快速交易確認:改善以太坊用戶體驗的新方向

區塊鏈用戶體驗的一個重要方面是交易確認速度。近年來,以太坊在這方面取得了長足進步。得益於EIP-1559和轉向PoS後穩定的出塊時間,用戶在L1上發送的交易通常可在5-20秒內確認,大致相當於信用卡支付體驗。然而,進一步縮短確認時間仍有價值,某些應用甚至要求亞秒級延遲。本文將探討提升以太坊交易確認速度的幾種可行方案。

現有技術概述

單槽最終性

目前,以太坊的Gasper共識採用槽(Slot)和紀元(Epoch)的架構。每12秒一個槽,部分驗證者對鏈頭投票,32個槽(6.4分鍾)內所有驗證者輪流投票一次。這些投票被解釋爲類PBFT共識算法中的消息,兩個紀元(12.8分鍾)後提供強經濟保證的最終性。

近年來,這種方法逐漸顯露缺陷:一是復雜度高,槽級和紀元級機制交互容易出錯;二是12.8分鍾的等待時間過長。單槽最終性(Single Slot Finality, SSF)通過類Tendermint機制取代了這種架構,區塊N在N+1生成前即可最終確認。SSF保留了"非活躍泄漏"機制,允許超過1/3驗證者離線時鏈仍可繼續運行和恢復。

SSF的主要挑戰在於每個質押者每12秒需發布兩條消息,給鏈帶來巨大負載。雖然有一些緩解方案,如最近的Orbit SSF提案,但用戶仍需等待5-20秒才能確認交易。

Rollup預確認

近年來,以太坊一直遵循以rollup爲中心的路線圖,將L1設計爲支持數據可用性等基礎功能,供L2協議(如rollups、validiums和plasmas)使用,在更大規模上爲用戶提供同等安全性。

這導致了以太坊生態系統內的分工:L1專注於抗審查、可靠性和核心功能改進,L2則更直接地服務用戶需求。然而,L2希望爲用戶提供比5-20秒更快的確認。

理論上,創建去中心化排序器網路是L2的責任。一小羣驗證者可能每幾百毫秒就爲區塊籤名一次,並質押資產作爲保證。這些L2區塊的頭文件最終會發布到L1。

但L2驗證者集可能作惡:先籤署區塊B1,然後簽署衝突的B2並提前提交。一旦被發現,他們將失去質押資產。目前已有中心化版本的實例,但rollup在開發去中心化排序網路方面進展緩慢。要求所有L2都實現去中心化排序似乎不太公平,這幾乎等同於創建全新的L1。因此,有人提出讓所有L2(及L1)共用一個以太坊範圍內的預確認機制:基礎預確認。

基礎預確認

基礎預確認假設以太坊提議者是高度復雜的MEV相關參與者,通過激勵他們承擔預確認服務責任來利用這種復雜性。

其基本思路是創建標準化協議,用戶可支付額外費用,立即獲得交易將被納入下一區塊的保證,以及對交易結果的聲明。如提議者違約,將被罰沒。

這種機制既可用於L1交易,也可用於"基於"的rollups的L2區塊。

未來展望

假設我們實現了單槽最終性,使用類Orbit技術減少每槽籤名驗證者數量,同時推進降低32 ETH質押門槽的目標。槽時長可能增加到16秒,然後使用rollup預確認或基礎預確認爲用戶提供更快確認。最終我們得到一個新的紀元-槽架構。

這種架構難以避免的深層原因在於:就某事達成大致一致所需時間,遠少於達成最大程度"經濟最終性"所需時間。

主要原因包括節點數量和節點"質量"。"近似共識"只需少量節點,而經濟最終性需要大多數節點參與。專業化節點子集可將近似協議時間降至約2秒。

因此,紀元-槽架構似乎是正確方向,但不同實現間存在差異。值得探索的是在兩種機制間建立更強的關注點分離,而非像Gasper那樣緊密耦合。

L2的選擇

目前L2有三種合理策略:

1. 技術和理念上都"基於"以太坊,優化其基礎層屬性和價值觀。可視爲"品牌分片",也可在新VM設計等方面大膽創新。

2. 成爲"帶區塊鏈腳手架的服務器",充分利用中心化優勢,同時通過有效性證明、退出機制等確保安全性。

3. 折衷方案:擁有約百個節點的快速鏈,以太坊提供額外互操作性和安全性。這是許多L2項目當前路線。

對某些應用(如ENS、密鑰存儲、部分支付協議)來說,12秒出塊時間已足夠。其他情況則需要紀元-槽架構,其中"紀元"是以太坊的SSF,而"槽"則因應用而異。

關鍵問題是以太坊原生的紀元-槽架構能做到何種程度。如果槽時間能降至1秒,第三種方案的空間將大大縮小。

目前我們距離這些問題的最終答案尚遠。區塊提議者復雜度的演變仍存在較大不確定性。像Orbit SSF這樣的新穎設計爲探索提供了廣闊空間。選項越多,我們就能爲L1和L2用戶提供更好的體驗,也能簡化L2開發人員的工作。