以太坊如何更快确认交易

良好的区块链用户体验的一个重要特性是快速的交易确认时间。如今，以太坊与五年前相比已经有了很大的进步。得益于 EIP -1559和Merge之后稳定的区块时间，用户在L1上发送的交易可以在 5-20 秒内得到可靠确认。这与使用信用卡支付的体验大致相当。然而，进一步改善用户体验是有价值的，有些应用程序确实需要数百毫秒甚至更短的延迟。本文将介绍以太坊的一些实用选项。

现有想法和技术概述

单槽最终确定性

如今，以太坊的Gasper共识采用slot和epoch架构。每隔 12 秒 slot，验证者子集会在链区块头上发布投票，在 32 个 slot（6.4 分钟）内，所有验证者都有机会投票一次。然后，这些投票被重新解释为类似于PBFT 的共识算法中的消息，该算法在两个 epoch（12.8 分钟）后提供非常严格的经济保证，称为最终确定性。

过去几年，我们对当前的方法越来越不满意。主要原因是：（i）它很复杂，逐个slot投票机制和逐个epoch最终确定性机制之间存在许多交互错误；（ii）12.8 分钟太长了，没人愿意等那么久。

单槽最终确定性用一种与Tendermint 共识更相似的机制取代了这种架构，在该机制中，区块 N 在区块 N+1 生成之前完成。与 Tendermint 的主要不同之处在于我们保留了“不活动泄漏（inactivitly leak）”机制，该机制允许链继续运行并在超过 1/3 的验证者离线时恢复。

单槽最终性设计图

SSF 的主要挑战在于，它似乎天真地暗示每个以太坊质押者都需要每 12 秒发布两条消息，这对区块链来说是一个很大的负担。有一些巧妙的想法可以缓解这种情况，包括最近的Orbit SSF提案。但即便如此，虽然这通过加快“最终确定性”来显著改善用户体验，但它并没有改变用户需要等待 5-20 秒的事实。

Rollup预确认

在过去的几年中，以太坊一直在遵循以rollup 为中心的路线图，围绕支持数据可用性和其他功能设计以太坊基础层（“L1” ），然后这些功能可被rollup（还有validiums和plasmas ）等2 层协议使用，这些协议可以为用户提供与以太坊相同级别的安全性，但规模要大得多。

这在以太坊生态系统中创建了一种关注点分离：以太坊 L1 可以专注于抗审查、可靠、稳定以及维护和改进某些基础功能核心，而 L2 可以专注于更直接地接触用户——通过不同的文化和技术权衡。但如果你沿着这条路走下去，就会出现一个不可避免的问题：L2 希望为那些希望在 5-20 秒内获得更快确认的用户提供服务。

到目前为止，至少在口头上，L2 有责任创建自己的“去中心化排序”网络。一小部分验证者会签署区块，可能每隔几百毫秒一次，他们会将自己的“质押”放在这些区块后面。最终，这些 L2 区块的区块头会发布到 L1。

L2 验证者集可以作弊：他们可以先签署区块 B1，然后再签署有冲突的区块 B2，并在 B1 之前将其提交到链上。但如果他们这样做，他们会被抓住并失去他们的质押。在实践中，我们已经看到了这种做法的中心化版本，但是 rollups 在开发去中心化排序网络方面进展缓慢。你可以说要求 L2 都进行去中心化排序是一项不公平的交易：我们要求 rollups 基本上做与创建全新 L1 相同的工作。出于这个原因和其他原因，Justin Drake 一直在推广一种让所有 L2（以及 L1）访问共享的以太坊范围的预确认机制的方法：based预确认。

Based预确认

Based预确认的方法假设以太坊提议者将因 MEV 相关原因而成为高度复杂的参与者。Based预确认的方法利用这种复杂性，通过激励这些成熟的提议者接受提供预确认即服务的责任。

基本思想是创建一个标准化协议，通过该协议，用户可以提供额外的费用，以换取立即保证该交易将被纳入下一个区块，并可能获得有关执行该交易结果的声明。如果提议者违反了对任何用户做出的任何承诺，他们就会受到惩罚。

如上所述，Based预确认的机制为 L1 交易提供了保障。如果 rollup 是“based”的，那么所有 L2 区块都是L1 交易，因此可以使用相同的机制为任何 L2 提供预确认。

我们在这里实际上看到的是什么？

假设我们实现单slot最终性。我们使用类似Orbit的技术来减少每个slot签名的验证者数量，但不要太多，这样我们也可以在减少 32 ETH 最低质押量这一关键目标上取得进展。结果，slot时间可能会逐渐增加到 16 秒。然后我们使用Rollup预确认或Based预确认来为用户提供更快的保证。我们现在有什么？一个 epoch-and-slot 架构。

此时，“它们是同一张图”这个模因已经被过度使用了，所以我只会将我几年前绘制的一张旧图表与 L2 预确认图表放在一起，以描述 Gasper 的slot和epoch架构，并希望这能够让人们明白这一点。

有一个深刻的哲学原因使得人们似乎很难避免使用epoch-and-slot架构：就某件事达成近似一致本质上比就某件事达成最大程度强化的“经济最终性”一致需要更少的时间。

一个简单的原因是节点数量。虽然由于超优化的 BLS 聚合和不久的将来的 ZK-STARK，旧的线性去中心化/最终时间/开销权衡现在看起来更加温和，但从根本上来说，以下观点仍然是正确的：

1、“近似一致”仅需要少数节点，而经济最终确定性则需要所有节点的相当一部分。

2、一旦节点数量超过一定规模，你就需要花费更多时间来收集签名。

在当今的以太坊中，12 秒的slot被划分为三个子slot，用于 (i) 区块发布和分发、(ii) 证明和 (iii) 证明聚合。如果证明者数量少得多，我们可以将其减少到两个子slot，并将slot时间缩短至 8 秒。另一个实际上更重要的因素是节点的“质量”。如果我们还可以依靠专业化的节点子集来达成近似协议（并且仍然使用完整的验证器集来实现最终性），我们可以将其缩短到约 2 秒。

因此，我认为(i) slot-and-epoch 架构显然是正确的，但 (ii) 并非所有 slot-and-epoch 架构都是平等的，更充分地探索设计空间是有价值的。特别是，值得探索那些不像 Gasper 那样紧密交织的选项，而是在两种机制之间有更强的关注点分离。

L2应该做什么？

在我看来，目前 L2 可以采取三种合理的策略：

1、无论是技术层面还是精神层面，都要“based”。也就是说，它们优化为以太坊基础层技术属性及其价值（高度去中心化、抗审查等）的传递渠道。在最简单的形式中，你可以将这些rollup视为“品牌分片”，但它们也可以比这更雄心勃勃，并且对新的虚拟机设计和其他技术改进进行了大量实验。

2、自豪地成为“具有区块链脚手架的服务器”，并充分利用它。如果你从服务器开始，然后添加（i）STARK 有效性证明以确保服务器遵守规则，（ii）保证用户退出或强制交易的权利，以及可能的（iii）集体选择的自由，无论是通过协调的大规模退出还是通过投票更改排序器的能力，那么你已经获得了很多链上的好处，同时保留了服务器的大部分效率。

3、折衷方案：一条拥有 100 个节点的快速链，以太坊提供额外的互操作性和安全性。这是许多 L2 项目事实上的当前路线图。

对于某些应用程序（例如ENS、keystores、某些付款），12 秒的区块时间就足够了。对于那些不够的应用程序，唯一的解决方案是 slot-and-epoch 架构。在这三种情况下，“epoch”都是以太坊的 SSF（也许我们可以将该首字母缩略词重新定义为“单个 slot”以外的其他含义，例如，它可以是“Secure Speedy Finality安全快速终结性”）。但在上述三种情况下，“slot”是不同的：

1、以太坊原生的 slot-and-epoch 架构

2、服务器预确认

3、委员会预确认

一个关键问题是，我们能把第 (1) 类中的某样东西做得有多好？特别是，如果它变得非常好，那么第 (3) 类似乎就不再具有那么多意义了。第 (2) 类将永远存在，至少因为任何“based”的东西都不适用于链下数据 L2，例如 Plasma 和 validium。但如果以太坊原生的 slot-and-epoch 架构可以缩短到 1 秒的“slot”（即预确认）时间，那么第 (3) 类的空间就会变得小得多。

今天，我们远未得到这些问题的最终答案。一个关键问题——区块提议者将变得多么复杂——仍然是一个存在相当多不确定性的领域。像Orbit SSF这样的设计非常新，这表明像 Orbit SSF 这样的设计是时代的 slot-and-epoch 设计的设计空间仍然未被充分探索。我们拥有的选项越多，我们就能为 L1 和 L2 上的用户做得更好，我们也能简化 L2 开发人员的工作。

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