以太坊升级路线图详解：从The Merge到The Splurge，以及Layer2和Layer3的未来以太坊正经历着一场史诗般的升级，旨在提升其可扩展性、安全性以及用户体验。这场升级并非一蹴而就，而是通过一系列精心规划的阶段逐步推进，每一个阶段都代表着以太坊在技术和架构上的重大飞跃
以太坊升级路线图详解：从The Merge到The Splurge，以及Layer2和Layer3的未来
以太坊正经历着一场史诗般的升级，旨在提升其可扩展性、安全性以及用户体验。这场升级并非一蹴而就，而是通过一系列精心规划的阶段逐步推进，每一个阶段都代表着以太坊在技术和架构上的重大飞跃。本文将深入探讨以太坊的升级路线图，从The Merge开始，一直到The Splurge，并深入分析Layer2和Layer3的未来发展，力求以清晰简洁的方式展现以太坊的演变历程。
一、The Merge：共识机制的转变与PBS的引入
The Merge是整个以太坊升级路线图中的一个里程碑式阶段，标志着以太坊从工作量证明（PoW）共识机制向权益证明（PoS）共识机制的过渡。在这个阶段，以太坊的信标链与主链合并，实现了PoS共识。为了更好地理解这一转变，我们可以将以太坊的结构简化为以下模型：
[此处应插入一张简化的以太坊结构图，展示信标链、执行层和分片之间的关系。]
在PoW机制下，矿工负责打包区块和维护网络安全。而PoS机制则引入了验证者这一角色，他们通过质押ETH来参与区块验证。The Merge后的PoS工作流程如下：
1. 交易提交至Rollup：用户交易首先提交到Rollup，这是一个以太坊的二层扩容方案。
2. 验证者添加交易至分片区块：Rollup上的验证者将交易添加到各自负责的分片区块中。
3. 信标链选择区块提议者：信标链负责选择一个验证者作为区块提议者，负责构建新的区块。
4. 委员会验证分片区块：其余的验证者组成随机委员会，对分片上的提议区块进行验证。
5. 区块提议和验证：区块提议和验证都需要在一个slot（通常为12秒）内完成。
6. Epoch周期：每32个slot组成一个epoch周期，每个epoch都会重新洗牌验证者排序并重新选举委员会。
The Merge之后，以太坊的共识层将实现提议者-构建者分离（PBS）。Vitalik Buterin认为，所有区块链的最终状态都将是中心化的区块生产和去中心化的区块验证。由于分片后的以太坊区块数据非常密集，为了保证数据可用性，中心化的区块生产是必要的。同时，必须有一种机制来维护一个去中心化的验证者集合，负责验证区块并执行数据可用性采样。矿工和区块验证者的分离，使得矿工专注于区块构建，并将构建好的区块提交给验证者，验证者再通过出价和投票来决定区块的有效性。
分片作为一种分区方式，可以在P2P网络中分散计算任务和存储工作负载。通过分片，每个节点无需负责处理整个网络的交易负载，只需维护与其分区（或分片）相关的信息即可。每个分片都有自己的验证者网络或节点网络。
然而，分片也带来了一些安全挑战。例如，如果整个网络有10条分片链，破坏整个网络需要51%的算力，那么破坏单个分片只需要5.1%的算力。为了解决这个问题，以太坊计划引入SSF（Sufficiently Secure Fragmentation）算法，有效防止51%算力攻击。Vitalik Buterin指出，转向SSF是一个长期的路线图，即使目前已经做了大量工作，它也将在PoS、分片和Verkle树完全推出之后才实施。
信标链在整个以太坊网络中扮演着重要的协调角色。它负责生成随机数，将节点分配给不同的分片，捕捉单个分片的快照，以及完成分片间的通信和网络同步。信标链的执行步骤如下：
1. 区块生产者承诺区块头和出价：区块生产者将区块头和出价一起提交给信标链。
2. 信标链选择获胜区块：信标链上的验证者选择获胜的区块头和出价，无论区块打包者是否最终生成区块体，都将获得中标费。
3. 委员会投票确认区块头：随机选取的委员会验证者投票确认获胜的区块头。
4. 区块打包者披露区块体：区块打包者最终披露区块体。
二、The Surge：以Rollup为中心的扩容
The Surge阶段的主要目标是推动以Rollup为中心的扩容。Surge指的是添加以太坊分片，这是一种扩容解决方案，旨在进一步降低Rollup的成本，并简化用户操作。
[此处应插入一张简化的以太坊分片结构图]
我们以zkRollup为例，说明其运行原理：zkRollup分为排序器（sequencer）和聚合器（aggregator）。排序器负责将用户交易排序并打包成批次，发送给聚合器。聚合器执行交易，生成前状态根（prevstateroot）和后状态根（poststateroot），以及证明（proof）。最后，聚合器将前状态根、后状态根、交易数据和证明发送到L1上的合约，合约负责验证证明的有效性，交易数据存储在calldata中。
zkRollup的数据可用性允许任何人根据链上存储的交易数据还原账户的全局状态。然而，使用calldata的费用非常昂贵。因此，EIP-4844协议（可能会随时更改）提出将交易区块的大小增加到1～2MB，为未来的Rollup与数据分片打下基础。目前以太坊的区块大小约为60KB～100KB，EIP-4844可以将区块大小极限提升10～34倍。这种新的区块格式被称为blob（也可以称为数据分片datashard）。
三、The Scourge：解决MEV问题
The Scourge阶段主要关注MEV（最大可提取价值）问题的解决。MEV最初被称为矿工可提取价值（Miner Extractable Value），指的是在PoW机制下，矿工可以根据自己的利益调整交易的顺序和包含情况，从中提取额外价值。在PoS机制下，验证者承担了矿工的角色，因此将名称改为最大可提取价值（Maximal Extractable Value）。
MEV的套利空间包括：
1. 压缩存储空间：通过压缩存储空间，获得gas费用的价差。
2. 裁判员抢跑：搜索mempool中的交易，寻找有利可图的交易，然后使用更高的gas费抢先执行。
3. 寻找清算目标：快速解析区块链数据，寻找可以清算的借款人，并抢先提交清算交易。
4. 夹心交易：监视DEX的大额交易，在大额交易前后执行最优买单和卖单，从中获利。
MEV的缺陷在于：
1. 用户体验恶化：某些形式的MEV，如夹心交易，会导致用户滑点增加，交易执行变差。
2. 网络拥堵：抢跑行为导致网络拥堵，提高其他用户的gas费。
3. 区块链不稳定：如果MEV收益远高于区块奖励，矿工可能会被激励重新组织区块，导致共识不稳定。
大部分MEV是由称为「搜索者」的独立网络参与者提取的。他们使用复杂的算法和机器人自动提交盈利交易。以太坊上的MEV问题导致网络拥塞和高昂的费用。
四、The Verge：Verkle树和无状态客户端
The Verge阶段将实现Verkle树（一种数学证明）和无状态客户端。Verkle树允许用户成为网络验证者，而无需在他们的机器上存储大量数据。这是围绕Rollup扩容的一个步骤。
在zkRollup中，聚合器提交证明，L1上的验证合约只需要验证blob中的KZG承诺和生成的证明即可。KZG承诺确保所有交易都被包含在内。The Verge确保验证过程非常简单，只需要下载少量数据并执行基本的计算即可验证Rollup提交的证明。
ZKRollup有多种方案，如stark、snark和bulletproof等，各有优劣。SNARKs目前比STARKs更易上手，但随着STARKs技术的迭代，最终会逐渐转向抗量子攻击的STARKs。
虽然EIP-4844通过引入blob交易格式扩大了区块容量，但零知识证明的主要瓶颈仍然在于证明算法本身。一方面需要改进算法，另一方面需要堆叠硬件来提高证明效率，这催生了ZK挖矿赛道。
五、The Purge：减少存储空间
The Purge阶段的目标是减少存储ETH所需的空间量，简化以太坊协议，并减少节点存储历史数据的需求。这将极大提升网络带宽。
EIP-4444提案规定客户端不再需要存储超过一年的历史数据，并允许导入和导出历史数据。
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