Phân tích triển vọng nâng cấp công nghệ giao thức Ethereum (1): Hợp nhất

Viết bởi Ebunker

Kể từ tháng 10 năm nay, người đồng sáng lập Ethereum Vitalik Buterin đã tung ra một loạt bài viết về Một bài viết về các khả năng trong tương lai của giao thức Ethereum, bao gồm sáu phần của lộ trình phát triển Ethereum: The Merge, The Surge, The Scourge, The Verge, The Purge và The Splurge. Bài viết này sẽ diễn giải phần đầu tiên của lộ trình (Hợp nhất) và khám phá những cải tiến thiết kế kỹ thuật nào có thể được thực hiện trong PoS Proof of Stake cũng như các cách để đạt được những cải tiến này.

Vitalik tin rằng "sáp nhập" đề cập đến sự kiện quan trọng nhất trong lịch sử giao thức Ethereum kể từ khi ra mắt: quá trình chuyển đổi từ bằng chứng công việc PoW sang Bằng chứng cổ phần PoS. Ngày nay, Ethereum đã là một hệ thống PoS ổn định và hoạt động được gần hai năm và bằng chứng cổ phần này đã hoạt động rất tốt về tính ổn định, hiệu suất và tránh rủi ro tập trung. Tuy nhiên, vẫn còn một số lĩnh vực quan trọng mà bằng chứng về cổ phần cần được cải thiện.

Lộ trình năm 2023 của Ethereum chia thành nhiều phần: Cải thiện các tính năng kỹ thuật như tính ổn định, hiệu suất và khả năng truy cập cho các trình xác thực nhỏ hơn) và các thay đổi kinh tế để giải quyết các rủi ro tập trung. Theo Vitalik, bài viết này không phải là danh sách đầy đủ các cải tiến đối với Proof of Stake mà là nhiều ý tưởng đang được tích cực xem xét.

Mục tiêu chính của việc sáp nhập như sau:

1. Tính cuối cùng có rãnh đơn (SSF): Thông thường, các khối Ethereum mất khoảng 15 phút để hoàn tất. Tuy nhiên, thời gian cần thiết để hoàn thiện có thể giảm đáng kể bằng cách làm cho cơ chế đồng thuận của Ethereum hiệu quả hơn trong việc xác thực các khối. Các khối có thể được đề xuất và hoàn thiện trong cùng một khoảng thời gian mà không cần chờ 15 phút.

2. Xác nhận và hoàn tất giao dịch nhanh nhất có thể trong khi vẫn duy trì tính phân cấp

3. Cải thiện tính khả thi đặt cược của từng người cam kết

4. Cải thiện tính mạnh mẽ

5 .Cải thiện khả năng của Ethereum chống lại và phục hồi sau các cuộc tấn công 51% (bao gồm đảo ngược tài chính, chặn tài chính và kiểm duyệt)

Vị trí cuối cùng một khe và đặt cược Dân chủ

Hiện tại, phải mất 2–3 kỷ nguyên (~15 phút) để hoàn thành một khối và cần 32 ETH để trở thành người đặt cọc. Đây ban đầu là một sự thỏa hiệp nhằm đạt được sự cân bằng giữa ba mục tiêu:

• Tối đa hóa số lượng người xác nhận tham gia đặt cược (giảm thiểu số ETH cần thiết để đặt cược);

• Giảm thiểu thời gian cuối cùng

< li>

Giảm thiểu chi phí chạy các nút.

Ba mục tiêu này mâu thuẫn với nhau: để đạt được mục đích kinh tế cuối cùng (nghĩa là kẻ tấn công cần phải phá hủy một lượng lớn ETH để khôi phục khối cuối cùng), mỗi người xác thực cần ký hai tin nhắn mỗi khi nó được hoàn tất. Do đó, nếu số lượng người xác nhận lớn, sẽ mất nhiều thời gian để xử lý tất cả chữ ký hoặc sẽ yêu cầu các nút rất mạnh để xử lý tất cả chữ ký cùng một lúc.

Tất cả điều này đều xoay quanh một mục tiêu chính của Ethereum: đảm bảo rằng ngay cả các cuộc tấn công thành công cũng khiến kẻ tấn công phải trả giá cao. Đây chính là ý nghĩa của thuật ngữ “mục đích kinh tế”.

Cũng có những ví dụ phản biện. Blockchain không có "mục đích kinh tế" (chẳng hạn như Algorand) hoàn thiện từng khoảng thời gian bằng cách chọn ngẫu nhiên một ủy ban để giải quyết vấn đề này. . Nhưng vấn đề với cách tiếp cận này là nếu kẻ tấn công kiểm soát 51% số người xác thực thì chi phí của cuộc tấn công là cực kỳ thấp: chỉ một số nút trong ủy ban sẽ bị phát hiện là tham gia vào cuộc tấn công và bị trừng phạt. Điều này có nghĩa là kẻ tấn công có thể liên tục tấn công chuỗi nhiều lần.

Do đó, nếu Ethereum muốn đạt được mục đích kinh tế cuối cùng, cách tiếp cận đơn giản dựa trên ủy ban sẽ không hiệu quả mà sẽ cần có sự tham gia của một bộ xác thực đầy đủ.

Lý tưởng nhất là Ethereum hy vọng sẽ cải thiện hiện trạng ở hai khía cạnh trong khi vẫn giữ được mục tiêu kinh tế:

1. Kết thúc các khối trong một khoảng thời gian (lý tưởng nhất là duy trì hoặc thậm chí giảm thời lượng hiện tại là 12 giây) thay vì 15 phút

2. Cho phép người xác thực cam kết với 1 ETH (giảm từ 32 ETH xuống 1 ETH)

Điểm đầu tiên có thể đảm bảo rằng tất cả người dùng Ethereum đều có thể hưởng lợi từ mức độ bảo mật cao hơn đạt được thông qua các cơ chế cuối cùng. Ngày nay, hầu hết người dùng không được hưởng sự đảm bảo này vì họ không muốn đợi 15 phút; với tính năng cuối cùng của một khe, người dùng có thể thấy các giao dịch được hoàn tất gần như ngay lập tức sau khi chúng được xác nhận. Thứ hai, nó đơn giản hóa giao thức và cơ sở hạ tầng xung quanh nếu người dùng và ứng dụng không phải lo lắng về khả năng khôi phục chuỗi.

Điểm thứ hai là hỗ trợ từng cá nhân cam kết. Theo nhiều cuộc thăm dò, yếu tố chính ngăn cản việc đặt cược solo là mức tối thiểu 32 ETH. Giảm mức tối thiểu xuống 1 ETH sẽ giải quyết được vấn đề này.

Có một thách thức: cả hai mục tiêu về mục tiêu cuối cùng nhanh hơn và đặt cược dân chủ hơn đều xung đột với mục tiêu giảm thiểu chi phí. Trên thực tế, đây là lý do tại sao Ethereum không áp dụng tính chất cuối cùng một khe ngay từ đầu. Tuy nhiên, nghiên cứu gần đây cho thấy một số giải pháp khả thi cho vấn đề này.

Cách thức hoạt động:

Tính xác định một vị trí liên quan đến việc sử dụng quyết toán trong một vị trí Khối đồng thuận thuật toán. Bản thân đây không phải là một mục tiêu không thể đạt được và nhiều thuật toán (chẳng hạn như sự đồng thuận của Tendermint) đã đạt được điều này.

Một thuộc tính mong muốn duy nhất của Ethereum là (tức là rò rỉ không hoạt động): thuộc tính này cho phép chuỗi khối tiếp tục ngay cả khi hơn 1/3 số trình xác thực ngoại tuyến . chạy và cuối cùng tiếp tục.

Đề xuất về tính hữu hạn của một vị trí

Để biết cách làm cho tính chất cuối cùng của một vị trí hoạt động với số lượng trình xác thực rất cao mà không gây ra Có một số giải pháp hàng đầu cho vấn đề chi phí vận hành nút cực kỳ cao:

Tùy chọn thứ nhất là bẻ khóa mạnh mẽ để đạt được giao thức tổng hợp chữ ký tốt hơn, có thể ZK-SNARK sẽ được sử dụng, điều này sẽ làm cho nó có thể xử lý chữ ký của hàng triệu người xác nhận trong một khe duy nhất. Ví dụ, Horn là một trong những đề xuất được đưa ra để thiết kế các giao thức tổng hợp tốt hơn.

Lựa chọn thứ hai là ủy ban Orbit, đây là một cơ chế mới cho phép một ủy ban cỡ trung bình được lựa chọn ngẫu nhiên chịu trách nhiệm về tính cuối cùng của chuỗi, nhưng cần để giữ lại các đặc điểm chi phí tấn công. Orbit tận dụng tính không đồng nhất tồn tại từ trước về quy mô tiền gửi của trình xác nhận để đạt được mục đích kinh tế lớn nhất có thể trong khi vẫn trao cho các trình xác nhận nhỏ một vai trò phù hợp với họ.

Như được hiển thị trong hình bên dưới, giữa phạm vi x=0 (Ủy ban Algorand, không có quyết định cuối cùng về kinh tế) đến x=1 (tình hình hiện tại của Ethereum) —— — Orbit SSF  đã mở ra một nền tảng trung gian:

1. Cái giá phải trả cho việc làm điều ác vẫn rất cao để đảm bảo an ninh cực độ;

2. Nhưng đồng thời, chỉ có mẫu trình xác thực ngẫu nhiên cỡ trung bình tham gia vào từng khoảng thời gian, giảm gánh nặng cho các nút.

Phương án thứ ba là đặt cược hai lớp, một cơ chế có hai loại người cầm cố, một loại có yêu cầu đặt cọc cao hơn và loại còn lại có yêu cầu đặt cọc thấp hơn. Chỉ những cấp độ có yêu cầu tiền gửi cao hơn mới tham gia trực tiếp vào việc cung cấp mục đích kinh tế cuối cùng. Về quyền và trách nhiệm của tiền gửi cấp thấp, nhiều đề xuất khác nhau đã được đưa ra, bao gồm:

• Quyền ủy thác cổ phần cho người nắm giữ cổ phần cấp cao hơn;

• Chọn ngẫu nhiên người cầm cố cấp thấp để chứng minh và cuối cùng Xác định mỗi khối;

• Tạo quyền đưa vào danh sách, v.v.

Mỗi giải pháp đều có ưu và nhược điểm và Những điều cần cân nhắc: Mặc dù việc bẻ khóa bằng vũ lực có thể giải quyết được vấn đề nhưng nó yêu cầu tổng hợp một số lượng lớn chữ ký trong một khoảng thời gian ngắn, điều này cực kỳ khó khăn về mặt kỹ thuật; ủy ban Orbit cần xác minh tính bảo mật và các tính năng của nó, đồng thời chính thức hóa và triển khai nó. Nó phải đối mặt với nguy cơ tập trung hóa; và rủi ro phụ thuộc phần lớn vào các quyền cụ thể mà lớp tài sản thế chấp thấp có được.

Ngoài tính xác định theo một khe, việc bầu chọn người lãnh đạo bí mật cũng là một vấn đề quan trọng trong hệ thống bằng chứng cổ phần của Ethereum. Ngày nay, trình xác thực nào sẽ đề xuất khối tiếp theo có thể được biết trước, điều này tạo ra lỗ hổng bảo mật. Kẻ tấn công có thể giám sát mạng, xác định trình xác thực nào tương ứng với địa chỉ IP nào và tấn công trình xác thực khi chúng chuẩn bị đề xuất một khối. Khởi động một cuộc tấn công DoS .

Cách tốt nhất để giải quyết vấn đề này là ẩn thông tin về trình xác thực nào sẽ tạo khối tiếp theo, ít nhất là cho đến khi khối đó thực sự được tạo.

Bầu cử lãnh đạo bí mật duy nhất

Hiện tại, người xác thực nào sẽ đề xuất khối tiếp theo là Nó có thể biết trước rằng điều này tạo ra lỗ hổng bảo mật: kẻ tấn công có thể giám sát mạng, xác định trình xác thực nào tương ứng với địa chỉ IP nào và khởi động một cuộc tấn công DoS vào trình xác thực khi chúng chuẩn bị đề xuất chặn.

Giao thức bầu cử người lãnh đạo bí mật duy nhất tạo ID người xác thực "mù" cho mỗi người xác thực bằng cách sử dụng một số kỹ thuật mã hóa và sau đó tạo cơ hội cho nhiều người đề xuất ID một cách mù quáng pool được tổ chức lại và làm mù lại để giải quyết vấn đề này.

Tuy nhiên, việc thực hiện một nghi thức bầu cử lãnh đạo bí mật đủ đơn giản không phải là điều đơn giản.

Tính đơn giản của giao thức Ethereum là rất quan trọng và chúng tôi không muốn tăng thêm độ phức tạp của nó. SSLE đơn giản hóa sử dụng chữ ký vòng chỉ sử dụng vài trăm dòng mã đặc tả và đưa ra các giả định mới về mã hóa phức tạp.

Làm thế nào để triển khai SSLE kháng lượng tử đủ hiệu quả cũng là một vấn đề. Cuối cùng, có thể xảy ra trường hợp "độ phức tạp bổ sung cận biên" của SSLE chỉ giảm xuống mức đủ thấp nếu chúng tôi quyết tâm và đưa ra các cơ chế để thực hiện các bằng chứng không có kiến ​​thức phổ biến trong giao thức Ethereum ở cấp độ L1 vì những lý do khác.

Ngoài ra, việc xác nhận giao dịch nhanh hơn cũng là một trong những vấn đề mà hệ thống proof-of-stake Ethereum cần giải quyết.

Có giá trị trong việc giảm hơn nữa thời gian xác nhận giao dịch của Ethereum (từ 12 giây xuống 4 giây). Làm như vậy sẽ cải thiện đáng kể trải nghiệm người dùng dựa trên L1 và tổng hợp đồng thời làm cho các giao thức DeFi hiệu quả hơn. Nó cũng sẽ làm cho L2 trở nên phi tập trung hơn, vì nó sẽ cho phép một số lượng lớn các ứng dụng L2 hoạt động trên các bản tổng hợp, do đó giảm nhu cầu L2 xây dựng trật tự dựa trên ủy ban phi tập trung của riêng mình.

Có khoảng hai kỹ thuật: giảm thời gian của khung thời gian xuống còn 8 giây hoặc 4 giây; cho phép người đề xuất đưa ra xác nhận trước trong một khung thời gian duy nhất . Tuy nhiên, tính khả thi của việc rút ngắn thời gian đánh bạc hiện vẫn chưa rõ ràng.

Ngay cả ngày nay, những người đặt cược ở nhiều nơi trên thế giới vẫn phải vật lộn để có được bằng chứng đủ nhanh. Việc cố gắng sử dụng thời gian 4 giây có nguy cơ tập trung bộ trình xác thực và do độ trễ nên việc trở thành trình xác thực bên ngoài một số khu vực có lợi thế về mặt địa lý là không thực tế.

Điểm yếu của phương pháp xác nhận trước của người đề xuất là nó cải thiện đáng kể thời gian đưa vào trường hợp trung bình, nhưng không cải thiện trường hợp xấu nhất. Ngoài ra, có một câu hỏi mở về cách khuyến khích việc xác nhận trước.

Đối mặt với các mối đe dọa điện toán lượng tử có thể xảy ra trong tương lai, Ethereum cần tích cực phát triển các giải pháp thay thế có khả năng chống lại các cuộc tấn công lượng tử. Mọi phần của giao thức Ethereum hiện dựa trên các đường cong elip cần phải có một số giải pháp thay thế dựa trên hàm băm hoặc kháng lượng tử khác. Điều này biện minh cho chủ nghĩa bảo thủ trong các giả định về hiệu suất xung quanh thiết kế bằng chứng cổ phần và là lý do để tích cực phát triển các giải pháp thay thế có khả năng chống lại các cuộc tấn công lượng tử.

Tóm tắt

Hệ thống bằng chứng cổ phần của Ethereum đầy rẫy những thách thức trên đường phát triển tới sự phát triển công nghệ. Do ngưỡng cam kết riêng của Ethereum cao, các nhà cung cấp dịch vụ cam kết do Lido dẫn đầu đã trở thành lựa chọn đầu tiên cho các cam kết nút Ethereum. Giải pháp cam kết hai lớp cũng có một mức độ rủi ro tập trung nhất định. Để giải quyết những thách thức này, tính chất cuối cùng của một khe và dân chủ hóa đặt cược, bầu cử người lãnh đạo bí mật duy nhất, xác nhận giao dịch nhanh hơn và phát triển các giải pháp thay thế chống tấn công lượng tử đều là những vấn đề quan trọng mà Ethereum cần giải quyết.

Vitalik đã suy nghĩ toàn diện về bản nâng cấp "The Merge" và đề xuất nhiều kết hợp giải pháp kỹ thuật nhất có thể để cải thiện Thiết kế bằng chứng cổ phần Ethereum PoS. các lộ trình nâng cấp công nghệ tiềm năng cũng như khả thi hiện tại đều được thảo luận.

Trong quá trình nâng cấp công nghệ, Ethereum vẫn đang nỗ lực không ngừng khám phá và đổi mới, cân nhắc và lựa chọn giữa các giải pháp kỹ thuật khác nhau để tìm ra con đường phát triển phù hợp nhất đạt được tính bảo mật, hiệu suất và phân cấp cao hơn.