تحليل آفاق ترقية تقنية بروتوكول الإيثريوم (1): الدمج

كتبه Ebunker

منذ أكتوبر من هذا العام، أصدر المؤسس المشارك لـ Ethereum، فيتاليك بوتيرين، سلسلة من المقالات حول مقال عن الاحتمالات المستقبلية لبروتوكول إيثريوم، يغطي الأجزاء الستة من خارطة طريق تطوير إيثريوم: الدمج، والاندفاع، والبلاء، والحافة، والتطهير، والتفاخر. ستفسر هذه المقالة الجزء الأول من خريطة الطريق (الدمج) وتستكشف تحسينات التصميم الفني التي يمكن إجراؤها في إثبات الحصة PoS وطرق تحقيق هذه التحسينات.

يعتقد Vitalik أن "الاندماج" يشير إلى الحدث الأكثر أهمية في تاريخ بروتوكول Ethereum منذ إطلاقه: الانتقال من إثبات العمل إلى إثبات العمل (PoW) إثبات الحصة (PoS). اليوم، أصبح Ethereum نظامًا مستقرًا وفعالاً لإثبات الحصة (PoS) منذ ما يقرب من عامين، وكان أداء إثبات الحصة هذا جيدًا للغاية من حيث الاستقرار والأداء وتجنب مخاطر المركزية. ومع ذلك، لا تزال هناك بعض المجالات المهمة التي يحتاج فيها إثبات الحصة إلى تحسين.

تقسم خريطة طريق Ethereum لعام 2023 إلى أجزاء: تحسين الميزات التقنية مثل الاستقرار والأداء وإمكانية الوصول للمدققين الصغار)، والتغييرات الاقتصادية لمعالجة مخاطر المركزية. وفقًا لـ Vitalik، فإن هذه المقالة ليست قائمة شاملة بالتحسينات التي تم إدخالها على إثبات الحصة، ولكنها تتضمن المزيد من الأفكار التي يتم النظر فيها بنشاط.

الأهداف الرئيسية للدمج هي كما يلي:

1. النهاية ذات الشقوق الفردية (SSF): عادةً ما تستغرق كتل الإيثيريوم حوالي 15 دقيقة حتى يتم الانتهاء منها. ومع ذلك، يمكن تقليل الوقت اللازم للانتهاء بشكل كبير من خلال جعل آلية الإجماع الخاصة بإيثريوم أكثر كفاءة في التحقق من صحة الكتل. يمكن اقتراح الكتل وإنهائها خلال نفس الفترة الزمنية دون الانتظار لمدة 15 دقيقة.

2. تأكيد المعاملات وإكمالها في أسرع وقت ممكن مع الحفاظ على اللامركزية

3. التحسين جدوى التعهدات الفردية

4. تحسين المتانة

5 .ارفع زوج الإيثيريوم بمقدار 51% القدرة على المقاومة والتعافي من الهجمات (بما في ذلك عكس النهاية، ومنع النهاية، والرقابة)

النهاية ذات الفتحة الواحدة وإرساء الديمقراطية

< p style ="text-align: left;">في الوقت الحالي، يستغرق الأمر من 2 إلى 3 حقب (~ 15 دقيقة) لإكمال الكتلة، ويلزم 32 ETH لتصبح لاعبًا. كان هذا في الأصل حلاً وسطًا لتحقيق التوازن بين ثلاثة أهداف:

• زيادة عدد المدققين إلى الحد الأقصى المشاركة في التوقيع المساحي (تقليل مبلغ ETH المطلوب للتخزين)؛

• تقليل وقت النهاية;

< لى>

تقليل الحمل للعقد قيد التشغيل.

تتعارض هذه الأهداف الثلاثة مع بعضها البعض: من أجل تحقيق الغاية الاقتصادية (أي أن المهاجم يحتاج إلى تدمير كمية كبيرة من ETH لاستعادة النهاية) الكتلة النهائية)، يحتاج كل مدقق إلى التوقيع على رسالتين في كل مرة يتم فيها الانتهاء. لذلك، إذا كان عدد المدققين كبيرًا، فستستغرق معالجة جميع التوقيعات وقتًا طويلاً، أو ستتطلب عقدًا قوية جدًا لمعالجة جميع التوقيعات في نفس الوقت.

كل هذا يتوقف على الهدف الرئيسي للإيثريوم: ضمان أن الهجمات الناجحة حتى تفرض تكاليف باهظة على المهاجم. وهذا هو المقصود بمصطلح "النهائية الاقتصادية".

هناك أيضًا أمثلة مضادة ليس لها "نهائية اقتصادية" (مثل Algorand) تضع اللمسات النهائية على كل فترة زمنية عن طريق اختيار لجنة عشوائيًا لحل هذه المشكلة . لكن المشكلة في هذا النهج هي أنه إذا كان المهاجم يسيطر على 51% من المدققين، فإن تكلفة الهجوم منخفضة للغاية: سيتم اكتشاف بعض العقد في اللجنة فقط على أنها مشاركة في الهجوم ومعاقبتها. وهذا يعني أنه يمكن للمهاجم مهاجمة السلسلة بشكل متكرر عدة مرات.

لذلك، إذا أرادت Ethereum تحقيق النهاية الاقتصادية، فلن ينجح النهج البسيط القائم على اللجنة، ولكنه سيتطلب مشاركة مجموعة كاملة من المدققين.

من الناحية المثالية، تأمل Ethereum في تحسين الوضع الراهن في جانبين مع الحفاظ على النهاية الاقتصادية:

1. إنهاء الكتل داخل فتحة (من الأفضل الحفاظ على الطول الحالي أو حتى تقليله وهو 12 ثانية) بدلاً من 15 دقيقة

2. السماح للمدققين بالمشاركة مع 1 إيثريوم (من 32 ETH وصولاً إلى 1 ETH)

تضمن النقطة الأولى أن جميع مستخدمي Ethereum يستفيدون من مستوى أعلى من الأمان يتم تحقيقه من خلال آلية الاستفادة النهائية. اليوم، لا يتمتع معظم المستخدمين بهذا الضمان لأنهم غير مستعدين للانتظار لمدة 15 دقيقة؛ ومع آلية إنهاء المعاملة ذات الفتحة الواحدة، يمكن للمستخدمين رؤية المعاملة النهائية على الفور تقريبًا بعد تأكيد المعاملة. ثانيًا، يعمل على تبسيط البروتوكول والبنية التحتية المحيطة به إذا لم يكن لدى المستخدمين والتطبيقات ما يدعو للقلق بشأن إمكانية التراجع عن السلسلة.

النقطة الثانية هي دعم المتعهدين الأفراد. وفقًا لاستطلاعات الرأي المتعددة، فإن العامل الرئيسي الذي يمنع الستاكينغ الفردي هو الحد الأدنى البالغ 32 إيثريوم. سيؤدي خفض الحد الأدنى إلى 1 ETH إلى حل هذه المشكلة.

هناك تحدٍ: تتعارض أهداف النهاية الأسرع والمزيد من الديمقراطية مع هدف تقليل النفقات العامة. في الواقع، هذه الحقيقة هي السبب وراء عدم اعتماد Ethereum للنهائية ذات الفتحة الواحدة في المقام الأول. ومع ذلك، تشير الأبحاث الحديثة إلى بعض الحلول الممكنة لهذه المشكلة.

كيفية العمل:

تتضمن الحتمية ذات الفتحة الواحدة استخدام الإنهاء ضمن إجماع كتلة الفتحة خوارزمية. وهذا ليس هدفًا بعيد المنال في حد ذاته، والعديد من الخوارزميات (مثل إجماع Tendermint) تحقق هذا بالفعل.

الخاصية المرغوبة الفريدة لـ Ethereum هي (أي تسربات عدم النشاط): تسمح هذه الخاصية لـ blockchain بالاستمرار حتى لو كان أكثر من ثلث أدوات التحقق من الصحة غير متصلين بالإنترنت تشغيل واستئناف في نهاية المطاف.

اقتراح حتمي ذو فتحة واحدة

هناك العديد من الحلول الرائدة لمشكلة كيفية جعل النهاية ذات الفتحة الواحدة تعمل بأعداد عالية جدًا من أدوات التحقق من الصحة دون تكبد أعباء عالية جدًا لمشغل العقدة:

الخيار الأول هو القوة الغاشمة، وتنفيذ بروتوكول أفضل لتجميع التوقيع، ربما باستخدام ZK-SNARKs، والذي من شأنه أن يتيح إمكانية معالجة التوقيعات من ملايين المدققين في فتحة واحدة. على سبيل المثال، يعد Horn أحد المقترحات المطروحة لتصميم بروتوكولات تجميع أفضل.

الخيار الثاني هو لجنة المدار، وهي آلية جديدة تسمح للجنة متوسطة الحجم يتم اختيارها عشوائيًا أن تكون مسؤولة عن نهائية السلسلة، ولكن تحتاج إلى للاحتفاظ بخصائص تكلفة الهجوم. تعمل Orbit على تعزيز عدم التجانس الموجود مسبقًا في أحجام إيداعات المدقق لتحقيق أكبر قدر ممكن من النهاية الاقتصادية مع الاستمرار في منح المدققين الصغار دورًا يناسبهم.

كما هو موضح في الشكل أدناه، بين النطاق x=0 (لجنة Algorand، لا يوجد نهائي اقتصادي) إلى x=1 (الوضع الحالي لـ Ethereum) —— — لقد فتح Orbit SSF حلاً وسطًا:

1. لا تزال تكلفة ارتكاب الشر مرتفعة للغاية لضمان أقصى قدر من الأمن؛

2. ولكن في الوقت نفسه، تشارك فقط عينة مدقق عشوائية متوسطة الحجم في كل فترة زمنية، مما يقلل العبء على العقد.

الخيار الثالث هو التوقيع المساحي ذو الطبقة المزدوجة، وهي آلية تحتوي على نوعين من المتعهدين، أحدهما بمتطلبات إيداع أعلى والآخر بمتطلبات إيداع أقل. فقط المستويات ذات متطلبات الودائع الأعلى هي التي تشارك بشكل مباشر في توفير النهاية الاقتصادية. أما بالنسبة لحقوق ومسؤوليات الودائع ذات المستوى المنخفض، فقد تم طرح مقترحات مختلفة، بما في ذلك:

• الحق في تفويض الحصة إلى أصحاب المصلحة ذوي المستوى الأعلى؛

• اختيار عشوائي للمتعهدين من المستوى المنخفض لإثبات وتحديد هويتهم في النهاية كل كتلة؛

• إنشاء حق التضمين في القائمة، وما إلى ذلك.

كل حل له إيجابياته وسلبياته وما يجب وزنه: على الرغم من أن التكسير بالقوة الغاشمة يمكن أن يحل المشكلة، إلا أنه يتطلب تجميع عدد كبير من التوقيعات في فترة زمنية قصيرة، وهو أمر صعب للغاية من الناحية الفنية؛ تحتاج اللجنة إلى التحقق من أمانها وميزاتها، وإضفاء الطابع الرسمي عليها وتنفيذها؛ وتواجه آلية التعهد ثنائية الطبقة مخاطر المركزية، والتي تعتمد إلى حد كبير على الحقوق المحددة التي حصلت عليها طبقة التعهد الأدنى.

بالإضافة إلى الحتمية ذات الفتحة الواحدة، يعد انتخاب القائد ذو السرية الواحدة أيضًا قضية مهمة في نظام إثبات الحصة في إيثريوم. في الوقت الحاضر، يمكن معرفة المدقق الذي سيقترح الكتلة التالية مسبقًا، مما يخلق ثغرة أمنية يمكن للمهاجم مراقبة الشبكة، وتحديد المدققين الذين يتوافقون مع عناوين IP، ومهاجمة المدققين عندما يكونون على وشك اقتراح الكتلة. إطلاق هجوم DoS.

أفضل طريقة لحل هذه المشكلة هي إخفاء المعلومات المتعلقة بالمدقق الذي سيقوم بإنشاء الكتلة التالية، على الأقل حتى يتم إنشاء الكتلة فعليًا.

انتخاب زعيم سري واحد

في الوقت الحالي، من هو المدقق الذي سيقترح الكتلة التالية هو يمكنه كن معروفًا مسبقًا أن هذا يخلق ثغرة أمنية: يمكن للمهاجم مراقبة الشبكة، وتحديد المدققين الذين يتوافقون مع عناوين IP، وشن هجوم DoS على المدققين عندما يكونون على وشك اقتراح كتلة.

يقوم بروتوكول انتخاب القائد السري الفردي بإنشاء معرف مدقق "أعمى" لكل مدقق باستخدام بعض تقنيات التشفير، ثم يمنح العديد من مقدمي العروض فرصة التحقق بشكل أعمى من المعرف يتم تبديل التجمع وإعادة تعميته لحل هذه المشكلة.

ومع ذلك، فإن تنفيذ بروتوكول انتخاب زعيم سري واحد بسيط بما فيه الكفاية ليس بالأمر التافه.

تعد بساطة بروتوكول Ethereum أمرًا بالغ الأهمية، ولا نريد زيادة تعقيده. يستخدم SSLE المبسط باستخدام التوقيعات الحلقية بضع مئات من الأسطر فقط من كود المواصفات ويقدم افتراضات جديدة في التشفير المعقد.

تمثل كيفية تنفيذ SSLE الفعال بدرجة كافية والمقاومة للكم مشكلة أيضًا. في النهاية، قد ينخفض ​​"التعقيد الهامشي الإضافي" لـ SSLE إلى مستوى منخفض بدرجة كافية فقط إذا اتخذنا قرارًا لأسباب أخرى وقمنا بإدخال آليات لأداء إثباتات المعرفة الصفرية الشاملة في بروتوكول Ethereum على مستوى L1.

بالإضافة إلى ذلك، يعد التأكيد الأسرع للمعاملة أيضًا إحدى المشكلات التي يحتاج نظام إثبات الحصة في Ethereum إلى حلها.

هناك قيمة في تقليل وقت تأكيد معاملة Ethereum (من 12 ثانية إلى 4 ثوانٍ). سيؤدي القيام بذلك إلى تحسين تجربة المستخدم المستندة إلى L1 والمجموعات بشكل كبير مع جعل بروتوكولات DeFi أكثر كفاءة. كما أنه سيجعل اللغة الثانية أكثر لامركزية، حيث سيسمح لعدد كبير من تطبيقات اللغة الثانية بالعمل على مجموعات، وبالتالي تقليل الحاجة إلى اللغة الثانية لبناء ترتيبها اللامركزي القائم على اللجنة.

هناك طريقتان تقريبًا: تقليل وقت الفاصل إلى 8 ثوانٍ أو 4 ثوانٍ؛ مما يسمح لمقدم الطلب بإصدار تأكيد مسبق خلال فترة زمنية واحدة. ومع ذلك، فإن جدوى تقصير الفترات الزمنية غير واضحة حاليًا.

حتى اليوم، يكافح أصحاب المصلحة في أجزاء كثيرة من العالم للحصول على الأدلة بالسرعة الكافية. إن المحاولات في فترات زمنية مدتها 4 ثوانٍ تخاطر بمركزية مجموعة أداة التحقق، ونظرًا لزمن الوصول، فمن غير العملي أن تصبح أداة تحقق خارج عدد قليل من المناطق المميزة جغرافيًا.

تتمثل نقطة الضعف في أسلوب التأكيد المسبق لمقدم الطلب في أنه يمكن أن يحسن بشكل كبير أوقات التضمين في متوسط ​​الحالة، ولكن ليس في أسوأ الحالات. بالإضافة إلى ذلك، هناك سؤال مفتوح حول كيفية تحفيز التأكيد المسبق.

في مواجهة تهديدات الحوسبة الكمومية المحتملة في المستقبل، تحتاج Ethereum إلى تطوير بدائل مقاومة للهجمات الكمومية. يحتاج كل جزء من بروتوكول Ethereum الذي يعتمد حاليًا على المنحنيات الإهليلجية إلى بعض البدائل القائمة على التجزئة أو غيرها من البدائل المقاومة للكم. وهذا يبرر التحفظ في افتراضات الأداء المحيطة بتصميم إثبات المصلحة، وهو سبب لتطوير بدائل أكثر مقاومة للهجمات الكمومية.

الملخص

نظام إثبات الحصة في Ethereum مليء بالتحديات على الطريق إلى التطور التكنولوجي. نظرًا لارتفاع عتبة تعهد Ethereum بمفردها، أصبح مقدمو خدمات التعهد بقيادة Lido الخيار الأول لتعهدات عقدة Ethereum، كما أن حل التعهد مزدوج الطبقة ينطوي أيضًا على درجة معينة من مخاطر المركزية. ولمواجهة هذه التحديات، تعد نهائية الفتحة الواحدة وإرساء الديمقراطية، وانتخاب زعيم سري واحد، وتأكيدات أسرع للمعاملات، وتطوير بدائل مقاومة للهجوم الكمي، كلها قضايا مهمة يجب على إيثريوم معالجتها.

لقد فكر Vitalik بشكل شامل في ترقية "The Merge" واقترح أكبر عدد ممكن من مجموعات الحلول التقنية لتحسين تصميم إثبات الحصة في Ethereum تتم مناقشة الإمكانات، بالإضافة إلى مسارات ترقية التكنولوجيا الممكنة حاليًا.

في عملية التحديث التكنولوجي، لا تزال Ethereum تعمل بجد للاستكشاف والابتكار بشكل مستمر، والوزن والاختيار بين الحلول التقنية المختلفة للعثور على مسار التطوير الأكثر ملاءمة تحقيق مستوى أعلى من الأمن والأداء واللامركزية.