改善以太坊交易確認時間的實用方案探討

近年來，以太坊在交易確認速度方面取得了顯著進步。得益於EIP-1559和轉向PoS機制後穩定的出塊時間，用戶在L1上發送的交易通常可以在5-20秒內確認，基本與信用卡支付體驗相當。然而，進一步提升用戶體驗仍有價值，某些應用甚至要求亞秒級的響應時間。本文將探討以太坊提升交易確認速度的幾種可行方案。

現有技術概述

單槽最終性

目前，以太坊的Gasper共識採用槽和週期的架構。每12秒一個槽，部分驗證者對鏈頭進行投票，32個槽（6.4分鍾）內所有驗證者都有機會投票一次。這些投票被解讀爲類PBFT共識算法中的消息，兩個週期（12.8分鍾）後，提供強經濟保證的最終性。

這種方法存在兩個主要問題：一是復雜度高，槽對槽投票機制與週期對週期最終性機制之間存在諸多交互問題；二是12.8分鍾的最終確認時間過長，不符合用戶期望。

單槽最終性（SSF）通過類似Tendermint的機制取代了這種架構，塊N在塊N+1生成前就能達成最終確認。SSF保留了"非活躍泄漏"機制，允許在超過1/3驗證者離線時鏈仍能繼續運行並恢復。

SSF的主要挑戰在於每個質押者每12秒需發布兩條消息，這對鏈來說是巨大負載。雖然有一些緩解方案，如最近的Orbit SSF提案，但用戶仍需等待5-20秒才能確認交易。

Rollup預確認

以太坊近年來一直遵循以rollup爲中心的路線圖，將L1設計爲支持數據可用性和其他功能的基礎層，供L2協議（如rollups、validiums和plasmas）使用，以更大規模爲用戶提供與以太坊同等安全性的服務。

這導致了以太坊生態系統內關注點的分離：L1專注於抗審查、可靠性和穩定性，以及核心功能的維護和改進；L2則通過不同的文化和技術更直接地服務用戶。然而，L2希望爲用戶提供比5-20秒更快的確認時間。

理論上，創建去中心化排序器網路是L2的責任。一小羣驗證者可能每幾百毫秒就爲區塊籤名一次，並質押資產作爲保證。這些L2區塊的頭文件最終會發布到L1上。

然而，要求所有L2都實現去中心化排序似乎不太公平，這相當於要求rollup完成與創建全新L1幾乎相同的工作。因此，有人提出了讓所有L2（及L1）共用一個以太坊範圍內的預確認機制：基礎預確認。

基礎預確認

基礎預確認方法假設以太坊提議者是與MEV相關的復雜參與者。它通過激勵這些提議者接受提供預確認服務的責任來利用這種復雜性。

該方法創建了一個標準化協議，用戶可以支付額外費用以獲得交易將被包含在下一個區塊中的即時保證，以及對執行該交易結果的承諾。如果提議者違反承諾，他們將面臨懲罰。

這種機制不僅適用於L1交易，對於"基於"以太坊的rollups，所有L2區塊實際上都是L1交易，因此同樣的機制可以爲任何L2提供預確認服務。

未來可能的架構

假設我們實現了單槽最終性，並使用類似Orbit的技術減少每個槽簽署的驗證者數量，同時保持足夠的去中心化以降低質押門檻。槽時長可能會增加到16秒，然後我們使用rollup預確認或基礎預確認爲用戶提供更快的確認。最終我們得到的是一個週期-槽架構。

這種架構之所以難以避免，是因爲就某事達成大致共識所需時間遠少於達成最大程度"經濟最終性"的時間。原因包括：

1. "近似共識"只需少量節點，而經濟最終性需要大多數節點參與。
2. 節點數量超過某個規模後，收集籤名所需時間會顯著增加。

在當前以太坊中，12秒槽分爲三個子槽：區塊發布和分發、證明、證明聚合。如果大幅減少證明者數量，我們可以減少到兩個子槽，實現8秒槽時間。如果我們能依靠專業化的節點子集達成近似協議（同時仍使用完整驗證器集確定最終性），甚至可能將時間縮短到約2秒。

因此，週期-槽架構似乎是不可避免的，但不同實現之間存在差異。值得探索的方向是在兩種機制之間建立更強的關注點分離，而不是像Gasper那樣緊密耦合。

L2的策略選擇

L2目前有三種合理的策略：

1. 在技術和理念上都"基於"以太坊。這些rollup可以視爲"品牌分片"，也可能在新的虛擬機設計和其他技術改進上進行大量實驗。

2. 成爲"帶區塊鏈腳手架的服務器"。通過添加STARK有效性證明、確保用戶退出權利、支持集體選擇等方式，獲得上鏈的大部分好處，同時保留服務器的效率優勢。

3. 折衷方法：建立一個擁有百個節點的快速鏈，同時利用以太坊提供額外的互操作性和安全性。這是許多L2項目當前的實際路線圖。

對於某些應用（如ENS、密鑰存儲、部分支付協議），12秒的區塊時間已經足夠。對於其他應用，唯一的解決方案是週期-槽架構。在這種架構中，"週期"是以太坊的SSF，而"槽"在不同情況下各不相同：

1. 以太坊原生的週期-槽架構
2. 服務器預確認
3. 委員會預確認

關鍵問題是第一種方案能做到多好。如果它表現優異，第三種方案的意義就會減弱。第二種方案將始終存在，因爲所有"基於"以太坊的方案都不適用於如plasmas和validiums等鏈下數據L2。如果以太坊原生的週期-槽架構能將槽時間降至1秒，第三種方案的空間就會大幅縮小。

目前，我們距離這些問題的最終答案還很遠。一個關鍵不確定性是區塊提議者會變得多麼復雜。像Orbit SSF這樣的新穎設計爲我們提供了更多探索空間，例如將Orbit SSF作爲週期-槽架構中的週期。我們擁有的選項越多，就能爲L1和L2用戶提供更好的服務，同時簡化L2開發者的工作。