Vitalik新作：如何縮短以太坊的交易確認(rèn)時(shí)間？

發(fā)布時(shí)間 :

2025 年 3 月 4 日 03:05

區(qū)塊鏈良好用戶體驗(yàn)的一個(gè)必不可少的特性是快速的交易確認(rèn)時(shí)間。如今的以太坊與五年前相比已經(jīng)有了很大的進(jìn)步，這得益于 EIP -1559 和 PoS 合并之后穩(wěn)定的出塊時(shí)間，用戶在 L1 上發(fā)送的交易可以在 5-20 秒內(nèi)得到可靠的確認(rèn)，已經(jīng)接近信用卡支付的使用體驗(yàn)。然而，以太坊的用戶體驗(yàn)仍需要進(jìn)一步的改善，因?yàn)橛行?yīng)用程序確實(shí)需要數(shù)百毫秒甚至更短的交易延遲。這篇文章將介紹加快以太坊交易確認(rèn)時(shí)間的一些實(shí)用方案。

現(xiàn)有的想法和技術(shù)概述

單 slot 最終性

現(xiàn)在以太坊的 Gasper 共識(shí)采用 slot 和 epoch 架構(gòu)。每隔 12 秒（單個(gè) slot 的時(shí)長(zhǎng)），驗(yàn)證者子集會(huì)在區(qū)塊鏈的最新區(qū)塊上發(fā)布投票，在 32 個(gè) slot（6.4 分鐘，一個(gè) epoch 包含 32 個(gè) slot）內(nèi)，所有驗(yàn)證者都有機(jī)會(huì)投票一次。然后，這些投票被重新解釋為類似于 PBFT 的共識(shí)算法中的消息，該算法在兩個(gè) epoch（12.8 分鐘）后提供非常嚴(yán)格的經(jīng)濟(jì)保證，這就是最終性。

過(guò)去幾年，我們對(duì)這種方法越來(lái)越不滿意。主要原因是：（i）它很復(fù)雜，逐個(gè) slot 投票機(jī)制和逐個(gè) epoch 最終性機(jī)制之間存在許多交互錯(cuò)誤；（ii）12.8 分鐘太長(zhǎng)了，沒(méi)人愿意等那么久。

單 slot 最終性（single slot finality，SSF）用一種與 Tendermint 共識(shí)相似的機(jī)制取代了這種架構(gòu)，在該機(jī)制中，區(qū)塊 N 在區(qū)塊 N+1 生成之前已經(jīng)完成。與 Tendermint 的主要不同之處在于我們保留了「非活躍泄漏（inactivity leak）」機(jī)制，這種機(jī)制允許區(qū)塊鏈在超過(guò) 1/3 的驗(yàn)證者離線時(shí)繼續(xù)運(yùn)行并恢復(fù)。

單 slot 最終性方案設(shè)計(jì)圖

SSF 的主要挑戰(zhàn)在于，它似乎暗示者每個(gè)以太坊質(zhì)押者都需要每 12 秒發(fā)布兩條消息，這對(duì)區(qū)塊鏈來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的負(fù)擔(dān)。有一些巧妙的想法可以緩解這種情況，包括最近的 Orbit SSF 提案（https://ethresear.ch/t/orbit-ssf-solo-staking-friendly-validator-set-management-for-ssf/19928）。即便如此，這種方案通過(guò)加快「最終確定性」能顯著改善用戶體驗(yàn)，但它并沒(méi)有縮短用戶需要等待 5-20 秒的這個(gè)時(shí)間。

Rollup 預(yù)確認(rèn)

在過(guò)去的幾年中，以太坊一直遵循著以 Rollup 為中心的路線圖，圍繞支持?jǐn)?shù)據(jù)可用性和其他功能設(shè)計(jì)以太坊基礎(chǔ)層（L1）。這些功能被 Rollup（還有 Validiums 和 Plasmas ）等 L2 協(xié)議使用，L2 協(xié)議可以為用戶提供與以太坊相同級(jí)別的安全性，但它們的交易規(guī)模比 L1 要大得多。

這使得以太坊生態(tài)系統(tǒng)中產(chǎn)生了一種關(guān)注點(diǎn)分離：以太坊 L1 可以專注于抗審查、可靠、穩(wěn)定以及維護(hù)和改進(jìn)某些核心基礎(chǔ)功能，而 L2 可以通過(guò)不同的文化和技術(shù)權(quán)衡專注于用戶體驗(yàn)。但如果你沿著這條路走下去，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)不可避免的問(wèn)題：L2 專注于為那些希望在 5-20 秒內(nèi)獲得更快確認(rèn)的用戶提供服務(wù)。

到目前為止，創(chuàng)建自己的「去中心化排序」網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為 L2 不可推卸的責(zé)任。可能每隔幾百毫秒，一小部分驗(yàn)證者會(huì)簽署區(qū)塊，他們會(huì)將自己的代幣質(zhì)押在這些區(qū)塊中。最終，這些 L2 區(qū)塊的區(qū)塊頭會(huì)發(fā)布到 L1 上。

L2 驗(yàn)證者集可以作弊：他們可以先簽署區(qū)塊 B1，然后再簽署與 B1 有沖突的區(qū)塊 B2，并在 B1 之前將其提交到鏈上。但如果他們這樣做，就會(huì)面臨懲罰而失去他們的押金。在實(shí)踐中，我們已經(jīng)看到了這種做法的中心化版本，但是 Rollup 在開(kāi)發(fā)去中心化排序網(wǎng)絡(luò)方面進(jìn)展緩慢。你可以說(shuō)要求 L2 都進(jìn)行去中心化排序是一項(xiàng)不公平的交易：這相當(dāng)于要求 Rollup 做與創(chuàng)建一個(gè)全新的 L1 相同的工作。出于一些原因，以太坊基金會(huì)研究員 Justin Drake 一直在推廣一種讓所有 L2（以及 L1）訪問(wèn)共享的以太坊預(yù)確認(rèn)機(jī)制的方法：based preconfirmations（）。

Based preconfirmations（Based 預(yù)確認(rèn)）

Based preconfirmations 的方法假設(shè)以太坊提議者將因 MEV 相關(guān)原因而成為高度復(fù)雜的參與者。Based preconfirmations 的方法利用這種復(fù)雜性，激勵(lì)這些成熟的提議者提供預(yù)確認(rèn)服務(wù)。

基本思想是創(chuàng)建一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議，通過(guò)該協(xié)議，用戶可以提供額外的費(fèi)用，以換即時(shí)取保證自身交易被納入下一個(gè)區(qū)塊，并獲得有關(guān)執(zhí)行該交易結(jié)果的聲明。如果提議者違反了對(duì)任何用戶做出的承諾，他們就會(huì)受到懲罰。

如上所述，based preconfirmations 機(jī)制為 L1 交易提供了保障。如果 Rollup 是「Based Rollup」（注：Based Rollup 由 Justin Drake 于 2023 年 3 月提出，是一種排序完全由 L1 完成的 Rollup），那么所有 L2 區(qū)塊都是 L1 交易，因此可以使用相同的機(jī)制為任何 L2 提供預(yù)確認(rèn)。

我們實(shí)際上看到的是什么？

假設(shè)我們實(shí)現(xiàn)單 slot 最終性。我們使用類似 Orbit 的技術(shù)來(lái)減少每個(gè) slot 簽名的驗(yàn)證者數(shù)量，這樣我們也可以在減少 32 ETH 最低質(zhì)押數(shù)量，可謂是一舉兩得。結(jié)果，slot 時(shí)間可能會(huì)逐漸增加到 16 秒。然后我們使用 Rollup 預(yù)確認(rèn)或 Based preconfirmations 來(lái)為用戶提供更快的保證。我們現(xiàn)在得到了什么？一個(gè) epoch-and-slot 架構(gòu)。

「它們是同一張圖」這個(gè) meme 已經(jīng)被過(guò)度使用了，所以我只會(huì)將我?guī)啄昵袄L制的一張舊圖表與 L2 預(yù)確認(rèn)圖表放在一起，以描述 Gasper 的 slot-and-epoch 架構(gòu)，我希望我能夠解釋清楚。

有一個(gè)深刻的哲學(xué)原因可以解釋為什么人們總是不可避免地使用 epoch-and-slot 架構(gòu)：就某件事達(dá)成近似的一致本質(zhì)上比就某件事達(dá)成最大程度的「經(jīng)濟(jì)最終性」一致需要更少的時(shí)間。

一個(gè)簡(jiǎn)單的原因是節(jié)點(diǎn)數(shù)量。雖然由于超優(yōu)化的 BLS 聚合和不久的將來(lái)的 ZK-STARK，舊的漸進(jìn)式去中心化 / 最終確定時(shí)間 / 開(kāi)銷權(quán)衡現(xiàn)在看起來(lái)更加溫和，但從根本上來(lái)說(shuō)，以下觀點(diǎn)仍然是正確的：

「近似一致」僅需要少量節(jié)點(diǎn)，而經(jīng)濟(jì)最終性則需要所有節(jié)點(diǎn)中的相當(dāng)一部分。
一旦節(jié)點(diǎn)數(shù)量超過(guò)一定規(guī)模，你就需要花費(fèi)更多時(shí)間來(lái)收集簽名。

在當(dāng)前的以太坊中，12 秒的 slot 被劃分為三個(gè) sub-slots，用于 (i) 區(qū)塊發(fā)布和分發(fā)、(ii) 證明 (iii) 證明聚合。如果證明者數(shù)量少得多，我們可以將其減少到兩個(gè) sub-slots，并擁有 8 秒的 slot 時(shí)間。另一個(gè)實(shí)際上更重要的因素是節(jié)點(diǎn)的「質(zhì)量」。如果我們還可以依靠專業(yè)化的節(jié)點(diǎn)子集來(lái)達(dá)成近似協(xié)議（并且仍然使用完整的驗(yàn)證器集來(lái)實(shí)現(xiàn)最終性），我們可以合理地將其縮短到約 2 秒。

因此，我認(rèn)為 (i) slot-and-epoch 架構(gòu)顯然是正確的，但 (ii) 并非所有 slot-and-epoch 架構(gòu)都是一樣的，我們需要更充分地探索設(shè)計(jì)空間。特別是，那些不像 Gasper 那樣緊密交織的方案值得探索。

L2 應(yīng)該做些什么？

在我看來(lái)，目前 L2 可以采取三種合理的策略：

無(wú)論是技術(shù)層面還是精神層面，都要「based」。也就是說(shuō)，L2 是以太坊基礎(chǔ)層技術(shù)屬性及其價(jià)值（高度去中心化、抗審查等）更優(yōu)秀的傳遞渠道。用最簡(jiǎn)單的形式來(lái)理解，你可以將這些 Rollup 視為「品牌分片」，但它們也可以更加雄心勃勃，并且它們對(duì)新的虛擬機(jī)設(shè)計(jì)和其他技術(shù)改進(jìn)進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)。
成為「具有區(qū)塊鏈腳手架的服務(wù)器」，并充分利用它。如果你從服務(wù)器開(kāi)始，然后添加（i）STARK 有效性證明以確保服務(wù)器遵守規(guī)則，（ii）保證用戶退出或強(qiáng)制交易的權(quán)利，以及可能的（iii）集體選擇的自由，無(wú)論是通過(guò)協(xié)調(diào)的大規(guī)模退出還是通過(guò)投票更改排序器的能力，那么你已經(jīng)獲得了很多鏈上的好處，同時(shí)保留了服務(wù)器的大部分效率。
折衷方案：一條擁有 100 個(gè)節(jié)點(diǎn)的快速區(qū)塊鏈，依靠以太坊提供額外的互操作性和安全性。這是許多 L2 項(xiàng)目事實(shí)上的當(dāng)前路線圖。

對(duì)于某些應(yīng)用程序（例如 ENS、keystores 以及一些支付場(chǎng)景），12 秒的區(qū)塊時(shí)間就足夠了。對(duì)于需要更短確認(rèn)時(shí)間的應(yīng)用程序，唯一的解決方案是 slot-and-epoch 架構(gòu)。在這三種情況下，「epoch」都是以太坊的 SSF（也許我們可以將該首字母縮略詞重新定義為「single slot」以外的其他含義，例如，它可以是「Secure Speedy Finality」）。但在上述三種情況下，「slot」是不同的：

以太坊原生的 slot-and-epoch 架構(gòu)
服務(wù)器預(yù)確認(rèn)
委員會(huì)預(yù)確認(rèn)

一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是，我們能把第 (1) 類中的某樣?xùn)|西做得有多好？特別是，如果它變得非常好，那么第 (3) 類似乎就意義不大了。第 (2) 類將永遠(yuǎn)存在，因?yàn)槿魏巍竍ased」的東西都不適用于鏈下數(shù)據(jù) L2，例如 Plasma 和 Validium。但如果以太坊原生的 slot-and-epoch 架構(gòu)可以縮短到 1 秒的「slot」（即預(yù)確認(rèn)）時(shí)間，那么第 (3) 類的空間就會(huì)變得小得多。

今天，我們距離得到這些問(wèn)題的最終答案還很遙遠(yuǎn)。區(qū)塊提議者將變得多么復(fù)雜？這個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題的答案仍然存在相當(dāng)多不確定性。像 Orbit SSF 這樣的設(shè)計(jì)非常新穎，因此類似 Orbit SSF 的 slot-and-epoch 方案的設(shè)計(jì)空間還需要更多的探索。我們擁有的選擇越多，我們就能為 L1 和 L2 上的用戶做得更好，我們也能簡(jiǎn)化 L2 開(kāi)發(fā)人員的工作。