改善以太坊交易确认时间的实用方案探讨

近年来，以太坊在交易确认速度方面取得了显著进步。得益于EIP-1559和转向PoS机制后稳定的出块时间，用户在L1上发送的交易通常可以在5-20秒内确认，基本与信用卡支付体验相当。然而，进一步提升用户体验仍有价值，某些应用甚至要求亚秒级的响应时间。本文将探讨以太坊提升交易确认速度的几种可行方案。

现有技术概述

单槽最终性

目前，以太坊的Gasper共识采用槽和周期的架构。每12秒一个槽，部分验证者对链头进行投票，32个槽（6.4分钟）内所有验证者都有机会投票一次。这些投票被解读为类PBFT共识算法中的消息，两个周期（12.8分钟）后，提供强经济保证的最终性。

这种方法存在两个主要问题：一是复杂度高，槽对槽投票机制与周期对周期最终性机制之间存在诸多交互问题；二是12.8分钟的最终确认时间过长，不符合用户期望。

单槽最终性（SSF）通过类似Tendermint的机制取代了这种架构，块N在块N+1生成前就能达成最终确认。SSF保留了"非活跃泄漏"机制，允许在超过1/3验证者离线时链仍能继续运行并恢复。

SSF的主要挑战在于每个质押者每12秒需发布两条消息，这对链来说是巨大负载。虽然有一些缓解方案，如最近的Orbit SSF提案，但用户仍需等待5-20秒才能确认交易。

Rollup预确认

以太坊近年来一直遵循以rollup为中心的路线图，将L1设计为支持数据可用性和其他功能的基础层，供L2协议（如rollups、validiums和plasmas）使用，以更大规模为用户提供与以太坊同等安全性的服务。

这导致了以太坊生态系统内关注点的分离：L1专注于抗审查、可靠性和稳定性，以及核心功能的维护和改进；L2则通过不同的文化和技术更直接地服务用户。然而，L2希望为用户提供比5-20秒更快的确认时间。

理论上，创建去中心化排序器网络是L2的责任。一小群验证者可能每几百毫秒就为区块签名一次，并质押资产作为保证。这些L2区块的头文件最终会发布到L1上。

然而，要求所有L2都实现去中心化排序似乎不太公平，这相当于要求rollup完成与创建全新L1几乎相同的工作。因此，有人提出了让所有L2（及L1）共用一个以太坊范围内的预确认机制：基础预确认。

基础预确认

基础预确认方法假设以太坊提议者是与MEV相关的复杂参与者。它通过激励这些提议者接受提供预确认服务的责任来利用这种复杂性。

该方法创建了一个标准化协议，用户可以支付额外费用以获得交易将被包含在下一个区块中的即时保证，以及对执行该交易结果的承诺。如果提议者违反承诺，他们将面临惩罚。

这种机制不仅适用于L1交易，对于"基于"以太坊的rollups，所有L2区块实际上都是L1交易，因此同样的机制可以为任何L2提供预确认服务。

未来可能的架构

假设我们实现了单槽最终性，并使用类似Orbit的技术减少每个槽签署的验证者数量，同时保持足够的去中心化以降低质押门槛。槽时长可能会增加到16秒，然后我们使用rollup预确认或基础预确认为用户提供更快的确认。最终我们得到的是一个周期-槽架构。

这种架构之所以难以避免，是因为就某事达成大致共识所需时间远少于达成最大程度"经济最终性"的时间。原因包括：

1. "近似共识"只需少量节点，而经济最终性需要大多数节点参与。
2. 节点数量超过某个规模后，收集签名所需时间会显著增加。

在当前以太坊中，12秒槽分为三个子槽：区块发布和分发、证明、证明聚合。如果大幅减少证明者数量，我们可以减少到两个子槽，实现8秒槽时间。如果我们能依靠专业化的节点子集达成近似协议（同时仍使用完整验证器集确定最终性），甚至可能将时间缩短到约2秒。

因此，周期-槽架构似乎是不可避免的，但不同实现之间存在差异。值得探索的方向是在两种机制之间建立更强的关注点分离，而不是像Gasper那样紧密耦合。

L2的策略选择

L2目前有三种合理的策略：

1. 在技术和理念上都"基于"以太坊。这些rollup可以视为"品牌分片"，也可能在新的虚拟机设计和其他技术改进上进行大量实验。

2. 成为"带区块链脚手架的服务器"。通过添加STARK有效性证明、确保用户退出权利、支持集体选择等方式，获得上链的大部分好处，同时保留服务器的效率优势。

3. 折衷方法：建立一个拥有百个节点的快速链，同时利用以太坊提供额外的互操作性和安全性。这是许多L2项目当前的实际路线图。

对于某些应用（如ENS、密钥存储、部分支付协议），12秒的区块时间已经足够。对于其他应用，唯一的解决方案是周期-槽架构。在这种架构中，"周期"是以太坊的SSF，而"槽"在不同情况下各不相同：

1. 以太坊原生的周期-槽架构
2. 服务器预确认
3. 委员会预确认

关键问题是第一种方案能做到多好。如果它表现优异，第三种方案的意义就会减弱。第二种方案将始终存在，因为所有"基于"以太坊的方案都不适用于如plasmas和validiums等链下数据L2。如果以太坊原生的周期-槽架构能将槽时间降至1秒，第三种方案的空间就会大幅缩小。

目前，我们距离这些问题的最终答案还很远。一个关键不确定性是区块提议者会变得多么复杂。像Orbit SSF这样的新颖设计为我们提供了更多探索空间，例如将Orbit SSF作为周期-槽架构中的周期。我们拥有的选项越多，就能为L1和L2用户提供更好的服务，同时简化L2开发者的工作。