以太坊坎昆升级前瞻：一览 EIP-4844 等改进提案

分片 Blob 交易等 EIP 有望 2024 年 3 月至 4 月正式实施


以太坊「坎昆升级」目前又有新的进展：2023 年 12 月 8 日，在以太坊基金会的 176 次会议上，开发人员一致同意，如果事情进展顺利，将在 2024 年初定 Goerli 分叉日期，目标是能在 2024 年 1 月激活 Goerli Dencun 测试网。


而关于以太坊「坎昆升级」最终完成的具体时间，根据行业人士对目前协议开发进度、测试完成进度的推测，预计能够在 2024 年 3 月~ 4 月期间正式实现升级。


以太坊「坎昆升级」的意义，不亚于「Shapella 升级」—— 因为这次升级是以太坊实现进一步扩容的关键，能够增加以太坊网络每秒能够响应的交易量，也将开启以太坊数据存储和检索能力的发展新阶段。


对于持有数字资产的区块链用户，以太坊「坎昆升级」将为数字资产交易带来的最直观的变化是：以太坊 Layer2 网络上的数字资产交易所需的 Gas 费用将显著降低，降幅或将达到 14 倍。


imToken 现已支持以太坊上所有的 Layer2 网络和 EVM 兼容链，待「坎昆升级」完成之后，持有数字资产的用户可以通过 imToken 体验性价比更高、Gas 费用更便宜的以太坊 Layer2 网络的资产交易。此外，imToken 支持 OP 和 Polygon，直接使用 imToken 的 Swap 功能也能享受相对更低的网络操作费用。


对于区块链开发人员，需要注意的是：以太坊「坎昆升级」2024 年正式实现后，Goerli 测试网将不再使用，建议开发人员尽早迁移使用 Sepolia 测试网。


imToken 现已全面支持 Sepolia 测试网，通过「水龙头」入口支持 Sepolia 测试网的测试资产认领。


了解「坎昆升级」


坎昆，是墨西哥一个著名的旅游城市，也是 Devcon 3 大会的举办地，按照以太坊升级命名的规律，以地名命名的升级，是针对以太坊执行层的升级。

此次「坎昆升级」同步的以太坊共识层升级代号为 Deneb，因此，这次以太坊升级执行层和协议层的完整版正式名称已被确定为「Dencun 升级」，Dencun 是 Cancun （坎昆）+ Deneb 的合成词。

以下是「坎昆升级」值得重点关注的改进协议（简称 EIP），让我们一起了解。

01 「坎昆升级」的主角：

EIP-4844 以太坊分片的原型


▶ 改进目标：解决以太坊的可扩展性（即扩容需求），帮助降低以太坊第 2 层（Layer2） Rollups 解决方案的交易成本，提升 Rollups 的速度。

▶ 改进背景：以太坊第 1 层主网（Layer1）的费用一直居高不下，迫切需要必要的改进，来降低整体操作费用。

目前，以太坊上的扩展解决方案主要是第 2 层的 Rollups。

在实践中，Rollups 解决方案帮助用户节约了很多操作费用（下文简称 Gas Fee），比如代表项目 Optimism，Gas Fee 的常规开销只有 0.001 gwei，远低于以太坊第 1 层主网的常规开销；ZK Rollups 的解决方案具有更好的数据压缩性能，并且不需要包含签名数据，费用更低，甚至可以降至以太网第 1 层主网的百分之一。

但是，对于更广泛的用户而言，即使经过 Rollups 解决方案，Gas 费用依然还是相对昂贵的负担。此外，以太坊处理并行交易的效率仍然较低，每秒钟最多只能处理两位数的交易量，这些都需要新的改进方案去帮助提升可扩展性。

分片（Sharding）—— 是解决上述问题的一个强大的改进方法，但现在的以太坊还实施不了，而改进方案 EIP-4844 的适时提出，则是为解决上述需求与落实分片升级之间，找到了一个能够适用于现阶段以太坊的权衡之计，为以太坊未来实现整体数据分片奠定前期的技术基础。

因此，EIP-4844 曾被称为 「Proto-danksharding」，即「分片的原型」。dank 这个单词也别有来头，是取自以太坊研究人员 Dankrad Feist 的名字，他曾经表示：「EIP-4844 将成为 Rollups 的加速器。」。

目前，为了更加直观地展示 EIP-4844 的技术改进内容，EIP-4844 改进协议的标题已统一描述为 「Shard Blob Transactions」，即「分片 Blob 交易」。

▶ 改进内容（已完成的技术改进）：

  • 引入 Blob 交易：Blob，是 Binary Large Object 的简称。Blob 交易是一种新的、将在未来分片中使用的交易类型。

  • 引入实施未来完整分片所需的所有执行层逻辑。

  • 引入实施未来完整分片所需的所有执行层和共识层的交叉验证逻辑。

  • 实现信标区块验证（即以太坊第 2 层数据）和 Blob 数据可用性采样之间的分层。

  • 引入信标区块实施未来完整分片所需的大部分逻辑。

△ 完整分片构想图 （Vitalik Buterin 著）

图源：foresightnews


▶ 注意事项：Blob 被设计出来的初衷，是要帮助承载以太坊第 2 层的数据。与此同时，Blob，这组数据向量，是由以太坊共识层的节点进行存储，因此不能够被执行层的以太坊虚拟机（简称 EVM）读取，而正是这种数据的分离，实现了以太坊第 2 层 Rollups 解决方案费用的降低。


此外，Blob 的数据会在 18 天之后被删除。


为了减少改进提案给主网造成压力，相比未来实施完整分片，EIP-4844 对每个信标块增加的存储空间设置了上限，至多限制在约 0.5 MB 的数据量大小（约 4 个 Blob），但这个上限预计在未来会提高。

△  数据更新于 2023/12/11

△  数据来源：I2fees.info，统计于 2023/12/8



02 「坎昆升级」确定实施的改进提案一览：EIP-4844/EIP-1153/EIP-6780/EIP-4788/EIP-5656/EIP-7516


除了上文所述备受关注的改提案 EIP-4844，截至 2023 年 12 月 8 日，此次「坎昆升级」已确定正在实施的改进提案还包括：

▶ EIP-1153「Transient Storage Opcodes」：添加瞬态存储操作码。瞬态存储是专门用来解决区块内部通讯的解决方案。

瞬态存储不改变现有操作的语义，瞬态存储的数据在每次交易后会被丢弃，不会访问服务器磁盘，使用后也无需清除存储槽，客户端也不需要加载原始数据。

因此，相对来说，使用瞬态存储解决区块内部之间通讯问题的优势在于 Gas Fee 较低，且未来的以太坊数据存储设计中不需要考虑因临时存储而产生的操作费用退费的情况。但是，EIP-1153 并不适用于解决现有智能合约中临时存储数据的使用问题。

▶ EIP-6780「SELFDESTRUCT only in same transaction」：修改  SELFDESTRUCT 操作码的功能，为未来以太坊应用 Verkle Tree 架构(常见简称「沃克尔树」)做准备。

当前，以太坊应用的是 Merkle Tree 架构（常见简称「默克尔树」）架构，使用 SELFDESTRUCT 操作码可以对账户状态进行大量更改，比如，可以删除代码和存储。但是，当未来以太坊上应用 Verkle Tree 架构时，就无法轻易对账户进行修改或删除，因为 Verkle Tree 架构会把每个账户存储在不同的账户密钥中，这些密钥不会连接到根账户。

因此，EIP-6780 提出了对 SELFDESTRUCT 操作码功能的修改建议。根据 EIP-6780，修改后的 SELFDESTRUCT 操作码，在使用中不再具备更改或删除账户的能力，将只用于传送 ETH 给调用者，但有一种例外的情况是，当 SELFDESTRUCT 在由一个智能合约创建的相同交易中被调用。

△  以太坊坎昆升级相关改进提案在客户端的实施进度(截至 2023/12/8）

图源：github@Cancun Network Upgrade Specification


▶ EIP-4788「Beacon block root in the EVM」：在以太坊虚拟机中公开信标链区块根。信标链区块根是一种密码蓄能器（Accumulators），用于证明任意的共识状态。

在以太坊虚拟机中公开信标链区块根会允许实现对以太坊共识层最小化信任的访问。这也是一个有助于用例开发的改进协议，将支持 Staking Pools 、智能合约桥等用例改进其信任假设（Trust Assumptions）。

▶ EIP-5656「MCOPY - Memory copying instruction」：提供一个能够用于复制内存区域的、高效的以太坊虚拟机指令。内存复制是一个基础操作，对于各种计算量大的操作非常有用，不过未来实施到以太坊虚拟机上也会产生操作费用。

EIP-5656 引入的指令是一个以前不存在的新指令，已经发布的智能合约如果使用这个新指令要注意兼容性，可能需要调整操作。

▶ EIP-7516「BLOBBASEFEE opcode」：引入操作码 BLOBBASEFEE。该操作码与 EIP-3198 协议关联的 BASEFEE 操作码相同，只是 BLOBBASEFEE 是根据此次坎昆升级中的 EIP-4844 协议返回 Blob 基本费用。


在「坎昆升级」日程正式确定之初（2023 年 4 月 ~ 5 月左右）曾热议的、可能会被加入「坎昆升级」的执行层协议 EIP-2537（预编译 BLS12-381 曲线操作）、EIP-5920（引入新的操作码 PAY），截至 2023 年 12 月 8 日，依旧尚未展示在升级日程时间表中。




△ 客户端集成测试进度，Devnet-12 已激活(截至 2023/12/8）

图源：github@Cancun Network Upgrade Specification



「坎昆升级」同步的以太坊共识层「Deneb 升级」

确定实施的改进提案包括：EIP-7400/EIP-7045/EIP-7514


▶ EIP-7400「Perpetually Valid Signed Voluntary Exits」：实现永久有效的签名自愿退出。该技术协议主要是为了锁定验证者在目前 Capella 共识层上的退出签名域，已便在「坎昆升级」后获得永久有效性，以此降低以太坊上质押操作的复杂性。

▶ EIP-7045「Increase max attestation inclusion slot」：增加最大认证打包明文密文（明文槽）。该技术协议将对当前 LMD-GHOST 安全分析和规则确认至关重要。现在链上的验证者有 32 个明文槽可以用来证明广播，待 EIP-7045 技术协议实施后，验证者可能有多达 64 个明文槽用以证明广播。

▶ EIP-7514「Add Max Epoch Churn Limit」：添加 Max Epoch Churn 限制。该技术协议实施的目的是为了减缓由质押 ETH 总量的增长所带来的外部负面性问题。EIP-7514 是一个过渡性质的解决方案，未来还将会有专门针对上述问题的技术解决方案推出。

伴随 ETH 质押总量的增长，大量不受限制的验证者会导致噪音数据的增加，以太坊共识层数据压力也会越来越大。EIP-7514 技术改进方案针对上述问题，建议将 Max Churn 限制设置为 8。这样既减少了添加到集（Set）的活跃验证者数量，也限制了集的无限增长。


参考链接

[1] Cancun Network Upgrade Specification，https://github.com/ethereum/execution-specs/blob/master/network-upgrades/mainnet-upgrades/cancun.md



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