Kể từ tháng 10 năm nay, người đồng sáng lập Ethereum Vitalik Buterin đã xuất bản một loạt bài viết về khả năng tương lai của giao thức Ethereum, bao gồm sáu phần trong lộ trình phát triển Ethereum: The Merge, The Surge, The Scourge, The Verge, The Purge và Sự phô trương. 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 của 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 nó thành nhiều phần: cải tiến các tính năng kỹ thuật như tính ổn định, hiệu suất và khả năng tiếp cận các trình xác nhận nhỏ hơn cũng như 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 xem xét tích cực.
Mục tiêu chính của việc sáp nhập như sau:
1. Tính cuối cùng của một khe (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 đợi 15 phút.
2. Xác nhận và hoàn tất giao dịch nhanh nhất có thể mà vẫn duy trì tính phân cấp
3. Cải thiện tính khả thi của việc đặt cọc của từng cá nhân cầm cố
4. Cải thiện độ bền
5. Cải thiện khả năng chống lại và phục hồi của Ethereum sau các cuộc tấn công 51% (bao gồm đảo ngược tài khoản, chặn và xem xét tài chính)
Tính cuối cùng của một khe và dân chủ hóa đặt cược
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. Điều này bắt đầu như 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 (tối thiểu hóa ETH cần thiết để đặt cược);
- Giảm thiểu thời gian hoàn thiện;
-Giảm thiểu chi phí hoạt động của nút.
Ba mục tiêu này xung đột với nhau: để đạt được mục đích kinh tế cuối cùng (tức là kẻ tấn công cần phải phá hủy một lượng lớn ETH để khôi phục khối cuối cùng), mỗi người xác thực sẽ cần ký hai tin nhắn cho mỗi lần hoàn thiện. 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 đều xoay quanh một mục tiêu chính của Ethereum: đảm bảo rằng ngay cả một cuộc tấn công thành công cũng phải trả giá đắt cho kẻ tấn công. Đây chính là ý nghĩa của thuật ngữ “mục đích kinh tế”.
Ngoài ra còn có các ví dụ phản biện, các blockchain không có “mục đích kinh tế” (chẳng hạn như Algorand) giải quyết vấn đề này bằng cách chọn ngẫu nhiên một ủy ban để chốt từng khoảng thời gian. 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 tiêu 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 nhận đầy đủ.
Lý tưởng nhất là Ethereum muốn cải thiện hiện trạng theo hai cách trong khi vẫn giữ được tính hữu hiệu về kinh tế:
1. Kết thúc các khối trong một ô (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 đặt cược 1 ETH (giảm từ 32 ETH xuống 1 ETH)
Điều đầu tiên đảm bảo rằng tất cả người dùng Ethereum đều được hưởng lợi từ mức độ bảo mật cao hơn đạt được thông qua cơ chế tài chính. 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 các cá nhân đóng góp. 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: các mục tiêu về tính hữu hạn 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.
Nó hoạt động như thế nào:
Tính hữu hạn của một vị trí liên quan đến việc sử dụng thuật toán đồng thuận để hoàn thiện các khối trong một vị trí. 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 hoạt động và cuối cùng phục hồi ngay cả khi hơn 1/3 số trình xác thực ngoại tuyến.
Đề xuất xác định một vị trí
Có một số giải pháp hàng đầu cho vấn đề làm thế nào để làm cho tính hữu hạn của một vị trí hoạt động với số lượng trình xác thực rất cao mà không phải chịu chi phí vận hành nút cực cao:
Tùy chọn thứ nhất là sử dụng vũ lực và triển khai giao thức tổng hợp chữ ký tốt hơn, có thể sử dụng ZK-SNARK, điều này giúp có thể xử lý chữ ký của hàng triệu trình xác thực 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 quỹ đạo, đây là một cơ chế mới cho phép một ủy ban cỡ trung bình được lựa chọn ngẫu nhiên chịu trách nhiệm về tính hữu hạn của chuỗi, nhưng cần 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 từ x= 0 (Ủy ban Algorand, không có quyết định kinh tế cuối cùng) đến x= 1 (tình hình hiện tại của Ethereum) - Orbit SSF tạo ra một nền tảng trung gian:
1. Cái giá phải trả cho việc làm ác vẫn rất cao để đảm bảo an toàn tuyệt đối;
2. Nhưng đồng thời, chỉ có một mẫu trình xác thực ngẫu nhiên cỡ trung bình tham gia vào từng khoảng thời gian, giúp giảm gánh nặng cho các nút.
Tùy chọn thứ ba là đặt cược hai cấp, 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 mức thấp, nhiều đề xuất khác nhau đã được đưa ra, bao gồm:
-Quyền ủy thác, cầm cố vốn sở hữu cho người sở hữu vốn cổ phần cấp cao hơn;
- Các staker cấp thấp được chọn ngẫu nhiên để xác nhận và hoàn thiện từng khối;
-Quyền tạo danh sách bao gồm, v.v.
Đối với trải nghiệm bảo mật và tập trung đặt cược của Ethereum, mỗi giải pháp đều có những ưu điểm, nhược điểm và sự đánh đổi: Mặc dù việc bẻ khóa bằng vũ lực có thể giải quyết được vấn đề nhưng nó đòi hỏi phải tổng hợp một số lượng lớn chữ ký trong một khoảng thời gian ngắn. ủy ban Quỹ đạo cần xác minh tính bảo mật và các tính năng của nó, đồng thời chính thức hóa và triển khai nó; cơ chế cam kết hai lớp phải đối mặt với rủi ro tập trung, phần lớn phụ thuộc vào các quyền cụ thể mà lớp cam kết thấp có được.
Ngoài tính cuối cùng của một vị trí, việc bầu chọn người lãnh đạo một 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.
cuộc bầu cử lãnh đạo bí mật duy nhất
Hiện tại, 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 xác minh tính hợp lệ của trình xác thực khi sắp đề xuất một khối. Khởi động một cuộc tấn công DoS.
Giao thức bầu cử người lãnh đạo bí mật duy nhất giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng một số kỹ thuật mã hóa để tạo ID người xác thực mù cho mỗi người xác thực, sau đó tạo cơ hội cho nhiều người đề xuất xáo trộn và làm mù lại nhóm ID mù.
Tuy nhiên, việc thực hiện một quy trình bầu cử lãnh đạo bí mật đủ đơn giản không phải là điều đơn giản.
Sự đơn giản của giao thức Ethereum là hết sức quan trọng và không nên tăng thêm độ phức tạp cho 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 đạt được SSLE kháng lượng tử đủ hiệu quả cũng là một câu hỏi. Cuối cùng có thể xảy ra trường hợp độ phức tạp bổ sung cận biên của SSLE chỉ giảm xuống 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.
Gần như có hai kỹ thuật: giảm thời gian của khung thời gian xuống còn 8 giây hoặc 4 giây và 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.
Thậm chí ngày nay, những người đặt cược ở nhiều nơi trên thế giới vẫn phải vật lộn để có được bằng chứng đủ nhanh. Các nỗ lực ở thời điểm 4 giây có nguy cơ tập trung hóa bộ trình xác thực và do độ trễ, 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 có thể cải thiện đáng kể thời gian đưa vào trường hợp trung bình, nhưng không cải thiện được 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 các 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.
bản tóm tắt
Hệ thống bằng chứng cổ phần Ethereum chứa đầy những thách thức trên con đường 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 đưa ra suy nghĩ toàn diện về việc nâng cấp The Merge và đề xuất nhiều kết hợp giải pháp kỹ thuật nhất có thể. Ông cũng thảo luận về tiềm năng thiết kế của công nghệ bằng chứng cổ phần PoS của Ethereum và các lộ trình nâng cấp công nghệ khả thi hiện tại.
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 và đạt được tính bảo mật, hiệu suất và tính phân cấp cao hơn.
