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作者：Moulik Nagesh，Binance Research；翻译：金色财经0xjs
本研报分9部分：1、要点；2、背景；3、The Merge、4、The Surge（ 分布式验证技术、Leader 秘密 选举、 Single Slot最终确定性 ）；5、The Sourge（EIP4844、DAS、KZG承诺、对L2 Rollup的影响）；6、The Verge（PBS）；7、The Purge（无状态性、Verkele树）；8、The Splurge（EIP4444、 状态过期 ）；9、结语。
1、要点
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虽然以太坊转型为PoS是一个重要的里程碑，但它仍然只是未来许多重要升级中的一个。以太坊路线图的重点之一是在不影响去中心化验证的前提下扩展计算吞吐量。
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Layer-2被视为实现可扩展性的最便捷途径，与Rollup为中心的愿景一致。值得注意的是，Layer-2继续获得关注，因为2023年主网数据发布费用创下了历史新高，年初已增长257.7%。
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Danksharding 是以太坊成为真正可扩展的统一结算和数据可用性层的方式。特别是 Proto-Danksharding（EIP-4844） 充当Danksharding的前身，引入了携带Blob的交易，这是数据可用性的专用存储空间。
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Blobs 基于多维EIP-1559费用市场，其中有两种资源，Gas和Blobs，具有单独的浮动gas价格和限制。使用Blobs解锁了Layer-2的若干重要优势，提供了比当前的calldata Rollup更经济实惠的解决方案。
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通往Danksharding的道路还包括诸如 数据可用性抽样（DAS）、KZG承诺和提议者-创建者分离（PBS） 等关键组成部分。所有路径都通向中心化区块生产与去中心化无信任区块验证的终局。
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Verkle树 是迈向无状态的关键步骤。这些数据结构使节点能够验证区块，而无需存储整个状态数据库。
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高磁盘空间要求成为普遍节点访问的障碍，损害了去中心化。 历史数据过期（EIP-4444）和状态过期 旨在最小化历史数据存储负担并消除技术债务。
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其他值得注意的升级，对以太坊架构进行了精细化调整，包括 Single Slot最终确定性、分布式验证技术、Leader 秘密 选举 ，以及最近的 账户抽象 。
2、背景
以太坊于2015年推出，通过创建全球性结算层彻底改变了区块链行业。尽管激发了许多获得巨额融资的竞争性智能合约区块链的创建，但以太坊仍然是该领域的领导者。它拥有最庞大的开发者社区和多样化的去中心化应用程序（DApps）。目前，该平台的总锁定价值（TVL）超过210亿美元，仅次于比特币，在市值方面仅略低于2,000亿美元。下图1展示了以太坊近年来的一些重要里程碑，每一个都在提高可扩展性、安全性和去中心化性能的同时，对其增长做出了重大贡献。随着以太坊在基础Layer-1生态系统中继续获得影响力，加密社区对这个最大的L1的路线图和未来越来越感兴趣。毕竟，对最大的L1的任何更改很可能会产生深远影响，并在更广泛的加密市场引发连锁反应。
图1：以太坊区块链的主要里程碑、分叉和更新时间线
毫无疑问，The Merge是区块链历史上的一个重大时刻。然而，以太坊从工作量证明（PoW）向权益证明（PoS）共识机制的转变只是众多重要战略升级中的一个。开发路线图的一个重要焦点是提高可扩展性，具体是Layer-2 Rollups，以实现以太坊的总体目标：在不影响去中心化验证的前提下扩展计算吞吐量。
图2：以太坊的路线图分为不同且非连续的阶段
图3：以太坊路线图中的每个阶段都服务于一个围绕特定主题的功能
值得注意的是，尽管以太坊没有正式采用基于阶段的术语，而是选择了更面向用户的方法，但根据Vitalik的分类，愿景保持不变。在接下来的部分中，我们将更详细地探讨路线图各个阶段的关键举措。首先，我们首先介绍以太坊向PoS的过渡，探讨其影响和预期结果。然后，我们将继续探讨The Merge之后的内容，探索路线图中概述的一些关键后续阶段。
3、The Merge
与比特币类似，以太坊最初采用工作量证明（PoW）共识机制，使分布式网络的匿名参与者能够就交易验证和区块链记录达成一致意见。然而，以太坊一直以来都计划转向权益证明（PoS）机制。在这个系统中，区块生产者（在PoS下被称为验证者，而不是在PoW下被称为的矿工）操作全节点，质押协议的原生代币，并根据一套选择过程提出或验证区块。2022年9月15日标志着以太坊迎来了一个历史性的里程碑，即The Merge的实施。Vitalik本人已经评论了这一事件的重要性，甚至称The Merge将使网络的发展达到了大约55%的完成度。
简而言之，The Merge标志着以太坊向PoS系统的转变，通过两个关键升级展开：Bellatrix和Paris，它们包括以太坊改进提案EIP-3675和EIP-4399。The Merge涉及将以太坊的原始执行层（“EL”）与其新建立的PoS共识层（“CL”）合并，后者被称为Beacon链。
The Merge引入了一些网络参与者需要了解的关键修改。一个重大的变化是，全节点需要同时运行EL和CL客户端。在The Merge之前，单个EL客户端可以处理与交易和区块相关的所有任务。在The Merge之后，EL和CL客户端各自维护其自己的点对点网络。CL客户端处理区块传播、证明和惩罚，而EL客户端继续管理交易执行和状态维护。这两个客户端通过Engine API进行交互，共同构成一个完整的The Merge后以太坊节点。
最终，The Merge标志着实现以太坊对高度去中心化、可扩展、安全和可持续网络的愿景迈出了重要的一步。以下是升级带来的一些关键好处：
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降低能源消耗 ：通过消除高能耗的挖矿需求，The Merge大幅降低了以太坊的能源消耗，某些估计甚至降低了99.95%。这标志着历史上最重大的碳减排行动之一，将全球电力消耗降低了0.2%。而且，在ESG关切逐渐升温的时代，以太坊向PoS的转变对于那些注重ESG的机构来说，进入数字资产市场无疑具有吸引力。
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降低进入门槛 ：对专门硬件的需求降低了，使用户更容易作为验证者参与并可以在家中提供网络安全。
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较低的ETH净发行量：The Merge显著改变了以太坊的货币政策。通过消除矿工奖励，它大幅削减了新的ETH代币发行量，这构成了每日ETH发行量的一大部分。The Merge后，每日ETH发行量下降了约88.7%，相当于总供应量的0.52%年化发行率。在某些情况下，由于EIP-1559下的Gas费被销毁，净发行量甚至可能呈现通缩趋势。
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减少区块时间 ：假设没有空白区块，平均创建一个区块的时间已经从13.3秒减少到了稳定的12秒。
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提高加密经济安全性 ：向PoS的转变增加了发起网络攻击的经济成本，并减少了女巫攻击的风险。
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更强的确定性 ：网络现在提供了更强大的确定性保证，以证明惩罚和其他验证者罚款为基础。
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引入收益 ：引入了有意义的权益收益；验证者还可以获得交易优先费用，并有额外的机会获取矿工可提取价值（MEV）。
尽管The Merge本身已经过去了，但路线图上的一些正在进行的发展仍然需要考虑。例如，网络后来推出了额外的升级，特别是Capella和同时进行的Shanghai升级。这些后续升级中一个重要的功能是EIP-4895，正式允许取回质押的ETH。虽然这些特定的升级超出了本报告的范围，但有关更多详情，我们建议读者参阅我们早前的报告《以太坊上海升级：图解》。
分布式验证技术
虽然分布式验证技术（“DVT”）不是协议内的发展，但其引入标志着以太坊网络的又一重要步伐。传统上，运行以太坊节点一直是一项技术上具有挑战性的单人任务，要求质押32 ETH。虽然像Lido这样的平台提供了替代的质押选项，但这是以去中心化为代价的。DVT旨在通过增强验证者的性能和风险配置，同时促进更大规模的去中心化来解决这个问题。
DVT不同于单独质押32 ETH，它允许多方共同质押不同数量的ETH来共同操作一个节点。DVT的一个重要组成部分是多方计算（“MPC”），这个系统允许参与者共享一个单一的私钥，就像多重签名钱包（“multisig”）一样，共同作为分布式验证者。DVT不仅增强了节点验证的韧性（允许在硬件故障的情况下替代验证者），而且增强了安全性。DVT架构下的共享私钥使攻击者更难利用系统。
尽管DVT为网络带来了改进，但它也面临一系列需要关注的挑战。
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附加的漏洞 ：引入DVT节点会引入一个可能容易受到故障或漏洞影响的附加组件，增加了另一层风险。
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更高的成本 ：通过将验证者角色分散到多个参与方，DVT需要更多的节点进行操作，可能导致更高的运营成本。
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更高的延迟 ：DVT中多个节点之间使用一种共识协议可能会引入更高的延迟。
通过降低金融进入门槛，DVT使个人和小型DAO等能够更容易地访问以太坊的验证者领域。这对于个人和小型DAO尤其重要，因为它使他们能够参与而不需要大量的资本。通过这种方式，DVT有潜力去中心化当前在Lido和中心化交易所（CEXes）等平台上看到的集中质押权力。创新项目，如Obol和ssv.network，已经出现，以利用DVT提供的优势。展望未来，我们预计DVT将在独立抵押、抵押池和抵押即服务（“SaaS”）等用例中广泛应用，从而影响以太坊抵押行业的市场构成。
图4：几个今年发起的基于DVT的协议
领导者秘密选举（Secret Leader Election）
在当前的PoS共识模型中，每个epoch的32个slot的区块提议者的身份是公开已知的，这使得可以确定他们的网络位置。这为恶意行为者发动对已知区块提议者的拒绝服务（“DOS”）攻击留下了机会，以试图阻止区块生成。这种策略将使攻击者能够提取原本应该分布在多个slot上的奖励。这不仅构成了安全风险，而且还有可能不成比例地影响较小、较不安全的参与者，引发中心化担忧。
虽然有各种方法可以应对这一问题，包括DVT和秘密非单一领导者选举（“SnSLE”），但最有希望的解决方案似乎是秘密单一领导者选举（“SSLE”）。简单来说，SSLE旨在通过保持每个slot的提议者的身份直到他们实际提出一个区块来解决这一漏洞。尽管其实施的确切细节仍在研究中，但目前的讨论涉及使用各种验证者洗牌技术，以维护匿名性，直到正式提出一个区块。
单slot最终确定性（Single Slot Finality）
单slot最终确定性（“SSF”）代表了以太坊网络的另一项重大升级。SSF旨在将以太坊的区块确定性时间大幅缩短至一个slot，而不是当前的64到95个slot（约15分钟）。如今，要实现最终确定性（确保区块永久成为区块链的一部分）需要较长的等待时间以确保交易确认，这对依赖高交易吞吐量的DApps来说效率低下。这种时间滞后还会使网络面临短时重组的风险，可能导致区块审查和MEV提取方面的漏洞。虽然加快最终确定性过程可以解决这些问题，但也会增加验证节点的计算负担，影响网络参与。因此，在计算开销、去中心化水平和最终确定性达成速度之间需要取得平衡。
要使SSF成为现实，首先需要对现有的PoS系统进行重大改革。特别是，在实施SSF之前，必须解决三个关键挑战：开发精确的共识算法、优化签名聚合过程以及确定验证者参与的最佳经济方法。对于这些方面的详细信息，Vitalik的博客文章提供了大量细节。截止目前，SSF仍处于研究阶段，预计将在数年后实施，可能在Danksharding和Verkle树等其他重大升级之后。
回顾过去，尽管The Merge已经改变了以太坊的架构景观，但它只是更广泛、更全面的路线图的一个组成部分。以太坊发展的后续阶段与The Merge的结果密切相关。例如，向PoS的过渡为关键性增强（如Danksharding）奠定了基础，通过促进提议者和构建者的分离，在后续升级中提高了网络速度。现在，我们将把注意力转向以太坊多层次路线图的其他部分。
4、The Surge
The Surge旨在解决自区块链技术诞生以来一直困扰着它的可扩展性问题。人们常常提出一个问题：如果传统金融系统如Visa可以处理数千笔每秒的交易，为什么以太坊不能实现类似的性能？The Surge旨在通过专注于大幅提高以太坊的交易吞吐量的发展路径来填补这一差距。特别是，Danksharding（“DS”）是以太坊变成一个真正可扩展的区块链的方式，但要实现这一目标需要一系列的协议升级。接下来，我们将探讨其中一些重要的升级。
这些升级系列的一个关键原因是2020年引入了基于Rollup的路线图。正如Rollup-centric这个术语所暗示的，自那时以来，Rollup在以太坊生态系统中的重要性已经不断增加。在这种方法中，Rollup处理交易执行的计算密集型工作，而网络主要用于确保数据可用性（DA）。这一转变是由于L2的成熟，它们在现实世界应用中展示了计算优势，因此被视为最迅速提高可扩展性的途径。支持这一说法，L2持续经历显著增长，其每日交易量甚至超过了2023年的以太坊自身。
图5：每日交易量增长超过600％，L2已经证明它们是生态系统的主要组成部分
从以太坊的基础层面强调扩容并重新定位其主网以专门从事共识、结算和DA，将是以太坊战略的一个重要转折点，创造了一个自由市场竞争的土壤，用于交易执行。在当前市场环境下分析这一方法，这一方法似乎特别明智，鉴于L2 Rollup技术在当前景观中的不断崭露头角。事实上，L2在今年迎来了采用的激增，达到了五月的新高，数据发布费用超过了10,500 ETH。
图6：2023年，以太坊L2主网数据发布费用创下历史新高，年初增长超过257.7％
图7：以太坊L2在L1数据费用上的gas花费比例今年增长迅速，表明L2的影响力不断增强
尽管Optimisitc Rollup和ZK Rollup为可扩展性挑战提供了一些缓解，但这无可否认是一个权宜之计。现有的L2（如Arbitrum和Optimism）有时仍会产生次优的成本，这不是因为它们自身的设计不足，而是因为它们所构建的L1架构的限制。即使是最快的Rollup，有时也会受到需要提交大量数据以在L1上建立共识的需求而被卡住，而L1并不是为以高效的方式存储这些数据而设计的。
图8：当前市场上L2和以太坊的快照比较
DA问题源于Rollup与以太坊主网互动的当前方式；它们使用calldata来存储状态根，并不是为Rollup或满足其对DA的需求而优化的。这一限制不仅提高了L2上的交易成本，而且对必须下载这些数据的节点施加了相当大的负担。令人惊讶的是，超过90％的Rollup上的交易费用都被分配给了这些数据发布费用。这将我们带到了EIP-4844，它已经被提出来应对这些挑战，作为DS之路的起点。尽管在以太坊上直接进行交易仍将是一种选择，但目标是实现更便宜、更快速的L2，扩展以太坊的能力和多样性。
Proto-Danksharding（EIP-4844）
即将到来的Deneb-Cancun也即Dencun硬分叉是以太坊的下一个备受期待的升级之一，预计将在今年年底发生（值得注意的是，截止目前，没有确定的时间表，这些细节可能会有所变化）。尽管Dencun包括一系列更新，但焦点集中在EIP-4844上，通常被称为Proto-Danksharding（PDS）。PDS作为实现以太坊扩容愿景的初步步骤，提供了DS的一部分功能，以实现更快速的扩展收益。
图9：即将到来的Dencun硬分叉的一系列建议的EIPs
EIP-4844是实现以太坊扩展路线图的重要一步，特别关注降低Rollup相关运营成本。EIP-4844的关键属性之一是其能够显著降低DA成本，而这目前构成了L2开销的主要部分。该提案旨在通过创建专门用于DA的存储空间来实现这一目标，与主区块空间完全分离。这是通过引入blob-carrying交易来实现的，这是一种由信标链节点临时保留的新型交易类型。简而言之，这些是附加到交易的数据块，它们不仅显著降低了DA成本，还为大幅扩展数据存储容量铺平了道路。
引入blobs预示着以太坊网络上数据存储方式的重大变革。blobs非常大，平均约为125KB，这比典型的以太坊区块大得多。使用blobs比Rollup目前用于在以太坊主网上发布数据的calldata提供了更具成本效益的解决方案。一旦EIP-4844实现，calldata机制预计将在很大程度上被这些blobs取代。从根本上说，blobs中的数据空间预计将被L2 Rollup用来更好地最大化成本和性能，因此以更低的费率容纳大量交易。值得注意的是，随着专门的数据层的引入，EIP-4844还作为区块链扩展的模块化方法的一个重要测试场所。
根据EIP-4844中的参数，这些blobs的价格（以gas费形式）将根据blobs存储的供需情况在一个独立的市场机制下运作。这个blobs的费用市场将完全独立于区块空间的需求。因此，以太坊将运行一个二维费用市场，包括以下内容：
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第一维将根据EIP-1559运作，该机制为常规交易设置费用市场。
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第二维将引入一个新的blob费用市场，其中存储成本仅由blobs的供需影响。
这种双重费用市场结构承诺了网络资源分配的更大灵活性和效率，使以太坊更具可扩展性和经济效益。此外，引入分离的费用市场应产生效益，因为它将DA和交易执行的经济分开，允许根据其特定的供需动态来定价每个组件。与任何早期部署一样，blobs的使用预计将相对有限，即使在以太坊高网络活动的背景下也是如此。因此，与blob存储相关的成本预计将低几个数量级。
图10：PDS引入了一个定制的数据层，blobs具有自己独立的费用市场，具有独立的浮动gas价格和限制
数据可用性抽样（Data Availability Sampling）
尽管全面DS的实施细节尚未最终确定，但其一般思想很容易理解：DS将在验证者之间分配检查DA的工作。为此，DS使用一种称为数据可用性抽样（Data Availability Sampling，DAS）的过程。通过采用纠错编码技术，尤其是Reed-Solomon编码，DAS只要有一定比例的样本可用，就能确保数据完整数据集的可用性。该技术在超过50%样本可访问时在数学上保证了DA。这使得节点验证者，包括轻客户端，可以验证数据的可用性，而无需下载整个blob数据块。
考虑到DS的推出可能带来的一些挑战，DAS的角色变得更加关键。随着以太坊的采用不断增长，Rollup的数量和这些Rollup需要处理的数据也将增加，这将增加网络节点的数据负担。如果没有有效的解决方案，比如DAS，那么只有那些拥有大量资源的节点才能应对不断增长的数据需求。通过简化验证过程并减少总体数据存储需求，DAS不仅确保了DA，还促进了去中心化。它通过减轻个体节点的计算负担来降低了中心化风险，从而鼓励更多的参与者加入和维护网络。
图11：节点验证者能够通过DAS非常高效地验证区块
此外，值得注意的是，DS路线图涵盖了一个雄心勃勃的扩展策略，旨在最终将目标blob存储扩展到16MB。虽然区块大小的增加不对验证网络造成挑战 - 由于DAS的效率，但它确实为负责编码数据区块并分发数据的区块生产者带来了瓶颈。因此，这一发展也带来了需要考虑的一些问题。
特别是，区块生产者的要求增加可能会使不同参与者参与网络变得更加困难，从而使网络朝着更加中心化的框架发展。为解决这个问题，需要首先完成一个重要的升级，被称为建议的Proposer-builder Separation。这种分离旨在平衡不同网络参与者之间的计算负载，从而保持了以太坊核心理念的多样性和去中心化。稍后在本报告中将进一步探讨这个主题及其重要性。
KZG承诺（KZG Commitments）
实施DAS和纠错编码的挑战在于确保数据正确地扩展和验证。这是至关重要的，因为错误的纠错数据会使数据区块充满不正确或垃圾数据变得无法恢复。解决这个问题，KZG承诺用于提供数据已正确编码和扩展的加密保证。
KZG（Kate-Zaverucha-Goldberg）承诺使用多项式承诺方案来可证明地承诺某些值。换句话说，虽然DAS确认了纠错数据的可用性，但KZG承诺确认了原始数据的完整性。通常有两种方法来确保纠错数据的有效性：欺诈证据和ZK证明。Celestia等网络使用欺诈证据来实现这一目标，但以太坊社区选择了KZG承诺，更具体地说是提出了2维KZG。其他知名网络，如Polygon Avail，也使用KZG承诺。以下是KZG的相对优势和劣势：
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优势： KZG以其低延迟和对正确纠错的保证而受到赞誉，而不依赖于欺诈证据所固有的诚实和同步假设。
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劣势： KZG不具备抗量子特性，并需要可信设置，这可能引发对系统完整性的担忧。然而，KZG中的可信设置在n信任假设中运作。这意味着它只需要涉及的参与者总集合中的一个良好的参与者来保持设置的完整性，这使其比最初可能表现出的更强健。
总的来说，KZG承诺为以太坊的扩展路线图中DAS和纠错编码的实施带来了一种有效但不完全无缺的解决方案。然而，为了实现全面抗量子的以太坊的长期目标，以太坊路线图的后期阶段可能会从KZG过渡到不需要可信设置的抗量子的其他承诺方案。有关此主题的更多详细信息，建议阅读Dankrad Feist在KZG多项式承诺上的帖子。
对Layer-2 Rollup的影响
像EIP-4844和DAS这样的倡议的引入旨在显著提高以太坊的可扩展性和性能。这些变化不可避免地会对L2产生直接影响，L2已经在生态系统中打下了自己的基础。要更好地理解这种影响，关键是检查使用Rollup的成本结构。
与Rollup相关的成本通常分为固定成本和可变成本。固定成本包括三个主要元素：状态写入费用、有效性证明和以太坊基础交易费用。可变成本主要包括用于处理交易的L2 gas费和用于在以太坊区块中存储批处理数据的L1发布费，通常称为calldata成本。网络收入通常通过用户在执行交易时支付给Rollup运营商的gas费来覆盖这些成本。
图12：Rollup成本可以分为固定成本和可变成本
根据市场观察，目前Rollup的主要成本驱动因素是calldata成本。事实上，以Optimism为例，calldata的成本有时占Rollup交易费用的90%以上。这种主导地位凸显了旨在降低calldata费用的举措的潜力。特别是，EIP-4844的实施，引入了携带blob的交易和专用于DA的存储空间，可能在这方面产生重大变革。因此，很明显，降低calldata成本有望显著提高Rollup的经济可行性，并使其更加可取。
图13：L1发布费用一直是Rollup的主要成本驱动因素
重要的是，EIP-4844影响的不仅仅是成本效益。通过减少高交易负载用例（例如面向游戏和社交的dapp）的开销，它实现了更多的可扩展性，而不会妥协于去中心化或安全性，有效地远离了区块链可扩展性不可能三角的影响。虽然完整的DS将是可能进一步扭转可扩展性不可能三角问题的升级，但EIP-4844通过制定初步的PDS框架为这些变革性变化铺平了道路。
通过考虑来自Arbitrum和Optimism等领先Rollup的批处理数据的当前Blob空间需求，我们可以确定Blob的潜在需求将低于目标Blob数量几个数量级。Blob空间的初始低需求可能会导致较低的Blob费用，直到需求达到每个区块的目标Blob数量。这创造了一个有趣的动态市场，其中Blob的价格发现被推迟，直到需求超过初始的区块目标。因此，在此期间，预计数据价格将保持接近其基础水平，这意味着交易费用可能会大幅降低。这种有吸引力的成本结构可能会成为促进以太坊L2解决方案更广泛采用和利用的强大催化剂。
图14：在Blob需求接近目标水平之前，数据价格预计将保持接近其基础水平
然而，这些可能只是次要考虑因素，总体而言，PDS后Rollup的整体轨迹仍然是非常积极的。减少费用所产生的激励将使基于以太坊的Rollup在短期和中期内成为成本效益最高的区块链解决方案之一。以太坊社区也没有把这种乐观的前景视为理所当然，并正在积极审查各个方面。与加快Blob费用发现过程有关的主题，例如实施更高的Blob费用或降低Blob目标数量，已经在讨论中。
还值得一提的是，EIP-4844的最终成功与L2的持续发展密切相关，L2自身正处于市场整合期，可能会经历进一步的变化。尽管EIP-4844无疑旨在提高Rollup的成本效益，但影响它们更广泛采用的因素不仅仅是PDS和改善DA成本。尽管与以太坊相比，Rollup即使在今天也更具成本效益，但它们仍处于初级阶段，尚未提供与安全性、可用性或去中心化等方面等效的水平。在促进改进用户体验和互操作性的领域取得重大进展仍然至关重要。因此，尚不清楚是否会有大量的交易活动从以太坊转移到Rollup，以利用提供的成本节省。
最终，EIP-4844旨在通过PDS增强以太坊的交易能力，同时为最终实现完整的DS奠定基础。特别是，DS设定了一个未来的期望，即以太坊将成为一个统一的结算和DA层，从而为L2在长期内提供各种有益的用例打开了大门。例如，使用有效性证明的Rollup将能够与以太坊的EL进行同步调用。这可能为新的L2原语奠定了基础，为下一代dapp的开发创造了机会。然而，需要进一步的研究、共识和可能多个实施阶段才能实现DS的全面实现，这才能成为现实。PDS是目前令人兴奋的升级，是开发高效本地DA层和可扩展性的第一步。
5、 The Scourge
Scourge包括一系列升级，旨在减轻MEV的中心化，同时保持公平和透明的交易包含。提议者-创建者分离（PBS）是最重要的升级，DS和无状态性的路线图都要求PBS作为前提。
为了更好地理解背景，首先要提到什么是MEV。简而言之，MEV是矿工或验证者可以在区块奖励和交易费之外赚取的额外收入的度量标准。这是通过在区块内策略性地包含、排除或重新排序交易来实现的，而不是遵循基于费用的简单交易优先级。
尽管验证者在识别和利用MEV机会方面具有独特的优势（他们决定了包含的交易及其顺序），但大多数MEV收益实际上被称为搜索者的专门实体捕获，他们使用复杂的交易算法。不幸的是，竞争MEV提取所需的专业化是一种天生的中心化力量，与以太坊的最大网络参与原则相冲突。PBS是以太坊开发社区对这个问题的答案。
提议者—创建者分离
PBS旨在在今天由以太坊验证者执行的两个关键功能之间创建分工：提议区块和创建区块。在这个模型中，选择作为下一个区块提议者的验证者，即区块提议者，将区块创建任务（交易选择和排序）分配给区块创建市场的专门市场。这为创建者创建了一个明确的协议内角色，他们组装区块并出价以使其区块被提议者选择。在一个运作良好的市场中，竞争激烈的创建者将出价达到他们可以从区块中提取的MEV的全部价值，从而使去中心化验证者集能够获得大部分MEV奖励。因此，PBS能够有效地对抗MEV的中心化力量。
PBS的实施也意味着验证者失去了单独选择特定交易以包含或排除这个交易的能力，因为区块的内容现在由一个独立的实体确定。这种安排将区块组装的计算上具有挑战性的任务转交给更专业化的一方，从而允许验证者使用更低的硬件要求。这个设计对于DS特别有利，因为它的实施固有地对区块创建者施加了更大的计算负载。为了减轻普通验证者所承受的负担，PBS在DS路线图中发挥着重要作用。虽然这种设置确实将区块创建任务中心化，但它保留了区块验证的去中心化和无需信任的性质。这符合Vitalik Buterin在《终局》一文中的看法：所有路径都通向中央化的区块生产，但区块验证去中心化且无需信任。
关于PBS的技术实施的详细信息仍在考虑中，但使用commit-reveal方案的两slot框架是一个已经获得认可的选项。值得注意的是，commit-reveal方案对防止MEV很重要。在这种方法中，区块创建者提交他们的出价以及初步的区块头给提议者。然后，提议者选择一个获胜的出价和区块头，之后一个见证者委员会对其进行验证。一旦获得批准，区块创建者揭示完整的区块数据。
图15：两slot PBS的可视化表示
在PBS正式集成到以太坊之前，像Flashbots的MEV-Boost这样的第三方解决方案正在填补空白。MEV-Boost建立了一个区块创建的自由市场，有效地分离了提议者和创建者的角色。在这个系统中，提议者可以通过将区块创建任务委托给专门的创建者来最大化他们的MEV回报。然而，一个关键的不同之处在于MEV-Boost使用一个相互信任的中继来促进区块数据在双方之间的传输。这确保了提议者无法从创建者那里获得MEV。因此，尽管中继系统需要一定程度的信任，但它主要用于确认区块的有效性和存在性，从而消除了验证者直接信任创建者的需求。
图16：PBS只能通过运行来自Flashbots的第三方中间件MEV-Boost来实现
尽管MEV-Boost作为一个有用的临时修复，但随着未来的升级，如专门用于创建者专业化的DS，它的效用可能会减弱。在这种情况下，非专业化的验证者可能会发现在这种条件下原生创建区块变得困难。因此，预计在协议内的PBS最终将包含MEV-Boost提供的好处。PBS不仅保持了相同的角色分工，还促进了创建者的更容易去中心化，并消除了提议者对任何其他方的信任需求。
抗审查名单（Censorship Resistance List）
从PBS产生的一个重要外部性是它可能会增加中心化，特别是在交易审查方面。通过专门化区块创建者的角色，这个升级可能会使创建者能够有策略地出价超过竞争对手并排除特定的交易。为了应对这一问题，正在考虑一些旨在确保抗审查性的设计，如包含清单或部分区块拍卖的完整区块拍卖。一个建议是，区块提议者可以发布一个抗审查清单（censorship resistance list，crList），以突出他们认为不应该被审查的内存池中的交易。创建者将被要求在没有提供完整区块的情况下，从crList中包含这些交易。这些设计的细节仍在进行中，这使得这个领域在未来需要密切关注。
其他关注领域
除了PBS之外，还有其他值得关注的领域。寻找更公平地分配MEV的方式以抵消其中心化效应是一个例子。正在考虑的一个想法是由委员会驱动的MEV平滑（MEV smoothing），旨在尽可能均匀地分配MEV。另一个关注领域旨在燃烧MEV（burn MEV），将其价值重定向给所有ETH持有者，而不仅仅是ETH质押者受益。长期路线图上的最后一个重要项目是探索分布式区块创建。尽管许多即将到来的以太坊升级都承认了降低验证者计算负载的必要性，以减轻计算负担，但从长远来看，去中心化区块创建任务可能仍然是有益的。
总之，PBS处于研究的相对成熟阶段，代表了解决MEV和DS带来的挑战的重要一步。尽管PBS已经将中心化风险大多限制在了区块创建者身上，但仍需要额外的机制来确保交易包含的公平和透明。
6、The Verge
The Verge专注于一组升级，其主要目标是在以太坊内引入无状态性。通过消除验证者节点需要保留完整以太坊状态的需求，The Verge旨在简化区块验证的过程，使用增强的证明技术来实现这一目标。这个改变预计将显著减少验证者的存储和带宽需求，从而增强了去中心化。The Verge的最终愿景是为轻量级客户端提供与当前全节点相当的安全保障。
提供一些背景知识，以太坊中的“状态”指的是一个包括所有外部拥有账户（EOAs）、它们的余额、智能合约部署以及相关存储的综合账本。这个状态不是静态的；它会随着新用户的增加和新智能合约的部署而不断扩展。目前，全节点必须存储这个不断增长的数据集，以正确验证区块并确保状态转换正确，使验证过程本质上是有状态的。
然而，存储这些数据很昂贵，特别是对于吞吐量高的区块链，因为以太坊状态数据的不断增长大大膨胀了磁盘空间的使用。这种不断增长的存储要求因此提高了运行全节点的硬件要求，有可能对验证者产生中心化风险。为了解决这个问题，以太坊的开发社区提出了无状态性和Verkle树。
无状态性（Statelessness）
无状态性（Statelessness）实际上是指在执行特定角色或功能时无需手头上的状态。具体来说，以太坊旨在实现弱无状态性（weak statelessness），其中验证者可以验证区块，而无需持有完整的以太坊状态副本，尽管区块创建者仍需要访问状态来创建区块。由于区块创建和提议通过PBS分开，这种限制不太令人担忧。专门的区块创建者已经被预期能够有效处理状态的增长，因为它们是中心化的。
见证者在实现无状态性方面发挥着关键作用。它们实际上是用于启用无状态执行的密码学证明，区块创建者将在每个区块中包括这些证明。验证不需要访问完整的状态，而只需要访问区块内交易影响的部分状态。区块构建者将在每个区块中包括这些特定部分的状态，并通过见证者验证它们的准确性。
采用弱无状态性允许以太坊通过减轻状态增长带来的约束来扩展执行吞吐量。尽管大多数交易执行预计会转移到L2，但增强L1吞吐量仍然具有优势。例如，Rollups依赖于以太坊进行数据可用性（DA）和结算，需要L1执行。随着以太坊扩展其DA层，提交证明的摊销成本可能会成为Rollup费用的重要组成部分。然而，为了实现弱无状态性，需要更多的带宽，因为需要包含见证数据和证明。幸运的是，转向Verkle树将不再成为瓶颈。
Verkle树
目前，以太坊依赖Merkle-Patricia树来哈希和压缩其状态数据。然而，这种树结构中Merkle证明的大小可能会变得太大，使它们不太适用于无状态模型所需的见证。为了解决这个问题，以太坊计划过渡到Verkle树，这是一种更高效的数据结构。Merkle-Patricia树和Verkle树都共享一个重要的能力，即生成见证——密码学证明，允许任何人轻松确认状态根中特定信息的存在与公开可用。
Verkle树的优势在于它们在生成较小的证明大小方面效率更高。Merkle-Patricia树需要随着树的扩展而成倍增加哈希的数量，与Merkle-Patricia树不同，Verkle树利用向量承诺允许扩展，而不会按比例增加见证的大小。这种优化减少了需要传输的数据量，使无状态验证更加可行。
过渡到Verkle树将大大促进无状态客户端的普及。验证者将不再需要维护完整的以太坊状态副本。相反，区块创建者将提供一个Verkle证明，包含与特定区块相关的状态部分。验证者可以使用这些证明来验证区块，而无需访问完整的状态。这种方法还使得新节点可以立即开始验证区块，因为它们不需要同步完整的状态历史。
图17：Verkle证明要高效得多，因此它们可以作为有效的见证，以实现弱无状态性
7、The Purge
The Purge是一系列计划中的升级，旨在通过减少历史数据存储的负担和消除技术债务来简化以太坊协议。这对以太坊尤为重要，因为不断增长的历史数据和状态复杂性可能会提高节点存储需求，从而影响去中心化。一旦实施DS，风险就更高了，因为它预计将大幅增加平均区块大小。在这些升级中，EIP-4444尤为显著。
历史数据过期（History Expiry，EIP-4444）
EIP-4444旨在实施历史数据过期，这是一项升级，要求节点停止在点对点网络上托管超过一年的历史区块。删除历史数据显著减轻了节点运营者的磁盘空间需求。同时，它还通过消除适应历史区块不同版本的代码的需要，简化了客户端软件。此外，EIP-4444与PDS的结合确保了定期数据修剪；EIP-4444每年修剪一次，而PDS每月修剪一次数据区块。尽管这有助于减少节点的数据存储需求，但也引发了有关历史数据的保存和恢复的担忧。
删除历史数据对建立在以太坊上依赖于分析过去交易信息的应用程序而言，提出了挑战。尽管越来越多的人认为存储历史数据是最好在核心以太坊协议之外管理的责任，但客户端仍然具备从外部来源导入这些数据的能力。在以太坊网络之外，可能会出现各种获取历史数据的方法，无论是通过区块浏览器（如Etherscan）、索引服务（如The Graph）还是可能由以太坊基金会支持的更去中心化的解决方案。一旦实施了EIP-4444，历史数据的保存肯定会成为一个关注点。
状态过期（State Expiry）
如前所述，弱无状态性消除了验证者在验证区块时需要维护完整状态的必要性。但状态并不会消失；它的持续增长仍然是网络的长期挑战。为了解决这个根本问题，The Purge包括了一种称为状态过期（State Expiry）的东西。状态过期（State Expiry）自动修剪那些保持不变的状态部分，比如一年，将它们移到一个单独的树结构中，并从主要以太坊协议中删除它们。
状态过期（State Expiry）是以太坊发展路线图上较为遥远的升级之一，只有在迁移到Verkle树后才变得可行。尽管在实施无状态客户端后，状态过期的紧迫性似乎减弱了，但状态过期仍然有助于减轻以太坊状态上的空账户和其他空闲地址的负担。展望未来，L1和L2的吞吐量都有望随着时间的推移而增加。特别是，L2的状态增长速度可能会更快，有可能在未来的某个时候甚至影响高性能的块构建者。因此，对于管理状态增长的积极策略肯定是有益的。
总而言之，历史数据过期和状态过期仍在积极研究之中，它们的具体细节可能会随着路线图的进展而发生变化。在这些提案能够付诸实践之前，其他一些路线图项目，如PBS和Verkle树，需要首先完成。
8、The Splurge
The Splurge作为一个杂项类别，包括与前面章节的主题不太相关的升级。这一部分涵盖了一系列的发展，其中一些较为显著的升级包括账户抽象化、多维EIP-1559和可验证延迟函数。
账户抽象化（ERC-4337）
账户抽象化（“AA”）代表着一项关键升级，其中ERC-4337成为其中最重要的提案之一。AA指的是EOAs的账户和签名者之间关系的解耦。这使得用户可以将智能合约钱包作为其主要的以太坊账户，有效替代了传统的EOAs，从而提高了整体用户体验。值得注意的是，它通过在更高层系统中复制交易内存池的功能来实现这一目标，从而消除了对以太坊协议本身的更改需求。
图18：与修改共识层逻辑不同，ERC-4337在更高层系统中复制了交易内存池的功能
对AA的广泛热情是完全合理的，因为它具有一系列好处，其中一些如下所述。
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增强安全性： AA引入了多种身份验证和恢复选项，不再仅依赖于助记词进行帐户恢复和管理。
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提高用户体验： 处理EOAs和私钥的复杂性得以简化。AA使开发人员能够在用户体验方面进行创新，例如引入用户友好的安全功能和交易流程，使Web3钱包像Web2应用程序一样直观。
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批量交易： 与单独授权每个交易不同，AA允许用户将多个操作捆绑到单个操作中，这对于需要频繁交易的dapp（如游戏）更加方便。
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自动化交易： 这使用户能够设置定期付款和其他自动交易，这在当前的EOA系统中是不可能的。
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灵活的gas支付： AA允许以ERC-20代币支付交易费用，而不仅仅是ETH。它还允许第三方代付gas费，这对于引导新用户与网络互动可能会特别有益。
代币绑定账户（Token Bound Accounts，ERC-6551）
尽管这个升级与本阶段有些不同，但作为ERC-6551的一个特性，代币绑定账户（“TBAs”）是一个值得一提的AA相关发展。ERC-6551是一个新标准，赋予NFTs能够作为其自己的智能合约账户和钱包运行的功能，利用了一个无需许可的注册表。这使得所有者能够在TBA内进行NFT的保管。由于NFT需要在像游戏等情景中持有资产的需求日益增加，TBAs旨在克服阻碍NFT与其他链上资产互动的障碍。这一创新提供了一个灵活的框架，丰富了NFT领域，而无需对现有生态系统进行改动，为创新应用和额外的可能增强铺平了道路。
展望未来，可能会引入更多的EIP来将EOAs转换为智能合约钱包，其中一个旨在通过将所有账户标准化为智能合约钱包来简化协议的强制性转换提案。有关AA和TBA的更多信息，包括它们的增长和采用情况，请查看我们最近的报告：《关于账户抽象化的入门》。
多维EIP-1559
多维EIP-1559扩展了最初讨论的携带Blob的交易的概念。具体而言，PDS引入了一个多维EIP-1559费用市场，其中两个资源，Gas和Blob，具有分离的价格和相关的限制。多维EIP-1559强调了通过对以太坊交易所消耗的特定资源的成本进行分区来提高gas市场效率的潜力。目前，以太坊的gas是由几种不同的资源组成的，包括EVM执行、交易calldata、见证数据等等。
多维费用市场旨在解决与每种资源的平均负载和最坏情况负载之间差异所引发的挑战。通过根据每种资源自身的供需动态独立定价，多维EIP-1559有效地减少了平均负载和峰值负载之间的差异程度。这标志着以太坊生态系统内资源定价领域的重大进展，有助于解决gas费用不足的问题。
可验证延迟函数（Verifiable Delay Functions）
最后，要充分理解可验证延迟函数（“VDFs”），必须首先理解在以太坊这样的PoS区块链中随机性扮演的重要角色。在当前系统中，随机性主要来自存储在信标状态中的RANDAO值，对于公平分配任务，如区块提议和委员会分配，是非常重要的。
VDFs通过使用专用硬件执行一系列无法并行计算的计算，每个计算都需要一定的时间，称为延迟，从而提供了更强大的随机输出，并消除了潜在的偏见。重要的是，这些计算的结果可以迅速验证，无需专门的设备。简而言之，VDFs为以太坊提供了一个更稳健的随机性来源，这对未来某些应用程序的开发可能非常关键。
9、结束语
尽管以太坊从PoW到PoS共识机制的过渡标志着一个重要的里程碑，但该平台的发展之路远未结束。有了明确的路线图，开发团队正在积极推进各种升级，以实现它们的全部优势。
总结一下，SSF将显著改进以太坊的PoS架构，提供了更低的最终确定性和更好的用户体验。从PDS开始，The Surge旨在降低DA成本，将检查DA的工作分配给节点，提高了可扩展性，特别是对于L2s。The Scourge包括PBS来抵制MEV的中心化效应，并以可信的中立方式重新分配MEV收入。The Verge专注于通过迁移到Verkle树来实现无状态性，使无状态客户端能够在不需要本地拷贝以太坊状态的情况下验证区块。The Purge减少了历史数据存储和技术债务，以进一步简化协议。最后，The Splurge添加了一些附加功能；其中一个最近的重要补充是账户抽象化，它允许扩展钱包选择，改善gas市场效率，并增强功能性。
尽管这些升级中的许多仍处于初期阶段，尚未完全实施或定义，但本报告中提供的信息为一个不断变化的格局提供了一个快照。一旦完全实现，预计以太坊将显著提高计算吞吐量，同时保持其已有的领先的安全性和去中心化性。这将为广泛采用铺平道路，摆脱任何可扩展性或成本限制，从而有助于以太坊实现其创建一个通用、无需信任、无需许可的DA和结算层的目标。我们期待着看到以太坊路线图的下一阶段将如何展开。
