以太坊權益證明系統的未來發展方向

以太坊聯合創始人維塔利克·布特林最近發布了一系列文章,探討以太坊協議的未來發展方向。這些文章涵蓋了以太坊路線圖的六個主要部分,包括合並(The Merge)、擴容(The Surge)、清理(The Scourge)、驗證(The Verge)、淨化(The Purge)和飛躍(The Splurge)。本文將重點解析路線圖的第一部分"合並",探討權益證明機制還有哪些可以改進的地方,以及如何實現這些改進。

布特林認爲,"合並"是以太坊歷史上最重要的裏程碑事件,標志着從工作量證明(PoW)向權益證明(PoS)的轉變。目前,以太坊作爲一個PoS系統已穩定運行近兩年,在穩定性、性能和去中心化方面表現出色。然而,PoS機制仍有一些關鍵領域需要進一步改進。

2023年的路線圖將重點放在以下幾個方面:改善技術特性(如穩定性、性能和小型驗證者的可訪問性),以及實施經濟變革以應對中心化風險。布特林強調,這並非一份詳盡的改進清單,而是目前正在積極考慮的一些想法。

合並的主要目標

1. 單時隙確定性(SSF):目前以太坊區塊需要約15分鍾才能最終確定。通過提高共識機制的效率,可以大幅縮短這一時間,使區塊能在同一時隙內提出並最終確定。

2. 在保持去中心化的同時,實現交易的最快確認和完成。

3. 提高獨立質押者的參與可行性。

4. 增強系統整體穩健性。

5. 提升以太坊抵御51%攻擊的能力,包括防止最終性逆轉、阻止和審查。

單時隙確定性和質押民主化

當前,以太坊需要2-3個epoch(約15分鍾)才能最終確定一個區塊,且至少需要32 ETH才能成爲驗證者。這是在三個目標之間權衡的結果:

• 最大化參與質押的驗證者數量
• 最小化最終確定時間
• 最小化運行節點的開銷

這三個目標存在矛盾。爲實現經濟最終性(即攻擊者需要銷毀大量ETH才能撤銷已確定的區塊),每次最終確定時都需要每個驗證者簽署兩條消息。因此,如果驗證者數量衆多,要麼需要很長時間處理所有籤名,要麼需要非常強大的節點同時處理所有籤名。

理想情況下,以太坊希望在保持經濟最終性的同時實現兩個目標:

1. 在一個時隙內(理想情況下保持或縮短當前12秒的長度)完成區塊最終確定,而不是15分鍾。

2. 將最低質押門檻從32 ETH降至1 ETH。

第一點可以確保所有用戶都能從更高級別的安全保障中受益。第二點則有助於支持獨立質押者,降低參與門檻。

然而,這兩個目標都與最小化開銷的目標相衝突。這也是以太坊最初沒有採用單時隙確定性的原因。不過,最近的研究提出了一些可能的解決方案。

單時隙確定性提案

爲了在驗證者數量衆多的情況下實現單時隙確定性,同時不會導致節點運營成本過高,目前有幾種主要的解決方案:

1. 暴力破解:開發更高效的籤名聚合協議,可能會使用ZK-SNARKs技術,使在單個時隙內處理數百萬驗證者的籤名成爲可能。

2. Orbit委員會:這是一種新機制,允許隨機選取的中型委員會負責鏈的最終確定,同時保留攻擊成本特性。Orbit利用驗證者存款規模的異質性,在經濟最終性和小型驗證者參與之間取得平衡。

3. 雙層質押:這種機制設有兩類質押者,一類存款要求較高,另一類較低。只有高存款要求的層級直接參與提供經濟最終性。對於低層級存款者的權責,已有多種提案,包括委托質押、隨機抽取參與區塊確認等。

每種解決方案都有其優缺點,需要在安全性、去中心化和技術可行性之間進行權衡。

單一祕密領袖選舉

目前,下一個區塊的提議者是可以提前知道的,這會產生安全漏洞。攻擊者可能會監視網路,確定驗證者的IP地址,並在其即將提出區塊時發起DoS攻擊。

解決這個問題的最佳方法是隱藏下一個區塊提議者的信息,至少在區塊實際生成之前保密。單一祕密領袖選舉協議通過使用加密技術爲每個驗證者創建"盲"驗證者ID,然後讓多個提議者有機會對盲ID池進行重組和重新加密來解決這個問題。

然而,實現一個足夠簡單的單一祕密領袖選舉協議並非易事。以太坊協議的簡潔性至關重要,不希望進一步增加其復雜性。目前正在探索使用環籤名的簡化SSLE方案,但仍需解決如何實現有效的抗量子SSLE等問題。

更快的交易確認

進一步縮短以太坊的交易確認時間(從12秒縮短到4秒)將顯著改善用戶體驗,提高DeFi協議效率,並使L2更去中心化。有兩種主要技術路線:

1. 縮短時隙時間至8秒或4秒。
2. 允許提議者在單時隙期間發布預確認。

然而,縮短時隙時間可能會增加驗證者集中化風險,因爲某些地區的質押者可能難以及時獲得證明。預確認方法雖然可以改善平均確認時間,但無法改善最壞情況下的表現,且如何激勵預確認仍是一個待解決的問題。

抗量子攻擊

面對潛在的量子計算威脅,以太坊需要積極開發抗量子攻擊替代方案。當前依賴橢圓曲線的每個協議部分都需要有基於哈希或其他抗量子的替代方案。這證明了在權益證明設計中採取保守性能假設的合理性,也是更積極開發抗量子攻擊替代方案的原因。

結語

以太坊權益證明系統的技術演進充滿挑戰。爲應對這些挑戰,單時隙最終確定性、質押民主化、單一祕密領袖選舉、更快的交易確認以及抗量子攻擊替代方案的開發,都是以太坊需要解決的重要問題。

布特林對"合並"升級進行了全面思考,提出了多種技術解決方案組合,討論了權益證明技術的設計潛力和當前可行的升級路徑。在技術升級過程中,以太坊正不斷探索和創新,在不同方案間權衡取舍,以找到最適合的發展路徑,實現更高的安全性、性能和去中心化程度。