分片“老古董”华丽转身，本地Rollup闪亮登场

原文作者 | Taiko Labs

编译| （@OdailyChina）

译者| 叮当（@XiaMiPP）

编者按：还记得当年分片（Sharding）的热闹吗？那时候它可是区块链界的“流量密码”，结果以太坊冷静一想，放弃了这个烫手山芋。如今，本地 Rollup 卷土重来，通过执行预编译合约（EXECUTE Precompile）和优化以太坊区块处理结构，不仅让 Rollup 更安全、更灵活，还顺手给以太坊L1来了个横向大扩容，为未来的实时证明开了条路。

以下为 Taiko 实验室发布的原文内容，由编译。由于本文的技术性较强，为保证文章的可读性，Odaily 进行了适当的删减，尽可能清晰易懂呈现。

引言

分片（Sharding）在 2017-2020 年间是一个热门话题。当时，Harmony、Zilliqa 和 Elrond 等不同团队在其区块链中实施了分片技术。这种技术本质上是将网络划分为多个较小的、并行运行的链（称为“分片”），这些分片可以同时处理交易，以此作为扩展分布式系统的一种直接方式。

分片也是以太坊 2.0 时代被社区认真讨论的话题。然而，以太坊最终决定不采用分片方案，主要基于以下四个挑战：  

1. 思维模式的不同（Mindset Differentiations）

在这种分片模式下，协议本身会自上而下强制规定确切的分片数量。这些分片是按照预定义模板运行的单一链，缺乏可编程性，并且本质上只是 L1（第一层区块链）的多个相同副本。

2. 乐观安全性（Optimistic Security）

当时，为了保证分片的诚实性，需要使用乐观证明（Optimistic Proofs），而零知识（ZK）技术尚未成熟。这意味着必须在链上系统性地管理欺诈证明（Fraud-Proof）逻辑。

3. 复杂性（Complexity）

在 L1 层实现分片会显著增加协议的复杂性，特别是在管理快速的预确认（Preconfirmation）和较慢的最终确认（Final Confirmation）系统，以及协调不同安全级别的分片方面。

4. 共识过载（Overload Consensus）

在 L1 层追求更高的可扩展性可能会增加中心化风险。如果在基础层（Base Layer）实现分片，这种风险可能会影响整个协议，而不像现在那样仅限于单个 L2（第二层扩展方案）。

本地 Rollup（Native Rollups）本质上可以被视为分片的一种回归，但这次有所不同。我们已经吸取了教训，并且具备了更好的技术和经验。

什么是本地 Rollup？

需要记住，Rollup 由数据、排序（Sequencing）和执行（Execution）模块组成。本地 Rollup 直接使用以太坊自身的执行环境（Execution Environment）作为其执行模块。我们可以将其称为 L1 的可编程执行分片（Programmable Execution Shards）。

要理解如何将 L1 执行环境作为 Rollup 使用，可能会有些复杂。为了在 Rollup 中消费 L1 执行环境，我们需要能够在 EVM 内部执行另一个 EVM（EVM inside EVM）。因此，L1 需要能够感知本地 Rollup 在每个区块中的状态转换（State Transition）。要实现这一点，我们需要一个<预编译合约（Precompile）>来提供支持。

EXECUTE 预编译合约

EXECUTE 预编译合约提供了一种机制，使得一个 EVM 上下文能够验证另一个 EVM 上下文的执行结果，同时保持相同的执行规则和状态转换逻辑。

预编译合约接受三个输入参数：

• pre_state：执行前的 32 字节状态根（State Root）

• post_state：执行后的 32 字节状态根

• witness_trace：执行轨迹，包含交易和状态访问证明

预编译合约的核心是断言（Assertion）：它会验证从 pre_state 开始执行 trace 是否能得到 post_state。如果状态转换函数有效，预编译合约会返回 true。

执行轨迹需要对所有验证者可用（以 blobs 或 calldata 形式），以便验证者可以重新执行计算并验证状态转换的正确性。值得注意的是，该预编译合约不会将证明（Proof）作为输入。这意味着协议本身不会强制执行任何特定的证明系统，而是通过 p2p 网络的 Gossip 频道传播不同类型的证明。

Gas 计费模型

以太坊的计算资源有限，因此 Gas 机制用于管理这些资源。EXECUTE 预编译合约实现了一个 Gas 计费模型来管理计算资源：

• 基础成本（Base Cost）：预编译合约会收取固定的 Gas 费用 EXECUTE_GAS_COST，再加上执行轨迹使用的 Gas 乘以当前 Gas 价格。

• 累计 Gas 限制（Cumulative Gas Limit）：类似于 EIP-1559 机制，管理和定价所有 EXECUTE 调用在 L1 区块中的总 Gas 消耗：

• EXECUTE_CUMULATIVE_GAS_LIMIT：一个区块中所有 EXECUTE 调用的最大 Gas 限制。

• EXECUTE_CUMULATIVE_GAS_TARGET：目标 Gas 使用量，以便进行高效定价。

这个模型类似于 blob 中的数据可用性（DA）定价机制。

需要记住，本地 Rollup 和 L1 的 SNARK 化（SNARKifying the L1）这两个概念经常被混淆在一起。SNARK 化 L1 是一种纵向扩展（Vertical Scaling）方法，通过 SNARK 化执行（如 zkEVM）和共识（如 Beam）来消除 Gas 限制，从而提升 L1 的性能。而本地 Rollup 则是横向扩展（Horizontal Scaling）L1，通过可编程方式创建任意数量的 EVM 副本，实现更高的可扩展性。

为什么本地 Rollup 更有优势？

1. 安全性

当前的 Rollup 设计需要安全委员会（Security Councils）来更新链，以应对潜在的漏洞。而本地 Rollup 依赖于以太坊的<社会共识（Social Consensus）>进行治理。运营商无需担心担心漏洞问题，因为以太坊社区会负责维护和修复。

2. 简化 L1 同步可组合性（Synchronous Composability）

基于 L1 的 Rollup 接近于实现同步可组合性，但要求 L1 和 L2 的区块由同一构建者（Builder）同时构建。本地 Rollup 可以直接通过 EXECUTE 预编译合约验证另一个本地 Rollup 的状态，而无需额外的信任假设。

3. 向前兼容性（Forward Compatibility）

随着 L1 EVM 进化，本地 Rollup 会自动继承所有改进，而不需要单独适配，实现与以太坊发展路线的长期兼容性。

优化执行方案：实时证明（Real-Time Proving）

在重新执行（Re-execution）模式下，验证者必须自行处理所有交易，其吞吐量受 EXECUTE_CUMULATIVE_GAS_LIMIT 参数的限制。而<实时证明（Real-time Proofs）>可以显著提高这一限制，因为验证者只需验证证明，而无需重新执行所有交易。

随着行业快速向实时证明发展，我们需要采取措施扩大本地 Rollup 的证明窗口。为了争取更多的证明时间，需要调整当前以太坊的区块处理结构。

如何延长证明窗口？

在现有的结构下，以下所有步骤必须在 12 秒内完成（每 4 秒一个阶段），才能进入下一个区块：

• 区块 N 提议交易

• 在验证/确认区块之前，必须完成：

1. 执行所有交易

2. 计算状态变更

3. 计算状态根（stateRoot）

4. 计算交易回执和日志（receipts & logs）

只有完成上述所有步骤后，区块才能被验证和确认。

按照目前的流程，如果要实现与 L1 的同步可组合性，证明必须在 4 秒内 完成。然而，目前 ZK 技术尚不成熟，还无法在 4 秒内 生成以太坊区块的证明，因此我们需要在证明流程上引入更大的灵活性。

为了给本地 Rollup 争取更多证明时间，我们需要调整以太坊当前的区块处理结构。例如：

• 延迟 state_root 计算：将 state_root 计算从关键路径中移除，使其在验证者空闲时间计算。

• 延迟执行（Delayed Execution）：将区块验证与交易执行分离，优化共识效率，同时为证明生成提供更长时间。

证明之间是否会达成共识？

不会。证明不会在链上进行共识，而是通过链下（off-chain）传播。网络中只需要达成共识，即某个地方存在有效的证明即可。