Vitalik 的合併後以太坊藍圖 (4) The Verge:Verkle Trees 施行無狀態驗證,Apple Watch 都可當節點
以太坊共同創辦人 Vitalik Buterin 近期連續撰寫關於以太坊未來藍圖的文章,他在第四篇《The Verge》中提出了普及化區塊鏈驗證網路的概念,這也是 The Verge 的願景。
Vitalik 表示,區塊鏈技術的一個強大特點是,任何人都可以在自己的電腦上運行節點,並驗證區塊鏈的正確性。即使 95% 的節點試圖改變規則,任何運行完整驗證節點的用戶仍能拒絕接受新的區塊鏈,並繼續遵循舊的規則。這種去中心化的特性是區塊鏈相較於集中化系統的核心優勢之一。然而,這種優勢的前提是,運行一個完整驗證節點必須對大多數人來說是可行的。
目前,儘管在消費級筆記型電腦上運行節點是可能的,但這並不容易。The Verge 的使命就是要讓這一過程變得更簡單,使得運行完整驗證的成本足夠低廉,讓每一個手機錢包、瀏覽器錢包,甚至智慧手錶都可以自動進行區塊鏈驗證。
(Vitalik 的合併後以太坊藍圖 (1) :考慮修改共識提高最終確認速度)
(Vitalik 的合併後以太坊藍圖 (2):目標達成 10 萬 TPS、重拾 Plasma 鏈外擴展、統合 L2 生態系)
Verge 的 2023 年路線圖:驗證技術革新 Verkle Trees
最初,「Verge」是指將以太坊狀態存儲轉換到 Verkle Tree,這是一種允許更壓縮證明的結構,使得區塊的無狀態驗證 (stateless validation) 成為可能。現在,Verge 不僅限於這一技術,還包括通過零知識簡潔非交互知識證明 (SNARKs) 技術來驗證整個以太坊執行的宏大願景。
(關於無狀態:不是只有區塊鏈!無狀態基礎設施如何帶來高效率的去中心化網路)
無狀態驗證:Verkle Trees 與 STARK 技術
Verkle Trees 解決什麼問題
Vitalik 表示,現在以太坊節點需要存儲數百 GB 的狀態數據來驗證區塊,這對於許多用戶來說是一個巨大的技術負擔。隨著每年數據的增長,普通用戶的電腦儲存空間有限,使得運行完整驗證節點變得困難。這不僅減少了節點的運行者數量,也使得新節點的同步過程非常繁瑣且耗時。
Verkle Trees 運作原理
無狀態驗證透過將每個區塊與證明數據 (見證) 一起傳輸,使得節點不必存儲整個狀態來驗證區塊。這樣的驗證過程需要改變當前的以太坊狀態樹結構,因為現有的 Merkle Patricia tree 並不適合進行高效的加密證明。因此,當前的焦點轉向使用 Verkle trees 或 STARKed binary hash trees。
Verkle Trees 技術的突破與挑戰
Verkle Trees 有什麼優勢?
Vitalik 解釋,Verkle Trees 透過使用橢圓曲線向量 (elliptic curve-based vector) 確保生成更短的證明,理論上使得證明的大小大幅減少。這種技術可以讓節點之間傳輸更少的數據,從而大幅降低節點同步和驗證的成本。
Verkle TreesVerkle Trees 有什麼挑戰?
Vitalik 認為,儘管 Verkle Trees 在證明大小方面表現出色,但它對抗量子計算機的安全性較差,這可能表示將來還需要進一步升級為量子安全的技術。此外,在最壞情況下,證明數據仍然可能過大,尤其是在遇到惡意節點攻擊時,這使得這種技術在某些情境下仍具有一定的風險。
STARKed binary hash trees:另一種未來選擇
Vitalik 表示,STARKed binary hash trees 技術是一種替代方案,它透過生成證明來顯著減少驗證過程中所需的數據量。雖然這種技術具有潛力,但它的主要挑戰在於生成證明的計算時間較長,特別是在當前硬體上仍需進一步優化才能實現大規模應用。
Verge 的關鍵目標與未來應用
無論是採用 Verkle Trees 或是 STARKed binary hash trees,都朝向以下目標:
1. 無狀態客戶端:在不需要存儲大量狀態數據的情況下,讓完整驗證客戶端和驗證節點能夠運行。
2. 智慧手錶上的完全驗證:長期目標是使得智慧手錶等設備能夠下載少量數據並驗證整條鏈。
此外,Verge 技術還將應用於以下幾個關鍵領域:
- 交易池:驗證節點在轉播交易前,需要確認其有效性,而無狀態驗證技術能使這一過程更加高效。
- 輕客戶端:Verge 技術可以使輕客戶端像 Metamask 等錢包不再依賴中心化服務來驗證交易。
以太坊有效性證明優化目標
EVM 執行層的有效性證明
最終的目標是讓以太坊區塊驗證變得極為低資源化。用戶只需下載少量數據,並驗證一個小型證明,就能確認區塊的有效性,這使得輕量級客戶端的使用變得更加普及和可行。
共識層的有效性證明
以太坊的共識層證明涉及驗證質押者簽名、處理存款與提現等操作。雖然共識層相對簡單,但其驗證仍然需要解決高效計算 BLS 簽名以及 SHA256 雜湊等問題。未來的挑戰將集中於如何進一步優化這些過程,以實現低資源且高效的共識驗證。
總體來說,Verge 是以太坊未來的一個關鍵里程碑,它不僅代表著技術上的突破,也為以太坊的去中心化與可擴展性提供了新的可能。
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