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·布特林近期发布了一系列关于以太坊协议未来发展的文章。这些文章涵盖了以太坊发展路线图的六个主要部分,包括合并、扩容、清理、验证、精简和完善。本文将重点解读路线图的第一部分——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。

维塔利克认为,"合并"是以太坊历史上最重要的事件之一,标志着从工作量证明向权益证明的过渡。目前,以太坊作为一个权益证明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。但权益证明机制仍有一些重要领域需要进一步改进。

2023年以太坊的路线图将改进分为两个方面:一是技术特性的改进,如提高稳定性、性能和小型验证者的可访问性;二是经济机制的变革,以应对中心化风险。维塔利克指出,这份路线图并非详尽无遗,而是当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:将区块最终确定时间从15分钟缩短到一个时隙内。

2. 在保持去中心化的同时,尽可能快速地确认和完成交易。

3. 提高独立质押者的可行性。

4. 提升系统稳健性。

5. 增强以太坊对51%攻击的抵抗能力和恢复能力。

单时隙确定性和质押民主化

目前,以太坊区块需要15分钟左右才能最终确定,且成为质押者需要32 ETH。这是为了在最大化质押参与度、最小化最终确定时间和最小化节点运行开销三个目标之间取得平衡。

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. 在一个时隙内(理想情况下12秒或更短)完成区块最终确定。

2. 将质押门槛从32 ETH降至1 ETH。

实现这两点将使更多用户受益于更高级别的安全保障,同时支持更多独立质押者参与。

然而,这两个目标与最小化开销的目标存在冲突。近期研究提出了一些可能的解决方案:

1. 改进签名聚合协议,如使用ZK-SNARKs技术。

2. Orbit委员会机制:由随机选取的中型委员会负责链的最终确定。

3. 双层质押机制:设置高低两个层级的质押者,各自承担不同职责。

每种方案都有其优缺点,需要在安全性、去中心化程度等方面进行权衡。

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,这存在安全隐患。解决方案是使用加密技术为每个验证者创建"盲"验证者ID,然后通过多次改组和重新盲化来隐藏提议者信息。

然而,实现一个既简单又有效的单一秘密领袖选举协议并非易事。如何在不过度增加协议复杂性的前提下实现这一目标,仍需进一步研究。

更快的交易确认

将交易确认时间从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。实现方法主要有两种:

1. 缩短时隙时间至8秒或4秒。

2. 允许提议者在单个时隙内发布预确认。

然而,缩短时隙时间可能导致验证者集中化。而预确认方法虽然能改善平均情况下的纳入时间,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。

抗量子攻击

面对未来可能出现的量子计算威胁,以太坊需要积极开发抗量子攻击替代方案。目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。这也是以太坊在权益证明设计中采取保守性能假设的原因之一。

结语

以太坊权益证明系统的技术演进面临诸多挑战。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。

维塔利克对"合并"升级进行了全面思考,提出了多种技术解决方案组合,探讨了权益证明技术的设计潜力和可行的技术升级路径。在技术升级过程中,以太坊将继续探索创新,在不同方案间权衡取舍,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。