以太坊權益證明系統的技術進化之路

以太坊聯合創始人Vitalik Buterin最近發布了一系列文章,探討以太坊協議未來的發展方向。這些文章涵蓋了以太坊路線圖的六個主要部分,本文將聚焦於其中的第一部分 - "The Merge"(合並),探討權益證明(PoS)機制還有哪些可以改進的地方,以及如何實現這些改進。

Vitalik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)到權益證明(PoS)的轉變。目前,以太坊作爲一個PoS系統已經穩定運行近兩年,在穩定性、性能和去中心化方面表現出色。但是,PoS機制仍有一些關鍵領域需要進一步優化。

以太坊2023年的路線圖將這些優化分爲兩大類:技術特性的改進(如穩定性、性能和小型驗證者的可訪問性),以及應對中心化風險的經濟變革。Vitalik強調,這份清單並非詳盡無遺,而是目前正在積極考慮的一些想法。

合並的主要目標

1. 實現單時隙確定性(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,可以大幅縮短這個時間,使區塊在同一時隙內就能提議並最終確定。

2. 在保持去中心化的前提下,盡可能快速地確認和完成交易。

3. 提高單獨質押的可行性,降低參與門檻。

4. 進一步增強系統穩健性。

5. 增強以太坊對51%攻擊的抵抗和恢復能力,包括防止最終性逆轉、最終性阻止和審查。

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)才能完成一個區塊,且需要32 ETH才能成爲質押者。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,最小化最終性時間,以及最小化節點運行開銷。

理想情況下,以太坊希望在保留經濟最終性的同時實現兩個改進:

1. 在一個時隙(slot)內完成區塊確定,理想情況下保持或縮短當前12秒的時長。

2. 將質押門檻從32 ETH降至1 ETH。

這兩點改進將使更多用戶受益於更高級別的安全保障,並大大降低單獨質押的門檻。然而,這些目標與最小化開銷的目標相互衝突,這也是以太坊最初沒有採用單時隙確定性的原因。不過,最新研究提出了一些可能的解決方案。

單時隙確定性提案

爲了在驗證者數量龐大的情況下實現單時隙確定性,同時不會顯著增加節點運營成本,目前有幾種主要的解決方案:

1. 改進籤名聚合協議,可能會使用ZK-SNARKs技術,以處理單時隙內數百萬個驗證者的籤名。

2. Orbit委員會機制:隨機選取中等規模的委員會負責鏈的最終確定,同時保留高攻擊成本特性。

3. 雙層質押機制:設置兩類質押者,一類存款要求較高,另一類較低。只有高層級質押者直接參與經濟最終性的過程。

每種方案都有其優缺點,需要在安全性、去中心化和技術復雜度之間權衡。

單一祕密領袖選舉

當前,下一個區塊的提議者是可以提前知道的,這可能導致安全漏洞。單一祕密領袖選舉(SSLE)協議旨在解決這個問題,通過加密技術爲每個驗證者創建"盲"驗證者ID,並讓多個提議者有機會對盲ID池進行重組和重新混淆。

然而,實現一個簡單高效的SSLE協議並非易事。如何在不顯著增加協議復雜性的前提下實現SSLE,以及如何設計抗量子的SSLE,都是需要解決的問題。

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,並有助於L2的去中心化。主要有兩種技術路線:減少時隙時間,或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的風險。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,且如何激勵預確認仍是一個待解決的問題。

抗量子計算威脅

面對未來可能的量子計算威脅,以太坊需要積極開發抗量子攻擊的替代方案。當前依賴橢圓曲線的每個協議部分都需要基於哈希或其他抗量子技術的替代方案。這凸顯了在權益證明設計中保持保守性假設的重要性。

結語

以太坊權益證明系統的技術演進之路充滿挑戰。爲了應對這些挑戰,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。

Vitalik對"The Merge"升級進行了全面思考,提出了多種技術解決方案組合,探討了以太坊PoS技術的設計潛力和當前可行的技術升級路徑。

在技術升級過程中,以太坊持續探索創新,在不同方案間權衡選擇,以找到最佳發展路徑,實現更高的安全性、性能和去中心化程度。這一過程展現了以太坊社區在追求技術進步同時,對系統穩定性和安全性的高度重視。