以太坊协议的未来发展：Splurge 阶段

感谢 Justin Drake 和 Tim Beiko 的反馈和评论。

在以太坊协议的设计中，许多“小事情”对以太坊的成功至关重要，但并不适合归入更大的子类别。其中大约一半最终与各种 EVM 改进有关，其余则由各种小众主题组成。这就是“Splurge”阶段的目标。

Splurge：主要目标

• 将 EVM 带入高性能和稳定的“最终状态”。
• 将账户抽象化引入协议，让所有用户都能从更安全、更便捷的账户中受益。
• 优化交易费用经济，提高可扩展性，同时降低风险。
• 探索可以让以太坊在长期内变得更好的高级加密技术。

EVM 改进

问题: 现在的 EVM 难以进行静态分析，导致难以创建高效的实现、正式验证代码以及随着时间的推移进行进一步扩展。此外，它的效率非常低，因此难以实现多种形式的高级加密技术，除非通过预编译明确支持它们。

解决方案: 当前 EVM 改进路线图的第一步是 EVM 对象格式 (EOF)，计划包含在下一次硬分叉中。EOF 包含一系列 EIP，用于指定具有许多独特功能的 EVM 代码的新版本，最值得注意的是：

• 代码（可执行，但不能从 EVM 读取）和数据（可读，但不可执行）之间的分离。
• 禁止动态跳转，仅允许静态跳转。
• EVM 代码不再能观察到与 gas 相关的信息。
• 添加了新的显式子程序机制。

旧式合约将继续存在并可创建，尽管最终可能会弃用旧式合约（甚至可能强制将其转换为 EOF 代码）。新式合约将受益于 EOF 带来的效率提升。

引入 EOF 后，引入进一步的升级变得更加容易。目前最完善的是 EVM 模块化算术扩展 (EVM-MAX)。EVM-MAX 创建了一组专为模块化算术设计的新操作，并将它们放入无法通过其他操作码访问的新内存空间中。这允许使用优化，例如蒙哥马利乘法。

一个较新的想法是将 EVM-MAX 与单指令多数据 (SIMD) 功能相结合。SIMD 可用于加速多种形式的加密，包括哈希函数、32 位 STARK 和基于点阵的加密。EVM-MAX 与 SIMD 共同构成了 EVM 的一对以性能为导向的扩展。

账户抽象

问题: 目前，交易只能通过一种方式进行验证：ECDSA 签名。账户抽象旨在超越这一点，并允许账户的验证逻辑为任意 EVM 代码。这可以实现一系列应用，包括：

• 切换到抗量子加密技术。
• 轮换旧密钥。
• 多重签名钱包和社交恢复钱包。
• 使用一个密钥对低价值操作进行签名，使用另一个密钥（或一组密钥）对高价值操作进行签名。
• 允许隐私协议在没有中继器的情况下工作。

解决方案: EIP-7702 是计划在下一次硬分叉中引入的 EIP。它使账户抽象的“便利功能”可供所有用户使用，包括 EOA（外部拥有的账户，即由 ECDSA 签名控制的账户）。

为了实现账户抽象的最初安全目标，需要允许智能合约代码控制交易验证。ERC-4337 提供了一种解决方案，将用户操作的处理分为两个阶段：验证和执行。

ERC-4337 被设计为协议外标准 (ERC)，但最近意识到有必要将其至少部分内容纳入协议中，主要原因是：

• EntryPoint 作为合约的固有低效率。
• 需要确保以太坊属性（例如由包含列表创建的包含保证）延续到账户抽象用户。

EIP-1559 改进

问题: EIP-1559 于 2021 年在以太坊上启动，并显著改善了平均区块包含时间。然而，它的当前实施在几个方面并不完善。此外，以太坊资源定价还有其他与 EIP-1559 无关的弱点，但可以通过调整 EIP-1559 来解决。

解决方案: 解决这些低效率问题的方法是多维 gas：对不同的资源设置不同的价格和限制。EIP-7706 为调用数据引入了一个新的 gas 维度。同时，它通过使所有三种类型的 gas 都属于一个（EIP-4844 风格）框架来简化多维 gas 机制，从而也解决了 EIP-1559 的数学缺陷。

可验证延迟函数 (VDF)

问题: 以太坊使用基于 RANDAO 的随机性来选择提议者。基于 RANDAO 的随机性的工作原理是要求每个提议者透露他们提前承诺的秘密，并将每个透露的秘密混入随机性中。这对于寻找提议者来说是合理的，但对于需要随机性的链上应用程序来说，这是不行的。

解决方案: 可验证延迟函数是一种只能按顺序计算的函数，无法通过并行化加速。一个简单的例子是重复哈希。输出经过 SNARK 正确性证明，可用作随机值。创建成功的 VDF 的任务是避免意外优化，同时保持效率实用。

混淆和一次性签名：密码学的未来

问题: 现在，我们只能部分地接近“上帝协议”的理想。如果我们需要的只是一台透明的虚拟计算机，其中的数据和计算不能被关闭、审查或篡改，但隐私不是目标，那么区块链可以做到这一点。如果隐私是一个目标，那么直到最近，我们只能为特定应用程序制定一些特定的协议。

解决方案: 我们有三种极其强大的通用原语：ZK-SNARK、完全同态加密 (FHE) 和不可区分混淆。这些协议非常强大，可以实现任意程序的加密保证。

• ZK-SNARK 允许用户证明他们所持有的数据的任意陈述，其方式是：证明 (i) 易于验证，并且 (ii) 不会泄露除陈述本身之外的任何数据。
• FHE 允许您在不查看数据的情况下对加密数据进行任何计算。
• 不可区分混淆让你可以创建一个执行任意计算的“加密程序”，这样程序的所有内部细节都被隐藏了。

结合使用混淆和一次性签名，我们可以构建几乎完美的无需信任的第三方。我们无法仅使用加密技术做到的唯一一件事，也是我们仍然需要区块链做到的事情，就是保证抗审查性。

结论

“Splurge”阶段的目标是实现以太坊协议的进一步优化，包括 EVM 改进、账户抽象、EIP-1559 改进、可验证延迟函数 (VDF) 以及混淆和一次性签名等高级加密技术。这些改进将使以太坊更加安全、可扩展和私密，并为未来的应用程序和协议铺平道路。

重要提示: 本文仅提供以太坊协议未来发展趋势的概览，具体的实施细节和时间表可能会有所变化。请关注官方发布的最新信息。