以太坊权益证明系统的技术进化之路

以太坊联合创始人Vitalik Buterin最近发布了一系列文章，探讨以太坊协议的未来发展方向。这些文章涵盖了以太坊路线图的六个主要部分，包括The Merge、The Surge、The Scourge、The Verge、The Purge和The Splurge。本文将重点解析路线图的第一部分——The Merge，探讨权益证明(PoS)机制还有哪些可以改进的技术设计，以及实现这些改进的可能途径。

"合并"被认为是以太坊历史上最重要的里程碑事件，标志着从工作量证明(PoW)到权益证明(PoS)的转变。现在，以太坊作为一个稳定运行的PoS系统已近两年，在稳定性、性能和去中心化方面表现出色。然而，权益证明机制仍有一些关键领域需要进一步改进。

以太坊2023年的发展路线将重点放在两个方面：一是改进技术特性，如提高稳定性、性能和小规模验证者的可访问性；二是进行经济模型调整以应对中心化风险。值得注意的是，Vitalik强调这些并非对权益证明改进的全面清单，而是当前正在积极考虑的想法。

合并的主要目标

1. 实现单时隙确定性(SSF)：目前以太坊区块需要约15分钟才能最终确定。通过提高共识机制的效率，可以大幅缩短这一时间，使区块能在同一时隙内提议并最终确定。

2. 在保持去中心化的同时，以最快速度确认和完成交易。

3. 提高独立质押者的参与可行性。

4. 增强系统稳健性。

5. 提升以太坊对51%攻击的抵抗和恢复能力，包括防止最终性逆转、最终性阻止和审查。

单时隙确定性和质押民主化

目前，以太坊区块的最终确定需要2-3个epoch（约15分钟），且成为质押者需要32 ETH。这是在三个目标之间权衡的结果：

• 最大化参与质押的验证者数量（降低质押门槛）
• 最小化最终性时间
• 最小化运行节点的开销

这三个目标存在矛盾。为实现经济最终性（即攻击者需要付出巨大代价才能恢复已确定的区块），每次最终确定时都需要每个验证者签署两条消息。因此，如果验证者数量众多，要么需要很长时间处理所有签名，要么需要超强性能的节点同时处理大量签名。

以太坊的核心目标之一是确保即使成功的攻击也会给攻击者带来高昂成本，这就是"经济最终性"的含义。与之相反，不具备"经济最终性"的区块链（如Algorand）通过随机选择委员会来最终确定每个时隙。但这种方法的问题在于，如果攻击者控制了51%的验证者，攻击成本极低：只有委员会中部分节点会被检测为参与攻击并受到惩罚，这意味着攻击者可以多次重复攻击该链。

因此，以太坊若要实现经济最终性，简单的基于委员会的方法是不可行的，而是需要全体验证者的参与。

理想情况下，以太坊希望在保留经济最终性的同时，在两个方面改善现状：

1. 在一个时隙（slot）内完成区块最终确定（理想情况下，保持甚至缩短当前12秒的时隙长度），而不是15分钟。

2. 将质押门槛从32 ETH降低到1 ETH，允许更多用户参与质押。

第一点可以确保所有以太坊用户都能从更高级别的安全保障中受益。目前，大多数用户不愿等待15分钟，无法享受这种保障。通过单时隙确定性机制，用户几乎可以在交易确认后立即看到交易最终确定。此外，如果用户和应用程序不必担心链回滚的可能性，将大大简化协议和周边基础设施。

第二点旨在支持独立质押者。多次民意调查显示，32 ETH的最低限额是阻碍独立质押的主要因素。将门槛降至1 ETH将有效解决这一问题。

然而，目前面临的挑战是：更快的确定性和更民主化的质押目标都与最小化开销的目标相冲突。这也是以太坊最初没有采用单时隙确定性的原因。不过，最近的研究提出了一些可能的解决方案。

单时隙确定性提案

为了在验证者数量庞大的情况下实现单时隙确定性，同时不会导致节点运营成本过高，目前有几种领先的解决方案：

1. 暴力破解：实现更高效的签名聚合协议，可能会使用ZK-SNARKs技术，使处理单个时隙中数百万验证者的签名成为可能。Horn是为设计更好的聚合协议而提出的提案之一。

2. Orbit委员会：这是一种新机制，允许随机选取的中型委员会负责链的最终确定性，同时保留高攻击成本特性。Orbit利用验证者存款规模中预先存在的异质性，在获得最大经济最终性的同时，仍给予小型验证者匹配的角色。

3. 双层质押：这种机制设有两类质押者，一类存款要求较高，另一类较低。只有高存款要求的层级直接参与提供经济最终性。对于低层级存款的权责，已有各种提案，包括：

   • 将权益委托给高级权益持有者的权利
   • 随机抽取低层级质押者来证明并最终确定每个区块
   • 生成纳入列表的权利等

每种解决方案都有其优缺点，需要在以太坊的安全性和质押中心化程度之间权衡：暴力破解方案虽然可行，但需要在极短时间内聚合大量签名，技术难度极高；Orbit委员会需要验证其安全性和特性，并进行正式化和实施；双层质押机制则面临中心化风险，风险程度很大程度上取决于低质押层获得的具体权利。

单一秘密领袖选举

除单时隙确定性外，单一秘密领袖选举也是以太坊权益证明系统中的一个重要问题。目前，可以提前知道哪个验证者将提出下一个区块，这存在安全隐患：攻击者可以监视网络，确定验证者对应的IP地址，并在验证者即将提出区块时发起DoS攻击。

解决这个问题的最佳方法是隐藏下一个区块生成者的信息，至少在区块实际生成之前保密。

单一秘密领袖选举协议通过为每个验证者创建一个"盲"验证者ID，然后让多个提议者有机会对盲ID池进行重组和重新盲化来解决这个问题。

然而，实现一个足够简单的单一秘密领袖选举协议并非易事。以太坊协议的简洁性至关重要，不希望进一步增加其复杂性。使用环签名的简化SSLE仅用了数百行规范代码，但在复杂的加密中引入了新的假设。

如何实现足够有效的抗量子SSLE也是一个挑战。最终可能只有当我们出于其他原因在L1以太坊协议中引入执行通用零知识证明的机制时，SSLE的"边际额外复杂性"才会降到足够低的水平。

更快的交易确认

进一步缩短以太坊的交易确认时间（从12秒缩短到4秒）将显著改善L1和基于rollups的用户体验，使DeFi协议更加高效。它还将促进L2的去中心化，允许更多L2应用在rollups上运行，减少L2构建自己基于委员会的去中心化排序的需求。

有两种主要技术方案：

1. 减少时隙（slot）时间，降至8秒或4秒
2. 允许提议者在单时隙期间发布预确认

然而，目前还不确定缩短时隙时间的可行性。即使在当前，许多地区的质押者也难以足够快速地获得证明。4秒slot时间的尝试可能带来验证者集中化的风险，而且由于网络延迟，在少数地理位置优越的地区之外成为验证者可能不切实际。

提议者预确认方法虽然可以大幅改善平均情况下的纳入时间，但无法改善最坏情况。此外，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以太坊协议部分都需要有基于哈希或其他抗量子技术的替代方案。这凸显了在权益证明设计的性能假设中保持保守主义的合理性，也是更积极开发抗量子攻击替代方案的动因。

结语

以太坊权益证明系统在技术演进道路上面临诸多挑战。由于独立质押门槛较高，以Lido为代表的质押服务提供商已成为以太坊节点质押的主要选择，而双层质押方案也存在一定程度的中心化风险。为应对这些挑战，单时隙最终确定性及质押民主化、单一秘密领袖选举、加快交易确认以及开发抗量子攻击替代方案，都是以太坊需要解决的关键问题。

Vitalik对"The Merge"升级进行了全面思考，提出了多种技术解决方案组合，探讨了以太坊PoS权益证明技术的设计潜力和当前可行的技术升级路径。

在技术升级过程中，以太坊不断探索和创新，在不同技术方案间权衡选择，以找到最适合的发展路径，实现更高的安全性、性能和去中心化程度。