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Roteiro de evolução do PoS do Ethereum: desafios técnicos da determinística de slot único e da democratização do stake
A evolução técnica do sistema de atestação do Ethereum
O cofundador do Ethereum, Vitalik Buterin, recentemente publicou uma série de artigos explorando a direção futura do protocolo Ethereum. Esses artigos cobrem seis partes principais do roteiro do Ethereum, incluindo The Merge, The Surge, The Scourge, The Verge, The Purge e The Splurge. Este artigo irá focar na primeira parte do roteiro - The Merge, discutindo quais designs técnicos do mecanismo de atestação (PoS) ainda podem ser melhorados e as possíveis maneiras de implementar essas melhorias.
"A fusão" é considerada o evento mais importante na história do Ethereum, marcando a transição do Proof of Work(PoW) para o Proof of Stake(PoS). Agora, o Ethereum, como um sistema PoS estável em funcionamento, já está há quase dois anos, apresentando um desempenho excelente em termos de estabilidade, desempenho e descentralização. No entanto, o mecanismo de atestação ainda tem algumas áreas-chave que precisam de melhorias adicionais.
O roteiro de desenvolvimento do Ethereum para 2023 irá focar em dois aspectos: primeiro, melhorar as características técnicas, como aumentar a estabilidade, o desempenho e a acessibilidade para pequenos validadores; segundo, realizar ajustes no modelo econômico para lidar com riscos de centralização. Vale ressaltar que Vitalik enfatizou que estas não são uma lista abrangente de melhorias para a atestação, mas sim ideias que estão sendo ativamente consideradas atualmente.
O principal objetivo da fusão
Implementação de determinismo de slot único (SSF): Atualmente, um bloco do Ethereum leva cerca de 15 minutos para ser finalmente confirmado. Ao aumentar a eficiência do mecanismo de consenso, este tempo pode ser significativamente reduzido, permitindo que os blocos sejam propostos e finalmente confirmados no mesmo slot.
Confirmar e completar transações na maior velocidade possível, mantendo a descentralização.
Aumentar a viabilidade da participação de validadores independentes.
Aumentar a robustez do sistema.
Aumentar a resistência e a capacidade de recuperação do Ethereum a ataques de 51%, incluindo a prevenção de reversões de finalização, bloqueios de finalização e censura.
Determinismo de Slot Único e Democratização do Staking
Atualmente, a confirmação final de um bloco Ethereum requer 2-3 epochs (cerca de 15 minutos), e para se tornar um validador, são necessários 32 ETH. Isso é o resultado de um equilíbrio entre três objetivos:
Estes três objetivos estão em contradição. Para alcançar a finalização econômica (ou seja, o atacante precisa incorrer em grandes custos para reverter um bloco já finalizado), cada vez que um bloco é finalizado, cada validador precisa assinar duas mensagens. Portanto, se houver muitos validadores, será necessário ou muito tempo para processar todas as assinaturas, ou nós com desempenho extremamente alto para processar simultaneamente um grande número de assinaturas.
Um dos principais objetivos do Ethereum é garantir que mesmo um ataque bem-sucedido terá um alto custo para o atacante, o que é o significado de "finalidade econômica". Em contraste, blockchains que não possuem "finalidade econômica" (como Algorand) determinam finalmente cada slot de tempo através da seleção aleatória de um comitê. Mas o problema com esse método é que, se o atacante controlar 51% dos validadores, o custo do ataque é extremamente baixo: apenas alguns nós no comitê serão detectados como participantes do ataque e punidos, o que significa que o atacante pode repetir o ataque à cadeia várias vezes.
Portanto, se o Ethereum quiser alcançar a finalidade econômica, um método simples baseado em comitês não é viável, sendo necessária a participação de todos os validadores.
Idealmente, o Ethereum espera melhorar a situação em duas áreas, mantendo a finalidade econômica.
Completar a confirmação final do bloco dentro de um intervalo de tempo (slot) (idealmente, manter ou até encurtar a duração atual do slot de 12 segundos), em vez de 15 minutos.
Reduzir o limite de staking de 32 ETH para 1 ETH, permitindo que mais usuários participem do staking.
O primeiro ponto pode garantir que todos os usuários de Ethereum possam beneficiar de um nível de segurança mais elevado. Atualmente, a maioria dos usuários não está disposta a esperar 15 minutos e não pode usufruir dessa proteção. Através do mecanismo de determinismo de slot único, os usuários podem quase ver a transação finalizada imediatamente após a confirmação da transação. Além disso, se os usuários e aplicativos não precisarem se preocupar com a possibilidade de retrocessos na cadeia, isso simplificará significativamente os protocolos e a infraestrutura ao redor.
O segundo ponto visa apoiar os validadores independentes. Várias pesquisas de opinião mostram que o limite mínimo de 32 ETH é o principal fator que impede a validação independente. Reduzir o limite para 1 ETH resolverá efetivamente este problema.
No entanto, o desafio atual é: a maior rapidez de determinação e a democratização dos objetivos de atestação entram em conflito com o objetivo de minimizar os gastos. Esta é também a razão pela qual o Ethereum não adotou a determinação de um único intervalo no início. No entanto, pesquisas recentes propuseram algumas soluções possíveis.
Proposta de Determinismo em Slot Único
Para alcançar a determinância em um único slot em uma situação com um grande número de validadores, sem causar custos operacionais excessivos para os nós, atualmente existem algumas soluções líderes:
Ataque de força bruta: implementar um protocolo de agregação de assinaturas mais eficiente, que pode utilizar a tecnologia ZK-SNARKs, tornando possível o processamento das assinaturas de milhões de validadores em um único slot. Horn é uma das propostas apresentadas para desenhar um melhor protocolo de agregação.
Comissão Orbit: Este é um novo mecanismo que permite que uma comissão de médio porte selecionada aleatoriamente seja responsável pela determinabilidade final da cadeia, mantendo ao mesmo tempo características de alto custo de ataque. O Orbit utiliza a heterogeneidade já existente na escala dos depósitos dos validadores, garantindo a máxima finalidade econômica enquanto ainda confere papéis equivalentes aos pequenos validadores.
Dupla estaca: este mecanismo tem duas categorias de estacadores, uma com requisitos de depósito mais altos e outra com requisitos mais baixos. Apenas a camada com requisitos de depósito elevados participa diretamente na prestação da finalização econômica. Para as responsabilidades e direitos dos depósitos de camada baixa, já existem várias propostas, incluindo:
Cada solução tem suas vantagens e desvantagens, e é necessário encontrar um equilíbrio entre a segurança do Ethereum e o nível de centralização do staking: soluções de força bruta, embora viáveis, exigem a agregação de um grande número de assinaturas em um tempo extremamente curto, o que representa um desafio técnico muito alto; o comitê Orbit precisa validar sua segurança e características, e formalizá-las e implementá-las; o mecanismo de staking em duas camadas enfrenta riscos de centralização, e o nível de risco depende em grande parte dos direitos específicos obtidos pela camada de baixo staking.
Eleição de Líder Único Secreto
Além da determinística de slot único, a eleição de um único líder secreto é também uma questão importante no sistema de atestação do Ethereum. Atualmente, é possível saber antecipadamente qual validador irá propor o próximo bloco, o que representa um risco de segurança: atacantes podem monitorar a rede, determinar o endereço IP do validador e iniciar um ataque DoS quando o validador estiver prestes a propor o bloco.
A melhor maneira de resolver este problema é esconder a informação do próximo gerador de blocos, pelo menos manter em segredo antes de o bloco ser realmente gerado.
O protocolo de eleição de líder secreto único resolve o problema criando um "ID de validador cego" para cada validador, e depois permitindo que vários proponentes tenham a oportunidade de reorganizar e re-embaralhar o pool de IDs cegos.
No entanto, implementar um protocolo de eleição de líder secreto único que seja suficientemente simples não é uma tarefa fácil. A simplicidade do protocolo Ethereum é crucial, e não se deseja aumentar ainda mais a sua complexidade. O SSLE simplificado usando assinaturas em anel usou apenas algumas centenas de linhas de código de especificação, mas introduziu novas suposições em criptografia complexa.
Como implementar uma resistência quântica suficientemente eficiente ao SSLE também é um desafio. No final, pode ser que a "complexidade marginal adicional" do SSLE só diminua a um nível suficientemente baixo quando introduzirmos, por outras razões, um mecanismo para executar provas de conhecimento zero genéricas no protocolo Ethereum L1.
Confirmação de transação mais rápida
Reduzir ainda mais o tempo de confirmação das transações do Ethereum (de 12 segundos para 4 segundos) melhorará significativamente a experiência do usuário em L1 e baseada em rollups, tornando os protocolos DeFi mais eficientes. Também promoverá a descentralização do L2, permitindo que mais aplicações L2 funcionem em rollups, reduzindo a necessidade de L2 construir sua própria ordenação descentralizada baseada em comitês.
Existem duas principais soluções técnicas:
No entanto, ainda não está claro a viabilidade de reduzir o tempo de slot. Mesmo atualmente, muitos stakers em várias regiões têm dificuldade em obter provas rapidamente o suficiente. A tentativa de um tempo de slot de 4 segundos pode trazer o risco de centralização dos validadores, e devido à latência da rede, tornar-se um validador fora de algumas regiões geograficamente privilegiadas pode ser impraticável.
O método de pré-confirmação dos proponentes pode melhorar significativamente o tempo de inclusão em média, mas não pode melhorar o pior cenário. Além disso, como incentivar a pré-confirmação ainda é uma questão a ser resolvida.
Ataque Quântico Resistente
Perante a possível ameaça da computação quântica no futuro, o Ethereum precisa desenvolver ativamente soluções alternativas resistentes a ataques quânticos. Cada parte do protocolo Ethereum que depende de curvas elípticas precisa ter uma solução alternativa baseada em hash ou outras tecnologias resistentes a quântica. Isso destaca a razoabilidade de manter o conservadorismo nas suposições de desempenho do design da atestação, e também é um impulso para desenvolver de forma mais ativa soluções alternativas resistentes a ataques quânticos.
Conclusão
O sistema de atestação do Ethereum enfrenta muitos desafios no caminho da evolução técnica. Devido ao alto limiar de staking independente, prestadores de serviços de staking, como a Lido, tornaram-se a escolha principal para o staking de nós do Ethereum, enquanto o esquema de staking em camadas também apresenta um certo grau de risco de centralização. Para enfrentar esses desafios, a determinação final em um único slot, a democratização do staking, a eleição de um único líder secreto, a aceleração da confirmação de transações e o desenvolvimento de alternativas resistentes a ataques quânticos são todos problemas cruciais que o Ethereum precisa resolver.
Vitalik fez uma reflexão abrangente sobre a atualização "The Merge", apresentando uma combinação de várias soluções técnicas e explorando o potencial de design da tecnologia de atestação PoS do Ethereum e os caminhos técnicos de atualização atualmente viáveis.
Durante o processo de atualização técnica, o Ethereum continua a explorar e inovar, pesando as escolhas entre diferentes soluções tecnológicas para encontrar o caminho de desenvolvimento mais adequado, alcançando maior segurança, desempenho e grau de descentralização.