Разбираем EIP-4844: прото-данкшардинг Ethereum и зачем он нужен?

Последним крупным событием в развитии Ethereum стала реализация обновления Shapella в середине апреля. Однако это только начало пути Ethereum 2.0 и разработчикам все еще предстоит решить основные проблемы сети: высокие комиссии и низкую пропускную способность. Следующим шагом к этой цели станет внедрение шардинга, которое будет реализовано в несколько этапов, первый из них — EIP-4844.

Сегодня разберем, что предлагает это обновление и как после него изменится Ethereum. Будет немного на технарьском, но мы добавим картинок.

Что такое шардинг Ethereum?

В сети Ethereum планируется реализовать так называемый данкшардинг — модель в которой используются:

• Комитеты случайно выбранных валидаторов для защиты шардов от атак Сивиллы:

Структура комитетов шардированной сети Ethereum

• Выборка доступности данных (DAS), чтобы подтвердить доступность информации без полной загрузки пакета данных:

Визуализация выборки доступности данных

Сам Ethereum будет разделен на 64 шарда, которые подключаются к координационной цепочке — Beacon Chain. В этой цепочке будут запущены так называемые узлы-офферанты, которые отбирают транзакции и передают их конкретному шарду для обработк и формирования блока. 

Если проще, то вместо одной последовательной цепочки, в которой каждый узел должен загрузить каждую транзакцию будет координационная Beacon Сhain и связанные с ней шарды, параллельно обрабатывающие транзакции. Узлы в каждом шарде хранят только свою часть данных, связанных с их транзакциями вместо полной истории транзакций сети:

Базовая архитектура сети Ethereum после шардинга

Примечание: концепция шардинга Ethereum получила название «данкшардинг» в честь исследователя Ethereum Dankrad Feist, который и предложил описанную выше архитектуру. Подробное техническое описание данкшардинга от Виталика Бутерина доступно тут.

Данкшардинг и EIP-4844

EIP-4844 предлагает реализовать в сети Ethereum прото-данкшардинг — предварительный этап, который должен внести основные изменения необходимые для полноценного запуска данкшардинга в будущем. EIP-4844 преследует 2 цели:

• Подготовка к реализации шардинга: для этого планируется реализовать новую логику транзакций, необходимую для внедрения шардинга, внести изменения в Beacon chain и beacon nodes, разделить проверку транзакций в beacon blocks и ввести большие двоичные объекты (подробнее ниже).
• Снижение стоимости газа для L2: этой цели будут способствовать как новая структура данных транзакции, так и запуск механизма динамичного регулирования стоимости газа для больших двоичных объектов. 

Полный список изменений, внедряемых в EIP-4844 и работы, которую еще нужно проделать для полной реализации шардинга доступен в техническом описании предложения:

Разработчики мотивируют необходимость внедрения прото-данкшардинга высокими комиссиями в экосистеме Ethereum, которые даже в L2-сетях остаются за пределами доступности для многих пользователей. И хотя в основной сети эту проблему сможет решить только полная реализация шардинга, для L2 ситуацию можно изменить уже сейчас, предоставив решениям второго уровня более дешевое пространство для хранения данных. 

Кроме того, после внедрения шардинга L2-сетям так или иначе придется проводить обновления, чтобы использовать новую структуру транзакций, а EIP-4844 позволит сделать это уже сейчас, не дожидаясь развертывания шардов. При этом execution-уровень Ethereum (EVM) не будет затронут и сеть будет совместима со всеми решениями:

Архитектура блокчейна Ethereum после реализации EIP-4844

Примечание: как и в случае с данкшардингом, название «прото-данкшардинг» образовалось от имени исследователя Ethereum — Proto-Lambda, предложившего реализовать предварительный этап, который должен упростить переход на шардинг.

Основные нововведения EIP-4844

Главным изменением EIP-4844 является внедрение нового типа транзакций с использованием больших двоичных объектов или блобов (BLOB). Блобы являются важной частью архитектуры данкшардинга, но до его реализации могут помочь L2-сетям. 

На данный момент роллап-решения при обработке транзакций отправляют в L1 только короткую информацию с новым состоянием сети в то время как данные пакета транзакций записываются в calldata. Запись данных calldata хоть и обходится дешевле, но узлы хранят эту информацию бессрочно, что приводит к накоплению данных и повышению требований к нодам. EIP-4844 предлагает записывать данные пакета транзакций не в calldata. Теперь чуть подробнее об основных элементах этого механизма:

• Блобы — это пакеты данных, в которые записывается полная информация о блоке транзакций L2. При этом блоб хранится вне execution-слоя, то есть у EVM нет прямого доступа к данным в блобе. Разработчики используют для описания концепции понятие «мотоциклетной коляски» (sidecar), поскольку блоб «крепится» к блоку, как коляска к мотоциклу. Обработка транзакций с блобами выглядит следующим образом:

Жизненный цикл транзакции после EIP-4844 by francesco

Сам блоб в отличие от calldata будет храниться ограниченный промежуток времени, достаточный, чтобы роллап-валидаторы могли восстановить полную историю транзакций при необходимости (~1-3 месяца). После этого данные обрезаются. Жизненный цикл блоба выглядит следующим образом:

Жизненный цикл блоба by francesco

Поскольку блоб может содержать большой объем данных, то на начальном этапе будет установлено ограничение: 2-4 блоба (0,25-0,5 МБ) на блок. Эти начальные ограничения должны минимизировать нагрузку на сеть и, как ожидается, будут увеличены в будущих обновлениях.

• KZG — это доказательство обязательства, которое будет использоваться в данкшардинге Ethereum. Если максимально упростить, то KZG показывает, что конкретное значение в данной точке равно заявленному значению. Зачем это нужно?

Как уже упоминалось, у EVM нет прямого доступа к данным блоба, поэтому, чтобы проверить достоверность данных, слой исполнение использует доказательства KZG. После внедрения EIP-4844:

• Оптимистические роллапы: при формировании доказательства мошенничества могут проверить достоверность, «загружая одновременно несколько значений блоба через calldata». Для каждого значения они предоставляют доказательство KZG.
• ZK-роллапы: должны предоставить и KZG в блобе и собственное доказательство ZK, а затем доказать, что KZG (к которому протокол обращается за доступными данными) и собственное обязательство ZK-роллапа относятся к одним и тем же данным.

Подробнее о том, как устроены KZG и зачем они нужны можно узнать тут. 

Добавим, что для формирования KZG требуются исходные данные, которые генерируются во время публичной церемонии. Публичная церемония с участием большого количества пользователей гарантирует, что злоумышленник не сможет получить доступ к исходным данным и подделать KZG. Поучаствовать в церемонии можно тут. В добавок к этому EIP-4844 интегрирует формулу динамичного изменения стоимости газа за использование пространства для блобов. Она работает также, как механизм реализованный в EIP-1559 и призвана обеспечить максимально быструю адаптацию стоимости газа по мере использования блобами пространства в блоках.

Как EIP-4844 повлияет на пользователей

Технические изменения, которые внесет EIP-4844 более-менее понятны, но как это скажется на пользовательском опыте? Тут важно понимать 2 ключевых момент:

• Комиссии в основной сети Ethereum не изменятся или изменятся незначительно: сам шардинг данных не будет реализован в EIP-4844, а значит всем узлам, как и раньше нужно будет загружать все транзакции, поэтому пропускная способность сети и комиссии останутся прежними. Но, снижение стоимости газа может быть вызвано переходом пользователей на L2-сети, которые смогут предложить еще более выгодные условия. 
• Комиссии в L2-сетях существенно упадут: внедрение временных блобов вместо функции calldata, которая сейчас используется для хранения данных L2-пакетов транзакций снизит стоимость записи транзакций. В сочетании с динамичным механизмом регулирования стоимости газа для записи блобов это привести к снижению комиссий в L2 сетях на базе оптимистических или zk-роллапов. 

В остальном, до полной реализации шардинга на пользовательском уровне взаимодействие с Ethereum и построенных на его основе приложениях не изменится.

Что дальше?

Реализация прото-данкшардинга запланирована на вторую половину 2023-го, то есть уже в ближайшие месяцы и очевидно, что это событие даст импульс для развития L2-экосистемы. Даже сейчас аналитики называют текущий тренд L2-summer и мы сами видим:

• Стремительное развертывание zk-решений: zkSync, zkEVM от Polygon, Starknet, Linea и другие. 
• Быстрое развитие L2-экосистем на базе оптимистических роллапов: Optimism реализует Superchain, Arbitrum внедряет Nitro и децентрализованное управление. 
• Возрождение DeFi в роллап-сетях: в новых чейнах ежедневно появляются новые DEX, площадки кредитования, агрегаторы доходности и другие типы DeFi-площадок. Сервисы, которые непопулярны на Ethereum из-за высоких комиссий получают вторую жизнь в L2 сетях. 

Так, о данным DeFi Llama совокупный TVL 11 роллап-сетей демонстрирует рост с осени 2022-го:

TVL роллап-сетей по данным аналитического сервиса DeFi Llama

И хотя после дропа Arbitrum восходящий тренд TVL фактически остановился, EIP-4844 может стать тем самым драйвером, который отправит основные L2-сети если не на луну, то выше средней производительности рынка.

Заключение

EIP-4844 — это предложение по развертыванию в основной сети Ethereum прото-данкшардинга: промежуточно этапа перед полноценной реализацией шардинга. Прото-данкшардинг ставит перед собой 2 основных цели:

• Внедрить часть базовых изменений в работе сети, необходимых для развертывания шардов.
• Предоставить для L2-решений дешевый способ хранения пакетов транзакций и снизить комиссии в роллап-сетях уже сейчас. 

Достичь этих целей планируется через реализацию новой логики транзакций с использованием больших двоичных объектов (блобов) с временным хранением данных. Полный потенциал блобов будет раскрыт только после полного шардинга, но сразу после развертывания EIP-4844, L2-сети смогут использовать блобы для записи данных транзакций, вместо calldata.

Основным следствием EIP-4844 для пользователей станет существенное снижение стоимости транзакций в L2-сетях и, возможно незначительное удешевление газа в основной сети Ethereum. Это в свою очередь может дать толчок к стремительному развитию роллап-решений и их экосистем.