تعالج إيثيريوم مشكلة عنق الزجاجة في إثبات 80% حيث يقترح فيتاليك شجرة الحالة الثنائية وتبديل الآلة الافتراضية RISC-V على المدى الطويل.
ملخص
- يستبدل EIP-7864 شجرة ميركل باتريشيا السداسية keccak بشجرة حالة ثنائية موحدة باستخدام BLAKE3 (أو Poseidon2 في المستقبل)، مما يقلل حجم إثبات ميركل بنحو 75٪ والفروع بمقدار 3-4 أضعاف.
- تقوم مجموعات التخزين القائمة على الصفحات بتجميع 64-256 خانة متجاورة بحيث يمكن للتطبيقات اللامركزية ذات الفتحات المبكرة توفير أكثر من 10 آلاف غاز لكل معاملة، في حين أن العمق الأبسط والأكثر تجانسًا يحسن التدقيق ويحدد انتهاء صلاحية الحالة المستقبلية.
- على المدى الطويل، يقترح فيتاليك استبدال EVM بـ RISC-V VM، بحجة أن شجرة الحالة بالإضافة إلى VM تتحكم في أكثر من 80٪ من تكلفة الإثبات وأن حزمة RISC-V ستتوافق مع أدوات إثبات ZK الحالية، وتقلل من عمليات التجميع المسبق، وتحافظ على العقود القديمة من خلال الترحيل المرحلي.
اقترح فيتاليك بوتيرين، المؤسس المشارك لـ Ethereum ( ETH )، تغييرين تقنيين يهدفان إلى معالجة تحديات كفاءة الإثبات في شبكة البلوك تشين، وفقًا لاقتراح وارد في EIP-7864 والوثائق ذات الصلة.
يقترح مشروعٌ قصير الأجل، يحمل الرقم EIP-7864، استبدال بنية شجرة ميركل باتريشيا السداسية الحالية في إيثيريوم ببنية شجرة ثنائية تستخدم دالة تجزئة أكثر كفاءة. ووفقًا للمشروع، صُممت البنية السداسية الحالية لأولويات تختلف عن بنية إيثيريوم التي تعتمد بشكل كبير على عمليات الإثبات، والتي يسعى مطورو إيثيريوم حاليًا إلى تطويرها.
سيؤدي هيكل الشجرة الثنائية إلى إنتاج فروع ميركل أقصر بأربع مرات من النظام الحالي، حيث تتطلب العمليات الثنائية 32 ضعف log(n) مقارنة بـ 512 ضعف log(n) مقسومًا على 4 في النظام السداسي، وفقًا للمواصفات الفنية الواردة في الاقتراح.
وينص الاقتراح على أن هذا التخفيض سيؤدي إلى تقليل تكاليف التحقق من الفروع من جانب العميل وتقليل متطلبات عرض النطاق الترددي للبيانات للأدوات بما في ذلك نظام هيليوس وأنظمة استرجاع المعلومات الخاصة بنفس النسبة.
إن إثبات تحسينات الكفاءة يتجاوز مجرد تحسين طول الفروع. يشير المقترح إلى أن الفروع الأقصر ستحقق تحسينًا يتراوح بين ثلاثة وأربعة أضعاف، بصرف النظر عن تحسين دالة التجزئة. ويمكن أن يوفر تطبيق blake3 بدلًا من keccak تحسينًا إضافيًا بمقدار ثلاثة أضعاف، بينما قد يحقق أحد متغيرات Poseidon تحسينًا يصل إلى 100 ضعف، مع العلم أنه يلزم إجراء تحليل أمني إضافي قبل نشر Poseidon، وفقًا للوثيقة.
يتضمن تصميم الشجرة الثنائية نظام تخزين قائم على الصفحات، حيث تُجمّع خانات التخزين المتجاورة في صفحات تتراوح بين 64 و256 خانة، أي ما يقارب 2 إلى 8 كيلوبايت. يتشارك رأس الكتلة وأول 1 إلى 4 كيلوبايت من التعليمات البرمجية والتخزين نفس الصفحة، مما يسمح للعقود التي تقرأ من خانات التخزين الأولية بالاستفادة من كفاءة المعالجة المجمعة بدلاً من تكاليف الوصول الفردية. ويُقدّر المقترح أن هذا قد يوفر أكثر من 10,000 وحدة غاز لكل معاملة للتطبيقات اللامركزية التي تُحمّل البيانات من خانات التخزين الأولية، وهو ما يُمثل جزءًا كبيرًا من العقود النشطة المنشورة.
تُقدّم الأشجار الثنائية عمليات تنفيذ ومراجعة أبسط، وفقًا للاقتراح. يوفر هذا الهيكل عمق وصول أكثر قابلية للتنبؤ عبر العقود ذات الأحجام المختلفة، مما يقلل من تباين تكاليف التنفيذ، ويُتيح مساحة لتضمين البيانات الوصفية اللازمة لتطوير انتهاء صلاحية الحالة في المستقبل.
يتضمن المقترح طويل الأمد استبدال آلة إيثيريوم الافتراضية بآلة افتراضية أكثر كفاءة مثل RISC-V. ويجادل المقترح بأن بنية آلة إيثيريوم الافتراضية غير مُحسَّنة لسلسلة كتل تعتمد بشكل كبير على عمليات الإثبات، وأن استبدالها سيعالج أوجه القصور الأساسية بدلاً من إدارتها من خلال عمليات تجميع مسبقة متراكمة وحلول بديلة.
يُشير اقتراح بوتيرين إلى أربع مزايا لـ RISC-V مقارنةً بـ EVM. أولًا، كفاءة التنفيذ الخام: يتفوق RISC-V على EVM لدرجة تُغني عن الحاجة إلى العديد من عمليات الترجمة المسبقة، حيث يمكن تشغيل العمليات الحسابية الأساسية بكفاءة داخل الآلة الافتراضية نفسها. ثانيًا، كفاءة المُثبت: تُكتب مُثبتات المعرفة الصفرية حاليًا بلغة RISC-V، مما يُحقق توافقًا طبيعيًا مع البنية التحتية الحالية للإثبات. ثالثًا، الإثبات من جانب العميل: تُمكّن الآلة الافتراضية RISC-V المستخدمين من إنشاء براهين معرفة صفرية محليًا حول تفاعلات الحساب مع بيانات مُحددة، مما يُتيح تطبيقات الخصوصية والتحقق غير المدعومة حاليًا بواسطة EVM دون الحاجة إلى أدوات خارجية. رابعًا، البساطة: يُمكن تنفيذ مُفسر RISC-V في بضع مئات من أسطر التعليمات البرمجية، وفقًا للاقتراح.
تتضمن خارطة طريق النشر الموضحة في المقترح ثلاث مراحل. في المرحلة الأولى، ستتولى آلة افتراضية جديدة، يُحتمل أن تكون RISC-V، معالجة عمليات التجميع المسبق فقط، حيث ستُدمج عمليات التجميع المسبق الحالية والجديدة في الآلة الافتراضية الجديدة. في المرحلة الثانية، سيتمكن المستخدمون من نشر العقود مباشرةً في الآلة الافتراضية الجديدة. في المرحلة الثالثة، سيتم إيقاف تشغيل آلة إيثرنت الافتراضية (EVM) وإعادة تنفيذها كعقد ذكي مكتوب في الآلة الافتراضية الجديدة، مع الحفاظ على التوافق مع الإصدارات السابقة للعقود الحالية، ويتمثل التغيير الرئيسي في تعديلات تكلفة الغاز، والتي من المتوقع أن تطغى عليها تطورات التوسع المتزامنة.
يصف بوتيرين كلا التغييرين بأنهما يعالجان التحدي الأساسي نفسه من زوايا مختلفة. ووفقًا للاقتراح، فإن شجرة الحالة والآلة الافتراضية معًا يمثلان أكثر من 80% من عنق الزجاجة في عملية الإثبات الفعالة. إن معالجة أيٍّ من المكونين دون الآخر يترك المشكلة الأكبر دون حل جزئي، بينما ستؤدي معالجة كليهما إلى إنتاج بروتوكول متوافق هيكليًا مع بنية إيثيريوم التي تعتمد بشكل كبير على إثبات المعرفة الصفرية، بدلًا من تعديل تلك البنية لتناسب بنية تحتية مصممة لمتطلبات مختلفة.
يُقرّ المقترح بأن استبدال الآلة الافتراضية لا يحظى حاليًا بإجماع داخل مجتمع مطوري إيثيريوم، ويصفه بأنه تغيير سيتضح جليًا بمجرد اكتمال تعديلات شجرة الحالة. ويعرض المقترح التغييرات بشكل متسلسل: الأشجار الثنائية أولًا، ثم استبدال الآلة الافتراضية بمجرد نضوج بنية الإثبات حول بنية الحالة الجديدة. وقد تراكمت تعقيدات في آلة إيثيريوم الافتراضية على مر السنين من خلال الإضافات التدريجية، وينص المقترح على أن تلبية متطلبات وظائف إيثيريوم تستلزم معالجة الآلة الافتراضية بدلًا من الاستمرار في تطبيق حلول بديلة.
