無必要也無收益，但此類設計模式仍普遍存在，主要原因在於協議路線圖各部分之間缺乏有效協同。以下是可通過強化組件跨層復用來簡化以太坊的具體場景示例。

統一共享糾刪碼方案

糾刪碼的三類應用場景：

數據可用性採樣：客戶端驗證區塊是否已發布時需使用糾刪碼，確保數據完整性。

高效 P2P 廣播：節點在接收到 n 個分片中 n/2 個時即可確認區塊，實現延遲降低與冗餘度之間的最優平衡。

分布式歷史存儲：以太坊歷史數據被分割爲多個數據塊，滿足：

各數據塊可獨立驗證

任一分組中 n/2 個數據塊即可恢復剩餘 n/2 個數據塊

該設計顯著降低單點數據丟失風險。

若在以下三個場景中採用相同的糾刪碼（如裏德-所羅門碼、隨機線性碼等），將帶來顯著優勢：

代碼精簡；

效率提升：當節點因某一場景需要下載分片數據（而非完整區塊）時，該數據可直接用於其他場景，避免重復傳輸；

所有場景下的數據塊均可通過根哈希進行統一校驗

若採用不同糾刪碼，需滿足兼容性要求：例如，在數據可用性採樣（DAS）分片中可同時使用橫向裏德-所羅門碼與縱向隨機線性碼，但兩種編碼必須基於同一有限域進行運算。

統一序列化格式​

當前以太坊的序列化格式尚處於半規範化狀態——數據可被重新序列化爲任意格式並進行傳播，唯一的例外是交易籤名哈希，該場景需採用規範格式以確保哈希一致性。然而未來，序列化格式的規範化程度將進一步強化，主要原因包括：

帳戶抽象化（EIP-7701）：完整交易內容將對虛擬機（VM）完全可見

高 Gas 限制場景：隨着區塊 Gas 上限提升，執行層數據需存儲至 blob 結構

當上述轉變發生時，我們可借此契機統一以太坊三個關鍵層級的序列化標準：（i）執行層（ii）共識層（iii）智能合約調用 ABI

建議採用 SSZ 序列化格式，SSZ 具備以下優勢：

解碼高效，包括智能合約在內的場景均可快速解碼，得益於其基於 4 字節的設計及較少的邊界條件處理

共識層應用廣泛，已在共識層實現深度集成

與現有 ABI 高度相似，便於工具鏈適配升級

當前已有相關技術團隊推進 SSZ 的全面遷移工作。建議在後續升級規劃中延續這一技術路線，並基於現有成果進行擴展。

統一共享樹結構

當從 EVM 遷移至 RISC-V（或其他精簡虛擬機架構）後，六叉 Merkle Patricia 樹將成爲區塊執行證明的最大性能瓶頸（即使在常規場景下亦如此）。轉向基於更優哈希函數的二叉樹結構，將顯著提升證明效率，並降低輕節點及其他應用場景的數據存儲成本。

在實施該遷移時，應同步採用相同的樹狀結構實現共識層與執行層的統一。此舉可確保以太坊全棧（包括共識層與執行層）均採用同一套代碼邏輯進行數據訪問與解析。

從現狀到目標的演進路徑

簡潔性在諸多方面與去中心化具有相似性，二者均爲實現系統韌性的基礎前提。明確將簡潔性作爲核心價值需要文化層面的轉變：其收益往往難以即時顯現，而追求復雜功能帶來的短期收益卻顯而易見。然而隨着時間推移，簡潔性的優勢將愈發顯著——比特幣的發展歷程便是這一觀點的有力印證。

我提議以太坊協議設計參考 TinyGrad 項目的實踐經驗，爲長期以太坊規範設定明確的代碼行數上限目標，力求使以太坊共識關鍵代碼的簡潔程度接近比特幣水平。具體而言，處理以太坊歷史規則的相關代碼可繼續保留，但必須嚴格隔離於共識關鍵路徑之外，確保其不對核心共識邏輯產生影響；同時在技術方案選擇中應貫徹「優先選擇更簡單方案」的設計理念，優先封裝復雜性而非擴散系統性復雜度，並確保所有設計決策都能提供清晰可驗證的特性與保證，從而在整體上形成一種以簡潔性爲導向的技術文化。