以太坊权益证明系统的未来发展方向

以太坊联合创始人维塔利克·布特林最近发布了一系列文章,探讨以太坊协议的未来发展方向。这些文章涵盖了以太坊路线图的六个主要部分,包括合并(The Merge)、扩容(The Surge)、清理(The Scourge)、验证(The Verge)、净化(The Purge)和飞跃(The Splurge)。本文将重点解析路线图的第一部分"合并",探讨权益证明机制还有哪些可以改进的地方,以及如何实现这些改进。

布特林认为,"合并"是以太坊历史上最重要的里程碑事件,标志着从工作量证明(PoW)向权益证明(PoS)的转变。目前,以太坊作为一个PoS系统已稳定运行近两年,在稳定性、性能和去中心化方面表现出色。然而,PoS机制仍有一些关键领域需要进一步改进。

2023年的路线图将重点放在以下几个方面:改善技术特性(如稳定性、性能和小型验证者的可访问性),以及实施经济变革以应对中心化风险。布特林强调,这并非一份详尽的改进清单,而是目前正在积极考虑的一些想法。

合并的主要目标

1. 单时隙确定性(SSF):目前以太坊区块需要约15分钟才能最终确定。通过提高共识机制的效率,可以大幅缩短这一时间,使区块能在同一时隙内提出并最终确定。

2. 在保持去中心化的同时,实现交易的最快确认和完成。

3. 提高独立质押者的参与可行性。

4. 增强系统整体稳健性。

5. 提升以太坊抵御51%攻击的能力,包括防止最终性逆转、阻止和审查。

单时隙确定性和质押民主化

当前,以太坊需要2-3个epoch(约15分钟)才能最终确定一个区块,且至少需要32 ETH才能成为验证者。这是在三个目标之间权衡的结果:

• 最大化参与质押的验证者数量
• 最小化最终确定时间
• 最小化运行节点的开销

这三个目标存在矛盾。为实现经济最终性(即攻击者需要销毁大量ETH才能撤销已确定的区块),每次最终确定时都需要每个验证者签署两条消息。因此,如果验证者数量众多,要么需要很长时间处理所有签名,要么需要非常强大的节点同时处理所有签名。

理想情况下,以太坊希望在保持经济最终性的同时实现两个目标:

1. 在一个时隙内(理想情况下保持或缩短当前12秒的长度)完成区块最终确定,而不是15分钟。

2. 将最低质押门槛从32 ETH降至1 ETH。

第一点可以确保所有用户都能从更高级别的安全保障中受益。第二点则有助于支持独立质押者,降低参与门槛。

然而,这两个目标都与最小化开销的目标相冲突。这也是以太坊最初没有采用单时隙确定性的原因。不过,最近的研究提出了一些可能的解决方案。

单时隙确定性提案

为了在验证者数量众多的情况下实现单时隙确定性,同时不会导致节点运营成本过高,目前有几种主要的解决方案:

1. 暴力破解:开发更高效的签名聚合协议,可能会使用ZK-SNARKs技术,使在单个时隙内处理数百万验证者的签名成为可能。

2. Orbit委员会:这是一种新机制,允许随机选取的中型委员会负责链的最终确定,同时保留攻击成本特性。Orbit利用验证者存款规模的异质性,在经济最终性和小型验证者参与之间取得平衡。

3. 双层质押:这种机制设有两类质押者,一类存款要求较高,另一类较低。只有高存款要求的层级直接参与提供经济最终性。对于低层级存款者的权责,已有多种提案,包括委托质押、随机抽取参与区块确认等。

每种解决方案都有其优缺点,需要在安全性、去中心化和技术可行性之间进行权衡。

单一秘密领袖选举

目前,下一个区块的提议者是可以提前知道的,这会产生安全漏洞。攻击者可能会监视网络,确定验证者的IP地址,并在其即将提出区块时发起DoS攻击。

解决这个问题的最佳方法是隐藏下一个区块提议者的信息,至少在区块实际生成之前保密。单一秘密领袖选举协议通过使用加密技术为每个验证者创建"盲"验证者ID,然后让多个提议者有机会对盲ID池进行重组和重新加密来解决这个问题。

然而,实现一个足够简单的单一秘密领袖选举协议并非易事。以太坊协议的简洁性至关重要,不希望进一步增加其复杂性。目前正在探索使用环签名的简化SSLE方案,但仍需解决如何实现有效的抗量子SSLE等问题。

更快的交易确认

进一步缩短以太坊的交易确认时间(从12秒缩短到4秒)将显著改善用户体验,提高DeFi协议效率,并使L2更去中心化。有两种主要技术路线:

1. 缩短时隙时间至8秒或4秒。
2. 允许提议者在单时隙期间发布预确认。

然而,缩短时隙时间可能会增加验证者集中化风险,因为某些地区的质押者可能难以及时获得证明。预确认方法虽然可以改善平均确认时间,但无法改善最坏情况下的表现,且如何激励预确认仍是一个待解决的问题。

抗量子攻击

面对潜在的量子计算威胁,以太坊需要积极开发抗量子攻击替代方案。当前依赖椭圆曲线的每个协议部分都需要有基于哈希或其他抗量子的替代方案。这证明了在权益证明设计中采取保守性能假设的合理性,也是更积极开发抗量子攻击替代方案的原因。

结语

以太坊权益证明系统的技术演进充满挑战。为应对这些挑战,单时隙最终确定性、质押民主化、单一秘密领袖选举、更快的交易确认以及抗量子攻击替代方案的开发,都是以太坊需要解决的重要问题。

布特林对"合并"升级进行了全面思考,提出了多种技术解决方案组合,讨论了权益证明技术的设计潜力和当前可行的升级路径。在技术升级过程中,以太坊正不断探索和创新,在不同方案间权衡取舍,以找到最适合的发展路径,实现更高的安全性、性能和去中心化程度。