El camino de la evolución técnica del sistema de atestación de Ethereum

El cofundador de Ethereum, Vitalik Buterin, recientemente publicó una serie de artículos que exploran la dirección futura del protocolo Ethereum. Estos artículos cubren seis partes principales de la hoja de ruta de Ethereum, incluyendo The Merge, The Surge, The Scourge, The Verge, The Purge y The Splurge. Este artículo se centrará en analizar la primera parte de la hoja de ruta: The Merge, explorando qué diseños técnicos del mecanismo de atestación PoS ( aún se pueden mejorar y las posibles vías para lograr estas mejoras.

"La fusión" se considera el evento más importante en la historia de Ethereum, marcando la transición de la prueba de trabajo )PoW( a la prueba de participación )PoS(. Ahora, Ethereum ha estado funcionando como un sistema PoS estable durante casi dos años, mostrando un rendimiento excepcional en estabilidad, rendimiento y descentralización. Sin embargo, el mecanismo de prueba de participación aún tiene algunas áreas clave que necesitan más mejoras.

El desarrollo de Ethereum en 2023 se centrará en dos aspectos: primero, mejorar las características técnicas, como la estabilidad, el rendimiento y la accesibilidad para los validadores de pequeña escala; y segundo, realizar ajustes en el modelo económico para abordar los riesgos de centralización. Cabe destacar que Vitalik enfatiza que estos no son una lista completa de mejoras para la atestación, sino ideas que se están considerando activamente en la actualidad.

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Objetivo principal de la fusión

1. Lograr la determinación en un solo intervalo de tiempo )SSF(: Actualmente, un bloque de Ethereum necesita aproximadamente 15 minutos para ser finalmente confirmado. Al mejorar la eficiencia del mecanismo de consenso, se puede reducir significativamente este tiempo, permitiendo que los bloques sean propuestos y confirmados en el mismo intervalo de tiempo.

2. Confirmar y completar transacciones a la mayor velocidad posible mientras se mantiene la descentralización.

3. Mejorar la viabilidad de participación de los validadores independientes.

4. Mejorar la robustez del sistema.

5. Mejorar la resistencia y capacidad de recuperación de Ethereum frente a ataques del 51%, incluyendo la prevención de reversión de finalización, bloqueo de finalización y censura.

Determinismo y democratización del staking en un solo slot

Actualmente, la confirmación final de un bloque de Ethereum requiere de 2 a 3 épocas (aproximadamente 15 minutos), y para convertirse en un validador se necesitan 32 ETH. Esto es el resultado de un equilibrio entre tres objetivos:

• Maximizar el número de validadores que participan en la atestación (bajar el umbral de participación)
• Minimizar el tiempo de finalización
• Minimizar los costos de operación de los nodos

Estos tres objetivos son contradictorios. Para lograr la finalización económica (es decir, que un atacante necesitaría incurrir en un gran costo para revertir un bloque confirmado), se requiere que cada validador firme dos mensajes en cada finalización. Por lo tanto, si hay muchos validadores, se necesita mucho tiempo para procesar todas las firmas, o se requieren nodos de alto rendimiento para procesar simultáneamente una gran cantidad de firmas.

Uno de los objetivos principales de Ethereum es asegurar que incluso un ataque exitoso imponga altos costos al atacante, lo que significa "finalidad económica". En contraste, las blockchains que no tienen "finalidad económica" (como Algorand) determinan finalmente cada intervalo de tiempo mediante la selección aleatoria de un comité. Pero el problema con este enfoque es que si un atacante controla el 51% de los validadores, el costo del ataque es extremadamente bajo: solo algunos nodos del comité serán detectados como participantes en el ataque y serán penalizados, lo que significa que el atacante puede repetir el ataque en la cadena varias veces.

Por lo tanto, para que Ethereum logre la finalización económica, un enfoque simple basado en comités no es viable, sino que requiere la participación de todos los validadores.

En un escenario ideal, Ethereum espera mejorar la situación en dos aspectos, manteniendo al mismo tiempo la finalización económica.

1. Completar la confirmación final del bloque en un intervalo de tiempo (slot) (idealmente, mantener o incluso reducir la duración actual de 12 segundos del intervalo de tiempo), en lugar de 15 minutos.

2. Reducir el umbral de staking de 32 ETH a 1 ETH, permitiendo que más usuarios participen en el staking.

El primer punto puede garantizar que todos los usuarios de Ethereum se beneficien de una mayor seguridad. Actualmente, la mayoría de los usuarios no están dispuestos a esperar 15 minutos y no pueden disfrutar de esta protección. A través de un mecanismo de certeza de tiempo único, los usuarios pueden ver casi de inmediato la confirmación final de la transacción después de que se haya confirmado. Además, si los usuarios y las aplicaciones no tienen que preocuparse por la posibilidad de un retroceso de la cadena, se simplificará enormemente el protocolo y la infraestructura circundante.

El segundo punto tiene como objetivo apoyar a los validadores independientes. Múltiples encuestas de opinión han demostrado que el límite mínimo de 32 ETH es el principal obstáculo para la validación independiente. Reducir el umbral a 1 ETH resolverá eficazmente este problema.

Sin embargo, el desafío actual es que: la determinación más rápida y los objetivos de estaca más democratizados entran en conflicto con el objetivo de minimizar los costos. Esta también es la razón por la que Ethereum no adoptó la determinación de un solo intervalo en su inicio. Sin embargo, investigaciones recientes han propuesto algunas posibles soluciones.

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Propuesta de determinación de un solo intervalo de tiempo

Para lograr la determinación de un solo slot en el caso de una gran cantidad de validadores, sin que esto conduzca a un alto costo operativo de los nodos, actualmente existen varias soluciones líderes:

1. Fuerza bruta: implementar un protocolo de agregación de firmas más eficiente, que podría utilizar tecnología ZK-SNARKs, lo que haría posible procesar las firmas de millones de validadores en un solo instante. Horn es una de las propuestas presentadas para diseñar mejores protocolos de agregación.

2. Comisión Orbit: Este es un nuevo mecanismo que permite a un comité de tamaño mediano seleccionado aleatoriamente ser responsable de la determinación final de la cadena, al tiempo que conserva características de alto costo de ataque. Orbit utiliza la heterogeneidad preexistente en la escala de depósitos de los validadores, logrando la máxima finalización económica mientras otorga a los validadores pequeños un papel equivalente.

3. Doble staking: Este mecanismo establece dos tipos de stakers, uno con requisitos de depósito más altos y otro con requisitos más bajos. Solo el nivel con requisitos de depósito altos participa directamente en la provisión de la finalización económica. Para las responsabilidades y derechos de los depósitos de nivel bajo, ya existen varias propuestas, incluyendo:

   • El derecho a delegar derechos a los titulares de derechos avanzados
   • Seleccionar aleatoriamente a los validadores de niveles bajos para probar y finalmente confirmar cada bloque
   • Generar derechos incluidos en la lista

Cada solución tiene sus ventajas y desventajas, y se debe encontrar un equilibrio entre la seguridad de Ethereum y el grado de centralización de la atestación: la solución de ataque por fuerza bruta, aunque viable, requiere agregar una gran cantidad de firmas en un tiempo muy corto, lo que presenta una dificultad técnica extremadamente alta; el comité de Orbit necesita verificar su seguridad y características, así como formalizar e implementar; el mecanismo de doble atestación enfrenta riesgos de centralización, y el grado de riesgo depende en gran medida de los derechos específicos obtenidos en la capa de baja atestación.

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Elección de un solo líder secreto

Aparte de la determinación de un solo intervalo temporal, la elección de un único líder secreto es también un problema importante en el sistema de atestación de Ethereum. Actualmente, se puede saber con anticipación qué validador propondrá el siguiente bloque, lo que presenta un riesgo de seguridad: un atacante puede monitorear la red, determinar la dirección IP correspondiente del validador y lanzar un ataque DoS justo cuando el validador está a punto de proponer el bloque.

La mejor manera de resolver este problema es ocultar la información del siguiente generador de bloques, al menos mantenerla en secreto antes de que el bloque se genere realmente.

El protocolo de elección de un único líder secreto aborda este problema creando un "ID de validador en blanco" para cada validador y luego permitiendo que múltiples proponentes tengan la oportunidad de reorganizar y volver a enmascarar el pool de IDs en blanco.

Sin embargo, lograr un protocolo de elección de un solo líder secreto lo suficientemente simple no es una tarea fácil. La simplicidad del protocolo de Ethereum es crucial y no se desea aumentar su complejidad. El SSLE simplificado que utiliza firmas en anillo solo requirió cientos de líneas de código normativo, pero introdujo nuevas suposiciones en la criptografía compleja.

Cómo lograr una resistencia cuántica suficiente en el SSLE también es un desafío. Es posible que solo cuando introduzcamos un mecanismo para ejecutar pruebas de conocimiento cero generales en el protocolo Ethereum L1 por otras razones, la "complejidad adicional marginal" del SSLE se reduzca a un nivel lo suficientemente bajo.

Confirmación de transacciones más rápida

Reducir aún más el tiempo de confirmación de transacciones de Ethereum (de 12 segundos a 4 segundos) mejorará significativamente la experiencia del usuario en L1 y en las soluciones basadas en rollups, haciendo que los protocolos DeFi sean más eficientes. También fomentará la descentralización de L2, permitiendo que más aplicaciones L2 funcionen sobre rollups, reduciendo la necesidad de que L2 construya su propio ordenamiento descentralizado basado en comités.

Hay dos soluciones tecnológicas principales:

1. Reducir el tiempo de ranura (slot) a 8 segundos o 4 segundos.
2. Permitir a los proponentes publicar confirmaciones previas durante un solo intervalo de tiempo.

Sin embargo, actualmente no está claro la viabilidad de acortar el tiempo de slot. Incluso en la actualidad, muchos apostadores en varias regiones tienen dificultades para obtener pruebas lo suficientemente rápido. Un intento de tiempo de slot de 4 segundos podría conllevar el riesgo de concentración de validadores, y debido a la latencia de la red, convertirse en validador fuera de unas pocas ubicaciones geográficas privilegiadas podría no ser práctico.

El método de pre-confirmación del proponente puede mejorar significativamente el tiempo de inclusión en promedio, pero no puede mejorar el peor de los casos. Además, cómo incentivar la pre-confirmación sigue siendo un problema por resolver.

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Ataque cuántico

Frente a la posible amenaza de la computación cuántica, Ethereum necesita desarrollar activamente soluciones alternativas resistentes a ataques cuánticos. Actualmente, cada parte del protocolo de Ethereum que depende de curvas elípticas necesita tener soluciones alternativas basadas en hash u otras tecnologías resistentes a lo cuántico. Esto destaca la razonabilidad de mantener un conservadurismo en las suposiciones de rendimiento del diseño de atestación, y es un impulso para desarrollar más activamente soluciones alternativas resistentes a ataques cuánticos.

Conclusión

El sistema de atestación de Ethereum enfrenta numerosos desafíos en su camino de evolución técnica. Debido a que el umbral de participación independiente es bastante alto, los proveedores de servicios de participación representados por Lido se han convertido en la principal opción para la participación de nodos de Ethereum, mientras que el esquema de doble participación también conlleva un cierto grado de riesgo de centralización. Para hacer frente a estos desafíos, la determinación final en un solo intervalo de tiempo y la democratización de la participación, la elección de un único líder secreto, la aceleración de la confirmación de transacciones y el desarrollo de alternativas resistentes a ataques cuánticos son problemas clave que Ethereum necesita resolver.

Vitalik ha reflexionado ampliamente sobre la actualización "The Merge", proponiendo una combinación de múltiples soluciones técnicas y explorando el potencial de diseño de la tecnología de atestación PoS de Ethereum y las rutas de actualización técnica actualmente viables.

Durante el proceso de actualización técnica, Ethereum explora e innova continuamente, sopesando las diferentes soluciones tecnológicas para encontrar la ruta de desarrollo más adecuada, logrando una mayor seguridad, rendimiento y grado de descentralización.

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