以太坊权益证明系统的技术进化之路

以太坊联合创始人Vitalik Buterin最近发布了一系列文章,探讨以太坊协议未来的发展方向。这些文章涵盖了以太坊路线图的六个主要部分,本文将聚焦于其中的第一部分 - "The Merge"(合并),探讨权益证明(PoS)机制还有哪些可以改进的地方,以及如何实现这些改进。

Vitalik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)到权益证明(PoS)的转变。目前,以太坊作为一个PoS系统已经稳定运行近两年,在稳定性、性能和去中心化方面表现出色。但是,PoS机制仍有一些关键领域需要进一步优化。

以太坊2023年的路线图将这些优化分为两大类:技术特性的改进(如稳定性、性能和小型验证者的可访问性),以及应对中心化风险的经济变革。Vitalik强调,这份清单并非详尽无遗,而是目前正在积极考虑的一些想法。

合并的主要目标

1. 实现单时隙确定性(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,可以大幅缩短这个时间,使区块在同一时隙内就能提议并最终确定。

2. 在保持去中心化的前提下,尽可能快速地确认和完成交易。

3. 提高单独质押的可行性,降低参与门槛。

4. 进一步增强系统稳健性。

5. 增强以太坊对51%攻击的抵抗和恢复能力,包括防止最终性逆转、最终性阻止和审查。

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)才能完成一个区块,且需要32 ETH才能成为质押者。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,最小化最终性时间,以及最小化节点运行开销。

理想情况下,以太坊希望在保留经济最终性的同时实现两个改进:

1. 在一个时隙(slot)内完成区块确定,理想情况下保持或缩短当前12秒的时长。

2. 将质押门槛从32 ETH降至1 ETH。

这两点改进将使更多用户受益于更高级别的安全保障,并大大降低单独质押的门槛。然而,这些目标与最小化开销的目标相互冲突,这也是以太坊最初没有采用单时隙确定性的原因。不过,最新研究提出了一些可能的解决方案。

单时隙确定性提案

为了在验证者数量庞大的情况下实现单时隙确定性,同时不会显著增加节点运营成本,目前有几种主要的解决方案:

1. 改进签名聚合协议,可能会使用ZK-SNARKs技术,以处理单时隙内数百万个验证者的签名。

2. Orbit委员会机制:随机选取中等规模的委员会负责链的最终确定,同时保留高攻击成本特性。

3. 双层质押机制:设置两类质押者,一类存款要求较高,另一类较低。只有高层级质押者直接参与经济最终性的过程。

每种方案都有其优缺点,需要在安全性、去中心化和技术复杂度之间权衡。

单一秘密领袖选举

当前,下一个区块的提议者是可以提前知道的,这可能导致安全漏洞。单一秘密领袖选举(SSLE)协议旨在解决这个问题,通过加密技术为每个验证者创建"盲"验证者ID,并让多个提议者有机会对盲ID池进行重组和重新混淆。

然而,实现一个简单高效的SSLE协议并非易事。如何在不显著增加协议复杂性的前提下实现SSLE,以及如何设计抗量子的SSLE,都是需要解决的问题。

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,并有助于L2的去中心化。主要有两种技术路线:减少时隙时间,或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的风险。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,且如何激励预确认仍是一个待解决的问题。

抗量子计算威胁

面对未来可能的量子计算威胁,以太坊需要积极开发抗量子攻击的替代方案。当前依赖椭圆曲线的每个协议部分都需要基于哈希或其他抗量子技术的替代方案。这凸显了在权益证明设计中保持保守性假设的重要性。

结语

以太坊权益证明系统的技术演进之路充满挑战。为了应对这些挑战,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。

Vitalik对"The Merge"升级进行了全面思考,提出了多种技术解决方案组合,探讨了以太坊PoS技术的设计潜力和当前可行的技术升级路径。

在技术升级过程中,以太坊持续探索创新,在不同方案间权衡选择,以找到最佳发展路径,实现更高的安全性、性能和去中心化程度。这一过程展现了以太坊社区在追求技术进步同时,对系统稳定性和安全性的高度重视。