Đường tiến hóa công nghệ của hệ thống Bằng chứng Ethereum

Nhà đồng sáng lập Ethereum Vitalik Buterin gần đây đã phát hành một loạt bài viết, khám phá hướng phát triển tương lai của giao thức Ethereum. Những bài viết này bao gồm sáu phần chính của lộ trình Ethereum, bao gồm The Merge, The Surge, The Scourge, The Verge, The Purge và The Splurge. Bài viết này sẽ tập trung phân tích phần đầu tiên của lộ trình - The Merge, khám phá các thiết kế kỹ thuật nào của cơ chế Bằng chứng PoS ( có thể cải tiến thêm, cũng như các phương thức khả thi để thực hiện những cải tiến này.

"Hợp nhất" được coi là sự kiện cột mốc quan trọng nhất trong lịch sử Ethereum, đánh dấu sự chuyển đổi từ bằng chứng công việc )PoW( sang bằng chứng )PoS(. Hiện tại, Ethereum đã hoạt động ổn định như một hệ thống PoS gần hai năm, thể hiện sự xuất sắc trong tính ổn định, hiệu suất và tính phi tập trung. Tuy nhiên, cơ chế bằng chứng vẫn còn một số lĩnh vực quan trọng cần cải thiện thêm.

Lộ trình phát triển của Ethereum trong năm 2023 sẽ tập trung vào hai khía cạnh: một là cải thiện các đặc điểm kỹ thuật, chẳng hạn như nâng cao độ ổn định, hiệu suất và khả năng tiếp cận cho các xác thực viên quy mô nhỏ; hai là điều chỉnh mô hình kinh tế để đối phó với rủi ro tập trung. Đáng chú ý là, Vitalik nhấn mạnh rằng đây không phải là danh sách đầy đủ các cải tiến về Bằng chứng, mà là những ý tưởng hiện đang được xem xét tích cực.

![Phân tích triển vọng nâng cấp công nghệ giao thức Ethereum (1): The Merge])https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-d635c6ca07d6e13f51386350a8fcd0e8.webp(

Mục tiêu chính của việc hợp nhất

1. Thực hiện tính chắc chắn trong một khoảng thời gian xác định )SSF(: Hiện tại, các khối Ethereum cần khoảng 15 phút để được xác nhận cuối cùng. Bằng cách cải thiện hiệu quả của cơ chế đồng thuận, thời gian này có thể được rút ngắn đáng kể, cho phép các khối được đề xuất và xác nhận cuối cùng trong cùng một khoảng thời gian.

2. Xác nhận và hoàn thành giao dịch với tốc độ nhanh nhất có thể trong khi vẫn giữ được tính phi tập trung.

3. Tăng cường khả năng tham gia của các người ủy thác độc lập.

4. Tăng cường tính ổn định của hệ thống.

5. Nâng cao khả năng chống lại và phục hồi của Ethereum trước các cuộc tấn công 51%, bao gồm ngăn chặn sự đảo ngược tính cuối cùng, ngăn chặn tính cuối cùng và kiểm duyệt.

Định hình tính chắc chắn theo thời gian đơn và dân chủ hóa việc đặt cược

Hiện tại, việc xác nhận cuối cùng của khối Ethereum cần 2-3 epoch (khoảng 15 phút), và để trở thành người đặt cược cần 32 ETH. Đây là kết quả của sự cân nhắc giữa ba mục tiêu:

• Tối đa hóa số lượng người xác thực tham gia vào việc staking (giảm ngưỡng staking)
• Giảm thiểu thời gian cuối cùng
• Tối thiểu hóa chi phí vận hành của nút

Ba mục tiêu này tồn tại mâu thuẫn. Để đạt được tính cuối cùng của kinh tế (tức là kẻ tấn công cần phải chi một chi phí khổng lồ để phục hồi các khối đã được xác định), mỗi lần xác định cuối cùng cần có mỗi xác nhận viên ký hai thông điệp. Do đó, nếu số lượng xác nhận viên đông, hoặc cần thời gian dài để xử lý tất cả các chữ ký, hoặc cần các nút với hiệu suất cực mạnh để xử lý đồng thời một lượng lớn chữ ký.

Một trong những mục tiêu cốt lõi của Ethereum là đảm bảo rằng ngay cả khi có một cuộc tấn công thành công, nó cũng sẽ mang lại chi phí cao cho kẻ tấn công, đó là ý nghĩa của "tính cuối cùng kinh tế". Ngược lại, các blockchain không có "tính cuối cùng kinh tế" (như Algorand) xác định cuối cùng mỗi khoảng thời gian bằng cách chọn ngẫu nhiên một ủy ban. Nhưng vấn đề với phương pháp này là nếu kẻ tấn công kiểm soát 51% các xác thực viên, chi phí tấn công rất thấp: chỉ có một phần các nút trong ủy ban sẽ bị phát hiện là tham gia tấn công và bị trừng phạt, điều này có nghĩa là kẻ tấn công có thể lặp lại cuộc tấn công vào chuỗi này nhiều lần.

Do đó, để Ethereum đạt được tính cuối cùng về kinh tế, phương pháp đơn giản dựa trên ủy ban là không khả thi, mà cần sự tham gia của tất cả người xác thực.

Trong một tình huống lý tưởng, Ethereum hy vọng cải thiện tình hình ở hai khía cạnh trong khi vẫn giữ được tính cuối cùng của nền kinh tế:

1. Hoàn thành việc xác nhận khối trong một khoảng thời gian (slot) (lý tưởng là duy trì hoặc thậm chí rút ngắn độ dài khoảng thời gian 12 giây hiện tại), thay vì 15 phút.

2. Giảm ngưỡng đặt cọc từ 32 Ether xuống 1 Ether, cho phép nhiều người dùng tham gia đặt cọc.

Điều đầu tiên có thể đảm bảo rằng tất cả người dùng Ethereum đều có thể hưởng lợi từ sự bảo vệ an toàn cấp cao hơn. Hiện tại, hầu hết người dùng không muốn chờ đợi 15 phút và không thể tận hưởng sự bảo vệ này. Thông qua cơ chế xác định theo khoảng thời gian đơn, người dùng gần như có thể thấy giao dịch được xác nhận ngay lập tức sau khi giao dịch được xác nhận. Hơn nữa, nếu người dùng và ứng dụng không phải lo lắng về khả năng chuỗi bị quay lại, điều này sẽ đơn giản hóa đáng kể các giao thức và hạ tầng xung quanh.

Điểm thứ hai nhằm hỗ trợ các người đặt cược độc lập. Nhiều cuộc khảo sát ý kiến cho thấy giới hạn tối thiểu 32 ETH là yếu tố cản trở việc đặt cược độc lập. Việc giảm ngưỡng xuống còn 1 ETH sẽ giải quyết hiệu quả vấn đề này.

Tuy nhiên, thách thức hiện tại là: mục tiêu xác định nhanh hơn và mục tiêu phân cấp hóa việc đặt cược đều mâu thuẫn với mục tiêu tối thiểu hóa chi phí. Đây cũng là lý do khiến Ethereum không áp dụng tính xác định một lần ban đầu. Tuy nhiên, nghiên cứu gần đây đã đưa ra một số giải pháp khả thi.

![Phân tích triển vọng nâng cấp công nghệ giao thức Ethereum (1): The Merge])https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-93f3ed93a0381371efdfb72d23e8c693.webp(

Đề xuất xác định thời gian đơn

Để đạt được tính xác định trong một khoảng thời gian duy nhất trong trường hợp số lượng người xác thực rất lớn, đồng thời không làm tăng quá cao chi phí vận hành của các nút, hiện có một vài giải pháp tiên tiến.

1. Tấn công brute-force: Thực hiện một giao thức tổng hợp chữ ký hiệu quả hơn, có thể sử dụng công nghệ ZK-SNARKs, cho phép xử lý chữ ký của hàng triệu người xác thực trong một khe thời gian. Horn là một trong những đề xuất được đưa ra để thiết kế giao thức tổng hợp tốt hơn.

2. Ủy ban Orbit: Đây là một cơ chế mới cho phép một ủy ban trung bình được chọn ngẫu nhiên chịu trách nhiệm về tính chắc chắn cuối cùng của chuỗi, đồng thời vẫn giữ đặc tính chi phí tấn công cao. Orbit khai thác sự khác biệt vốn có trong quy mô tiền gửi của các xác thực viên, trong khi vẫn cung cấp vai trò tương ứng cho các xác thực viên nhỏ hơn để đạt được tính chắc chắn kinh tế tối đa.

3. Đặt cược hai lớp: Cơ chế này có hai loại người đặt cược, một loại yêu cầu tiền gửi cao hơn, loại còn lại yêu cầu thấp hơn. Chỉ có cấp độ yêu cầu tiền gửi cao mới trực tiếp tham gia cung cấp tính cuối cùng về kinh tế. Đối với quyền và nghĩa vụ của tiền gửi cấp thấp, đã có nhiều đề xuất khác nhau, bao gồm:

   • Quyền ủy thác quyền lợi cho những người nắm giữ quyền lợi cao cấp
   • Chọn ngẫu nhiên những người đặt cược ở cấp thấp để chứng minh và cuối cùng xác định mỗi khối.
   • Quyền lợi được đưa vào danh sách

Mỗi giải pháp đều có ưu và nhược điểm, cần cân nhắc giữa tính bảo mật của Ethereum và mức độ tập trung hóa của việc staking: Giải pháp bạo lực tuy khả thi nhưng cần tập hợp một lượng lớn chữ ký trong thời gian rất ngắn, độ khó kỹ thuật rất cao; Ủy ban Orbit cần xác minh tính an toàn và các đặc tính của nó, và thực hiện chính thức; Cơ chế staking hai lớp thì đối mặt với rủi ro tập trung, mức độ rủi ro phần lớn phụ thuộc vào quyền lợi cụ thể có được từ lớp staking thấp.

![Cải tiến công nghệ giao thức Ethereum (1): The Merge])https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-153ba8816e34fe273a854b70b061774c.webp(

Bầu cử lãnh đạo bí mật đơn nhất

Ngoài tính xác định trong khoảng thời gian đơn lẻ, việc bầu cử lãnh đạo bí mật đơn lẻ cũng là một vấn đề quan trọng trong hệ thống Bằng chứng của Ethereum. Hiện tại, có thể biết trước ai sẽ là người xác thực đề xuất khối tiếp theo, điều này tiềm ẩn nguy cơ an ninh: kẻ tấn công có thể theo dõi mạng, xác định địa chỉ IP của người xác thực, và phát động cuộc tấn công từ chối dịch vụ (DoS) ngay khi người xác thực sắp đề xuất khối.

Giải pháp tốt nhất để giải quyết vấn đề này là ẩn thông tin của người tạo khối tiếp theo, ít nhất là giữ bí mật trước khi khối được tạo ra.

Giao thức bầu cử lãnh đạo bí mật đơn nhất giải quyết vấn đề này bằng cách tạo một "ID xác thực mù" cho mỗi xác thực viên, sau đó cho phép nhiều người đề xuất có cơ hội tái cấu trúc và tái mù hóa hồ bơi ID mù.

Tuy nhiên, việc thực hiện một giao thức bầu cử lãnh đạo bí mật đơn giản đủ không phải là điều dễ dàng. Sự đơn giản của giao thức Ethereum là rất quan trọng và không mong muốn làm tăng thêm sự phức tạp của nó. Giao thức SSLE đơn giản sử dụng chữ ký vòng chỉ tốn vài trăm dòng mã quy định, nhưng đã đưa ra các giả thuyết mới trong mật mã phức tạp.

Cách thực hiện chống lại lượng tử SSLE đủ hiệu quả cũng là một thách thức. Cuối cùng, có thể chỉ khi chúng ta giới thiệu cơ chế thực thi chứng minh không kiến thức tổng quát trong giao thức Ethereum L1 vì những lý do khác, thì "độ phức tạp bổ sung biên" của SSLE mới giảm xuống mức đủ thấp.

Xác nhận giao dịch nhanh hơn

Việc rút ngắn thời gian xác nhận giao dịch của Ethereum (từ 12 giây xuống 4 giây) sẽ cải thiện đáng kể trải nghiệm người dùng trên L1 và các giải pháp dựa trên rollups, làm cho các giao thức DeFi trở nên hiệu quả hơn. Nó cũng sẽ thúc đẩy sự phi tập trung của L2, cho phép nhiều ứng dụng L2 hoạt động trên các rollups, giảm nhu cầu L2 xây dựng cơ sở phân loại phi tập trung dựa trên ủy ban.

Có hai giải pháp công nghệ chính:

1. Giảm thời gian slot xuống còn 8 giây hoặc 4 giây
2. Cho phép người đề xuất công bố xác nhận trước trong khoảng thời gian đơn.

Tuy nhiên, hiện tại vẫn chưa chắc chắn về khả thi của việc rút ngắn thời gian slot. Ngay cả trong hiện tại, nhiều khu vực khó có thể có đủ nhanh chóng để nhận được chứng minh từ những người staker. Nỗ lực với thời gian slot 4 giây có thể mang lại rủi ro tập trung hóa các validator, và do độ trễ mạng, việc trở thành validator ngoài một số vị trí địa lý thuận lợi có thể không thực tế.

Phương pháp xác nhận trước của người đề xuất có thể cải thiện đáng kể thời gian bao gồm trong trường hợp trung bình, nhưng không thể cải thiện trường hợp xấu nhất. Hơn nữa, cách để khuyến khích xác nhận trước vẫn là một vấn đề chưa được giải quyết.

![Ethereum giao thức công nghệ nâng cấp triển vọng phân tích (1): The Merge])https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-7bc9f3396191ee49aa1225eb188586df.webp(

Kháng tấn công lượng tử

Đối mặt với những mối đe dọa từ máy tính lượng tử trong tương lai, Ethereum cần tích cực phát triển các giải pháp thay thế chống lại các cuộc tấn công lượng tử. Hiện tại, mọi phần của giao thức Ethereum dựa vào đường cong ellip đều cần có các giải pháp thay thế dựa trên băm hoặc các công nghệ chống lượng tử khác. Điều này nhấn mạnh tính hợp lý của việc duy trì sự thận trọng trong các giả định về hiệu suất trong thiết kế Bằng chứng, và cũng là động lực để phát triển tích cực các giải pháp thay thế chống lại các cuộc tấn công lượng tử.

Kết luận

Hệ thống Bằng chứng của Ethereum đang đối mặt với nhiều thách thức trên con đường tiến bộ công nghệ. Do ngưỡng staking độc lập khá cao, các nhà cung cấp dịch vụ staking như Lido đã trở thành lựa chọn chính cho việc staking node Ethereum, trong khi giải pháp staking kép cũng có một mức độ rủi ro tập trung nhất định. Để đối phó với những thách thức này, tính xác định cuối cùng trong một khoảng thời gian, dân chủ hóa staking, bầu cử lãnh đạo bí mật đơn lẻ, tăng tốc độ xác nhận giao dịch 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 suy nghĩ toàn diện về việc nâng cấp "The Merge", đưa ra nhiều giải pháp kỹ thuật kết hợp, thảo luận về tiềm năng thiết kế của công nghệ Bằng chứng PoS của Ethereum và các lộ trình nâng cấp kỹ thuật khả thi hiện tại.

Trong quá trình nâng cấp kỹ thuật, Ethereum không ngừng khám phá và đổi mới, cân nhắc lựa chọn giữa các giải pháp công nghệ khác nhau để tìm ra con đường phát triển phù hợp nhất, đạt được độ an toàn, hiệu suất và mức độ phi tập trung cao hơn.

![Ethereum giao thức công nghệ nâng cấp triển vọng phân tích (1): The Merge])https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-8a62f08e888c99c5c5d45ad550de5927.webp(