利用 Saga Ethlets 提高以太坊可扩展性

在加密行业中，设计一种兼具理想特性的以太坊扩展基础设施仍然是一项持续的挑战。目前，正在进行多种方法的研究，包括 Optimistic Rollups、ZK Rollups、Validium 和侧链（进而包括应用链、L1 和其他模块化堆栈）。这些解决方案各有优点，但也存在显著的权衡。

在本文中，我们将首先通过探讨这些权衡来了解整个格局。然后，我们将详细介绍一种名为 “Ethlets” 的新解决方案，该方案使用一种新颖的方法来解决这一挑战。当前解决方案的 TL;DR 摘要如下所示：

以太坊可扩展性入门和框架

在分析各种以太坊可扩展性解决方案之前，我们必须首先构建一个框架来对它们进行分类。这首先要了解以太坊如何运行和扩展。让我们深入了解。

区块链是状态机

区块链根据交易列表跟踪从一种状态到另一种状态的转换。例如，当前状态可能显示我在我的钱包中拥有 1 个 ETH，而我的朋友持有 0 个 ETH。如果我提交一笔交易，将 1 个 ETH 发送到我朋友的地址，则下一个状态将显示我拥有 0 个 ETH，而我的朋友拥有 1 个 ETH。运行执行此交易并更新状态所需的计算行为称为“执行”。

以太坊是单片链

更新区块链状态机的过程可以分为四个子过程：数据可用性、执行、共识和结算 (DECS)。

数据可用性 描述了将给定区块链的交易（数据）存储在可以访问的位置或多个位置的过程。虽然数据可用性定义了要执行的特定交易，但通常不保证交易的顺序。

执行 描述了运行交易并从这些已执行的交易生成新状态的过程。

共识 描述了选择谁来提议下一个状态的过程。此步骤确定交易的顺序并达成执行有效的共识。

结算 描述了将共识阶段提出的状态更新为最新记录的过程。

在诸如以太坊之类的单片链中，验证者提供了所有这些重要功能，以确保核心区块链的安全运行。虽然这种方法最简单，但它带来了难以解决的可扩展性问题。

模块化以太坊

为了扩展以太坊，我们可以将状态转换的执行部分移出以太坊。通常，这被称为 “模块化”，你可以在 这里 了解更多信息。如果在以太坊之外完成执行，我们如何验证执行是否正确？我们需要以太坊本身上的验证过程。这分 3 个步骤进行。

1. 将所有交易存储在数据可用性（DA）层中

如前所述，DA 描述了安全存储用于生成状态更改的所有交易列表的过程。我们需要存储此信息并使其可用。

2. 存储定期的状态承诺

状态承诺是指以特定间隔存储状态快照（或状态哈希）的行为。

一旦我们完成前两个步骤，我们就可以始终重新执行并重建每个已加粗承诺的状态。每个状态转换都是确定性的：状态 1 + 交易 = 状态 2。最后一步是提交证明以验证已执行的状态转换是否有效。

3. 提交证明以验证执行

有两种不同的方法可以验证执行是否有效：欺诈证明和有效性证明。

欺诈证明

欺诈证明是一种密码学证明，表明：状态 1 + Tx =/= 状态 2

在欺诈证明系统中，当状态转换无效时，有人会提交欺诈证明，表明特定的状态转换无效。通常，这是一个小证明，表明单个子状态转换不正确。

优点： 因为该证明仅显示一个非常小的子过程中的错误，所以欺诈证明通常在以太坊上运行的成本要低得多。

缺点： 请注意，从技术上讲，缺乏欺诈证明可能意味着没有错误，但不能保证。我们需要对安全性进行一些乐观的假设，并且倾向于根据此假设得出安全性含义。

有效性证明

另一方面，有效性证明是一种密码学证明，表明必然 状态 1 + Tx == 状态 2。

在有效性证明系统中，始终会生成一个证明并在以太坊上不断执行。

优点： 有效性证明系统的好处是，没有额外的安全隐患。一旦在以太坊上生成并运行有效性证明，就可以通过密码学保证状态转换有效。

缺点： 生成有效性证明并在以太坊上运行它们非常昂贵。

这些组件中的每一个都可以在以太坊上/下发生

根据可扩展性解决方案的类型，这 3 个步骤发生的位置可能会有所不同。数据可用性、欺诈证明和状态承诺可以在以太坊链上或链下进行。不同的扩展解决方案结合了不同的方法，以换取不同的权衡。

现有解决方案及其优缺点的分析

在我们指定 Ethlet 的设计之前，我们将花一点时间来探索当前的方法并分析它们的缺点，以便说明我们设计的动机。

侧链和应用链

侧链和应用链有不同的形式，通常采用像自己的链一样运行的主权区块链的形式。因此，上面概述的所有 3 个步骤都在以太坊之外完成。

• 数据可用性：链下
• 有效性/欺诈证明：链下
• 状态承诺：链下

在这种以太坊扩展策略中，数据可用性、状态承诺和证明通常由运行侧链的验证者处理，这些验证者与以太坊本身分离。请注意，默认情况下，Saga Chainlets 是一种侧链解决方案。

优点

• 经济实惠，因为 DA、状态承诺和证明都在侧链上执行
• 因此，侧链完全独立于以太坊拥塞
• 可以实现即时最终性，从而使桥接即时且便宜

缺点

• 侧链的安全性是独立的，并且不继承任何以太坊安全性
• 通常很难启动，因为它需要验证者集、共识算法、质押代币以及质押代币的经济价值

诸如 Eigenlayer 之类的再质押产品可用于从以太坊验证者那里借用安全性，但是侧链仅从再质押的以太坊继承部分安全性。侧链不继承以太坊的全部安全性。

Rollups 和 L2

Rollups 和 Layer 2 (L2) 使用以太坊来执行验证过程的所有 3 个部分。

• 数据可用性：链上
• 有效性/欺诈证明：链上
• 状态承诺：链上

在 rollup 中，数据可用性由以太坊处理。rollup 执行的每笔交易都使用调用数据提交到以太坊。rollup 技术分为两大类：乐观型和 ZK 型。每个解决方案处理状态承诺和证明的方式都不同。

ZK Rollups

ZK rollups 利用零知识 (ZK) 证明来表明所承诺的状态是有效的。在与生成要提交到以太坊的状态并行的情况下，ZK rollup 生成一个 ZK 证明。状态哈希和 ZK 证明都提交到以太坊。以太坊运行 ZK 证明并验证所承诺的状态哈希是否有效。

优点：

• 继承以太坊安全性（在 ZK 有效性证明承诺之后）
• 最安全的方法——由于以太坊运行 ZK 有效性证明来验证状态转换，因此无需信任外部方

缺点：

• 目前非常昂贵
• 在以太坊上执行 ZK 证明之前，没有经济安全性；排序器可能会恶意行为而没有任何后果
• 最终性时间受 ZK 证明生成和以太坊最终性的限制，并且在以太坊上执行 ZK 证明之前，无法正确桥接资产
• 可以添加 PoS 风格的经济安全性，但那样（类似于应用链），rollup 变得难以启动

Optimistic Rollups

Optimistic rollups 批量处理交易，执行它们并定期生成状态更新。但是，该状态不会立即提交到以太坊。Optimistic rollups 会等待几天（挑战期），然后该状态才会实际提交到以太坊。在此期间，预计审计员将挑战状态哈希，并在出现问题时提交欺诈证明。如果在挑战期内没有挑战，则该状态将提交到以太坊。

这种类型的 rollup 被称为“乐观的”，因为轻节点假定该状态有效，并在挑战期内继续接受新生成的区块。（旁注：这与 CPU 中分支预测的工作方式非常相似）。

优点：

• 继承以太坊安全性（在挑战期之后）
• 比 ZK 便宜——欺诈证明仅在审计员检测到问题时才生成和运行；无需定期提交

缺点：

• 依赖于审计员和挑战者；如果没有人监视，恶意活动可能会在以太坊上成为最终活动
• 仍然非常昂贵，因为在 dank sharding 之前，在以太坊上流式传输所有交易非常昂贵，并且取决于 ETH gas 费率
• 单个序列很容易启动，但没有任何风险。在挑战期结束之前，没有经济安全性；排序器可能会恶意行为而没有任何后果
• 最终性时间很长——在挑战期结束之前，几乎没有经济安全性
• 除非存在运行完整节点的赞助商，否则在挑战期结束之前，无法正确桥接资产
• 可以添加 PoS 风格的经济安全性，但那样（类似于应用链），rollup 变得难以启动

Validiums

Validiums 类似于 ZK rollups，但仅将以太坊用于状态承诺和有效性证明，并将数据可用性保留在链下。通常，DA 由有效性证明中的某个委员会或像 Celestia 这样的外部 DA 解决方案处理。

• 数据可用性：链下
• 有效性/欺诈证明：链上
• 状态承诺：链上

优点：

• 继承以太坊安全性（在 ZK 有效性证明承诺之后）
• 不再需要支付以太坊数据可用性费用

缺点：

• 数据可用性需要依赖于链下可用性，从而引入潜在的复杂性
• 生成 ZK 证明以及定期在以太坊上运行有效性证明非常昂贵
• 在以太坊上执行 ZK 证明之前，没有经济安全性
• 最终性时间受 ZK 证明生成和以太坊最终性的限制，并且在以太坊上进行 ZK 证明承诺之前，无法正确桥接资产
• 可以添加 PoS 风格的经济安全性，但那样（类似于应用链），有效性证明变得难以启动

什么是 Saga Chainlets？

既然我们已经回顾了以太坊扩展策略及其权衡的基础知识，那么在我们深入研究 Ethlets 之前，我们将花一点时间来介绍 Saga Chainlets。Saga 是一条启动其他链的链（一个 L1 来启动其他 L1）。

Saga Mainnet 自动且无需许可地启动完全去中心化的 PoS 应用链，称为 Chainlets。每个 Chainlet 都由 Saga Mainnet 验证者使用跨链验证（即，验证者在多个链之间共享）完全保护。

每个 Saga Chainlet 都等效于以太坊侧链，因此验证方法都在以太坊之外。

• 数据可用性：由 Saga 验证者链下
• 有效性/欺诈证明：由 Saga 验证者链下
• 状态承诺：由 Saga 验证者链下

但是，一键部署使得启动 Saga Chainlet 与传统的应用链或侧链相比变得非常简单。

优点：

• 经济实惠
• 可扩展性完全独立于以太坊
• 即时最终性，从而使桥接即时且便宜
• 非常高效且易于启动（一键部署，3 分钟或更短）

缺点：

• 没有以太坊安全性

要了解有关 Saga Chainlets 的更多信息，请访问 此处。

介绍 Saga Ethlets

实际上，我们可以配置 Chainlets 来继承以太坊安全性，就像任何其他 rollup 一样。由于我们从完全去中心化的 Chainlet 开始，因此许多解决方案可以在 Saga 生态系统中共存。

我们已经回顾了以太坊可扩展性解决方案的整个格局，并讨论了每种解决方案的优缺点。在理想的世界中，我们可以立即且廉价地生成 ZK 有效性证明并在以太坊上廉价地执行它们。在这种假设情况下，ZK 毫无疑问是最佳解决方案。

在实践中，存在实际的局限性，正如本文已经强调的那样，尤其是在当今与 ZK rollups 相关的巨大费用。鉴于这些局限性，我们将支持的第一个 Ethlet 配置是 Optimistic Ethlets。

结合应用链、Rollups 和 Validiums 的最佳部分

Optimistic Ethlets 结合了 Saga Chainlets 的可配置性、速度和成本优势，以及以太坊安全性，从而提供了最佳的以太坊可扩展性解决方案。Optimistic Ethlet 的目标是以尽可能低的成本和即时桥接来实现以太坊扩展。

数据可用性

通常，optimistic rollup 需要一个 DA 层，因为它需要一种途径来收集用户的交易和区块提案，以便以一种抗审查、可用且安全的方式进行 rollup。如果没有外部 DA 层跟踪将在 rollup 中执行的规范交易列表，则排序器可能会审查交易而无人知晓。

另一方面，Saga Ethlets 已经拥有一组去中心化的验证者来处理此部分。我们的系统不需要以太坊或外部 DA 源。我们依靠 Saga 验证者和 Saga 安全性来实现我们的 DA。外部 DA 仅用于存档目的以实现冗余。因此，Ethlets 可以使用 Filecoin、像 Celestia 这样的外部 DA 解决方案或具有 Amazon S3 实例的第三方服务提供商来存档交易数据。

状态承诺和欺诈证明

我们的方法通过一种乐观的欺诈证明（乐观的 ZK 或交互式证明）机制来继承以太坊安全性，该机制采用以下方法：

• 在每个 epoch 结束时（如果与 Saga 的基本 Epoch 匹配，则为 1 天），将批量处理交易，并开始挑战期
• 在下一个 Epoch 结束时（挑战期结束时），如果没有欺诈证明挑战，则将来自上一个 epoch 的状态哈希提交到以太坊
• 此时，来自先前 epoch 的每笔交易都继承了以太坊安全性
• 当前处于挑战期的区块不继承以太坊安全性，但具有 Saga

安全性

这种类型的验证过程具有明显的优势：

• 如果对 Saga 验证者发动 66% 的攻击，则所有诚实的验证者都会出现共识错误
• 该错误可用于自动触发事件以生成欺诈证明
• 那些诚实的人需要提交欺诈证明，他们将获得攻击者削减Tokens的奖励
• 我们可以设置经济模型，因此每个提交有效欺诈证明的验证者都会获得奖励（而不仅仅是第一个验证者）

Ethlet 验证系统不需要显式的审计员；如果存在单个诚实的 Saga 验证者（或完整节点运营商），他们将捕获 Saga 共识层中的任何欺诈行为并提交欺诈证明。相反，攻击者需要控制 100% 的验证者和每个完整节点才能成功攻击网络。

Saga Ethlet 是最佳的以太坊扩展解决方案

Saga Ethlets 将每个扩展解决方案的最佳品质结合到一个易于使用的产品中：

与其他扩展策略相比，Saga Ethlets 是最经济实惠的解决方案

• 仅在乐观情况下生成和运行欺诈证明，从而降低成本并加快速度
• 独立的DA——无需为以太坊的DA付费
• 仅每个epoch发生一次对以太坊的状态承诺
• Ethlets通过我们的Chainlet拍卖机制具有商品定价

Saga Ethlets 具有最佳的安全性权衡

• 在挑战期之前，Saga质押仍然具有重要的经济安全性
• 在挑战期之后，Ethlet继承了完整的以太坊安全性
• 最安全，因为它不依赖于单个排序器
• 无需外部审计员——由于PoS，始终存在一组自动审计员（其他验证者）来验证状态哈希

Saga Ethlets 具有 即时最终性，因此具有快速桥接能力。只要桥运营商和交易对手链信任Saga安全性，桥就可以具有即时最终性。最后，Saga Ethlets非常容易通过一键部署来配置。

回顾一下：

为开发人员带来安全灵活性

通过将每个Ethlet设计为从Chainlet开始，我们可以为单个系统中的开发人员提供灵活性。并非每个开发人员都需要从一开始就获得完整的以太坊安全性。借助Saga，开发人员可以使用Saga安全性启动Chainlet。然后，当他们准备就绪时，他们可以将Chainlet转换为Ethlet并继承以太坊安全性。最后，当ZK技术准备好且足够便宜时，我们还可以创建ZK Ethlet，以定期（而不是乐观地）提交状态哈希并在以太坊上运行ZK证明。Saga将能够根据开发人员的需求自动启动侧链、乐观rollup和ZK rollup。

下一步

如前所述，ZK是一种极具吸引力的解决方案，因为它提供了所有配置中最好的安全性。在Saga可以优先考虑ZK Ethlet之前，还需要对ZK进行一些额外的研究：

• 非EVM状态更改的ZK证明：有许多功能（例如Inter Blockchain Communication）（IBC）和预编译），它们不会直接影响EVM状态。需要对可以包含这些交互的ZK解决方案进行更多的研发。
• 在ZK变得可负担之前，我们可以探索使用ZK技术进行欺诈证明，类似于乐观rollup中的互动游戏。这样，在完全ZK解决方案变得更加负担得起之前，将存在一个乐观的ZK欺诈证明系统。
• 在诸如Saga之类的appchain解决方案中使用ZK之前，需要使ZK证明生成更快，更便宜。

由于Ethlet是具有额外组件的Chainlet，因此Ethlet的开发路线图与我们现有的Chainlet开发路线图直接对齐。开发人员可以在我们现有的测试网上体验Ethlet。如果你有兴趣，请在Saga上构建。如果你加入我们的创新者计划，我们的测试网将开放并免费提供给你部署。在此处申请https://www.saga.xyz/join。

结论

存在各种以太坊可扩展性解决方案，每种解决方案都有其自身的权衡。要获得今天Ethlet提供的相同优势，汇总解决方案有多年的技术路线图。需要在以太坊上廉价地实现去中心化排序器以及执行欺诈和有效性证明，因此需要进行大量的研究和开发。

但是，通过从完全去中心化的Chainlet开始，Ethlet可以突飞猛进地解决这些研究难题，并与其他可扩展性解决方案相比提供显著的好处。与其他汇总解决方案相比，Ethlet的成本可能低一个数量级。同时，Ethlet可以具有快一个数量级的最终性和桥接速度。Ethlet始终通过Saga验证器保持基线安全性，但最终继承了完整的以太坊安全性。

我们相信，与其他任何以太坊可扩展性解决方案相比，Ethlet提供了最佳的权衡。

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