以太坊扩容路线:通过ZK和zkEVM技术实现每秒1万笔交易

以太坊即将迎来创世区块十周年,经过十年探索,其扩容路线图正在开辟新的方向和愿景。最令人兴奋的是,在经历数年L2扩容探索后,以太坊L1终于找到了一条在保持最大去中心化前提下实现极致扩容的可信路径。

简言之,从现在开始,以太坊的Gas上限和TPS计划每年提升数倍。验证者将不再重复执行每笔交易,而是只验证一份零知识证明(ZK-proof),以证明这批交易正确执行,从而让底层网络TPS提升至每秒上万笔。

同时,L2也会同步扩容,实现数十万甚至数百万TPS。一种名为"原生Rollup"的新型L2将像可编程分片一样运行,提供与L1相同的安全性。

这些提案虽未正式获批,但建立在Vitalik Buterin自2017年就开始探索的思路之上,并得到以太坊基金会核心研究员Justin Drake的推动支持。

Drake在EthCC大会上表示:"我们处于以太坊扩容的关键转折点,我坚信我们即将进入L1的GigaGas时代——约1万TPS,开启这一时代的关键是zkEVM与实时证明。"

Drake的终极目标是10年内让以太坊生态实现1000万TPS。这意味着未来必然是"网络中的网络"架构:不同L2承担不同场景、权衡与优势,共同扩展整个生态满足全球需求。

以太坊L1为何难以大规模扩容?

虽然其他区块链早已尝试用更强大硬件和算力扩大吞吐量,但以太坊一直对去中心化有近乎意识形态的执着。从ETH最大主义者角度看,像Solana这样的"数据中心链"拥有数百万美元的中心化风险点,政府可直接针对这些节点审查交易。即使是Sui这样硬件要求低一些的链,其成本和带宽要求也令人望而却步,影响去中心化程度。

相比之下,以太坊甚至可运行在树莓派上。这种低门槛设计让超过15,000个公开节点和上百万验证者参与网络,几乎不可能审查交易,并使整个网络对攻击具有极强韧性。

代价是速度极慢——当前TPS约为每秒18-20笔交易,而Solana约为每秒1500笔。

从某种程度说,区块链架构天生低效,有点像一个Google表格,每当修改一个单元格,全世界所有副本的电脑都要先把整个表格重新算一遍,确认无误后才能更新。

正因在保持去中心化前提下主网扩容空间有限,以太坊在2020年不得不走上了L2分层扩容这条备受争议的路线。

ZK如何破解区块链不可能三角?

Vitalik Buterin曾提出"区块链不可能三角"概念,形容公链在安全性、可扩展性和去中心化三者难以兼得的困境。几乎所有扩容方案都只能满足其中两项,必然牺牲第三项。

直到ZK技术出现。零知识证明能在不泄露交易细节前提下,数学上证明一大批复杂交易已被正确执行。生成ZK证明过程很复杂,但验证一份证明是否正确却既快又轻量。

因此,以太坊未来构想是:与其让一堆性能孱弱的树莓派节点逐笔重算所有交易,不如让验证者只需检查一份极小的ZK证明数学结果即可。

Drake甚至打趣说,未来验证ZK证明的计算量小到连7美元的Raspberry Pi Pico都能胜任,根本不需要大型数据中心。

zkEVM:通往1万TPS的路线图

以太坊基金会的Sophia Gold最近在博客中透露:未来一年内,L1主网可能集成零知识证明驱动的以太坊虚拟机(zkEVM)。

值得注意的是,很多ZK技术的实用化探索,其实从L2网络开始。例如某条100%兼容EVM的ZK Rollup公链——任何能在以太坊上运行的应用,都能在上面无缝运行。

该公链负责人解释说,ZK技术为区块链的不可能三角提供了答案:"ZK的魔力在于,我们可以大幅提高L1的Gas上限,而计算量扩展并不会让验证变得更复杂。"

他补充说,随着ZK证明生成的延迟和成本不断下降,我们能处理更高吞吐量,同时保持验证的硬件要求极低——甚至一块智能手表也能胜任验证工作。

不过,社区也不必过度乐观,即便未来一年内zkEVM成功集成到L1,它也不会第一天就直接实现1万TPS。

日拱一卒,然后一瞬间完成

以太坊目前有五个主要软件客户端可用于运行网络,这意味即便某个客户端出问题,网络也不会直接停摆。

在未来升级路线中,以太坊计划先发布两到三个支持ZK验证的改造版客户端,使验证者可选择通过检查零知识证明来完成验证,而不再重新执行每笔交易。

最初,只有少数验证者会率先切换到新验证模式,以便在早期排查和修复潜在问题。

以太坊基金会协议协调团队的Ladislaus表示,"切换到snark化的EVM将是个循序渐进的过程"。

用户主要会逐步感受到L1的Gas上限提高,也就是网络经济活动能力增强。虽然L1向ZK验证的过渡需要时间,但Gas上限扩容几乎已箭在弦上。

上周,L1 Gas上限刚提高22%,达到4500万。研究员Dankrad Feist提出一个EIP,建议客户端每年自动三次上调Gas上限,按该计划,四年后以太坊主网就能实现约2000 TPS。

而Justin Drake甚至进一步提出,将这一节奏延长两年,到2031年可达到1 gigagas的吞吐量,实现约1万TPS。