Анализ перспектив технического обновления протокола Ethereum (1): The Merge

В этой статье будет рассмотрена первая часть дорожной карты (The Merge), а также обсуждены возможные улучшения технического дизайна PoS (доказательство доли владения) и пути реализации этих улучшений.

Автор: Ebunker

С октября этого года сооснователь Ethereum Виталик Бутерин опубликовал серию статей о возможных направлениях развития протокола Ethereum, охватывающих шесть частей дорожной карты: The Merge, The Surge, The Scourge, The Verge, The Purge и The Splurge. В этой статье будет рассмотрена первая часть дорожной карты (The Merge), а также обсуждены возможные улучшения технического дизайна PoS и пути реализации этих улучшений.

Виталик считает, что «слияние» — это самое важное событие в истории протокола Ethereum с момента его запуска: переход от PoW (доказательство работы) к PoS (доказательство доли владения). Сейчас Ethereum уже почти два года стабильно функционирует как система PoS, и этот механизм доказательства доли показал отличные результаты в плане стабильности, производительности и предотвращения рисков централизации. Тем не менее, в системе PoS остаются важные области, требующие улучшения.

Дорожная карта Ethereum на 2023 год делит её на несколько частей: улучшение технических характеристик (например, стабильности, производительности и доступности для небольших валидаторов), а также экономические изменения для противодействия рискам централизации. По словам Виталика, эта статья не является исчерпывающим списком улучшений для PoS, а скорее представляет собой идеи, которые активно рассматриваются.

Основные цели слияния:

1. Однослотовая финализация (SSF): обычно для финализации блока в Ethereum требуется около 15 минут. Однако, повысив эффективность проверки блоков в механизме консенсуса Ethereum, можно значительно сократить время финализации. Блоки могут быть предложены и финализированы в одном и том же слоте, без необходимости ждать 15 минут.

2. Максимально быстрая верификация и завершение транзакций при сохранении децентрализации

3. Повышение осуществимости стейкинга для индивидуальных стейкеров

4. Повышение устойчивости

5. Повышение способности Ethereum противостоять и восстанавливаться после 51% атак (включая откат финализации, блокировку финализации и цензуру)

Однослотовая финализация и демократизация стейкинга

В настоящее время для финализации блока требуется 2–3 эпохи (примерно 15 минут), а чтобы стать валидатором, необходимо иметь 32 ETH. Это изначально было компромиссом между тремя целями:

• Максимизация числа валидаторов, участвующих в стейкинге (минимизация необходимого количества ETH для стейкинга);
• Минимизация времени финализации;
• Минимизация издержек на запуск узлов.

Эти три цели противоречат друг другу: для достижения экономической финализации (то есть чтобы атакующему пришлось уничтожить большое количество ETH для отката финализированных блоков), каждый валидатор должен подписывать два сообщения при каждой финализации. Поэтому, если валидаторов очень много, либо потребуется много времени для обработки всех подписей, либо нужны очень мощные узлы для одновременной обработки всех подписей.

Всё это зависит от одной из ключевых целей Ethereum: обеспечить, чтобы даже успешная атака стоила атакующему очень дорого. Именно это и подразумевается под термином «экономическая финализация».

Есть и обратные примеры: блокчейны без «экономической финализации» (например, Algorand) решают эту проблему, случайным образом выбирая комитет для финализации каждого слота. Но проблема такого подхода в том, что если атакующий действительно контролирует 51% валидаторов, стоимость атаки крайне низка: только часть узлов в комитете будет обнаружена как участвующая в атаке и наказана. Это означает, что атакующий может многократно атаковать цепь.

Таким образом, если Ethereum хочет достичь экономической финализации, то простые методы на основе комитетов не подходят — требуется участие полного набора валидаторов.

В идеале Ethereum стремится улучшить текущую ситуацию в двух направлениях, сохраняя экономическую финализацию:

1. Финализация блока в одном слоте (желательно сохраняя или даже уменьшая текущую длину в 12 секунд), а не за 15 минут

2. Разрешить валидаторам стейкать с 1 ETH (снизив порог с 32 ETH до 1 ETH)

Первый пункт обеспечивает, что все пользователи Ethereum смогут воспользоваться более высоким уровнем безопасности, обеспечиваемым механизмом финализации. Сегодня большинство пользователей не могут воспользоваться этим, потому что не хотят ждать 15 минут; а с однослотовой финализацией пользователи практически сразу после подтверждения транзакции увидят её финализацию. Кроме того, если пользователям и приложениям не нужно беспокоиться о возможности отката цепи, это упрощает протокол и окружающую инфраструктуру.

Второй пункт направлен на поддержку индивидуальных стейкеров. Согласно многочисленным опросам, основным препятствием для индивидуального стейкинга является минимальный порог в 32 ETH. Снижение минимального порога до 1 ETH решит эту проблему.

В настоящее время существует одна проблема: цели более быстрой финализации и демократизации стейкинга противоречат цели минимизации издержек. На самом деле, именно поэтому Ethereum изначально не реализовал однослотовую финализацию. Однако последние исследования предложили некоторые возможные способы решения этой проблемы.

Принцип работы:

Однослотовая финализация включает использование алгоритма консенсуса, который финализирует блок в одном слоте. Это само по себе несложно реализовать — многие алгоритмы (например, Tendermint consensus) уже это делают.

Уникальное свойство Ethereum (так называемые inactivity leaks) заключается в том, что даже если более 1/3 валидаторов оффлайн, эта функция позволяет блокчейну продолжать работу и в конечном итоге восстановиться.

Предложения по однослотовой финализации

Существует несколько ведущих решений по тому, как реализовать однослотовую финализацию при очень большом количестве валидаторов без чрезмерных затрат для операторов узлов:

Первый вариант — «грубой силой», реализовать более эффективные протоколы агрегации подписей, возможно, с использованием ZK-SNARKs, что позволит обрабатывать подписи миллионов валидаторов в одном слоте. Например, Horn — одно из предложений, направленных на создание более эффективных протоколов агрегации.

Второй вариант — Orbit committee, новый механизм, позволяющий случайно выбранному комитету среднего размера отвечать за финализацию цепи, при этом сохраняя высокую стоимость атаки. Orbit использует уже существующую неоднородность в размерах депозитов валидаторов, чтобы достичь максимально возможной экономической финализации, при этом предоставляя небольшим валидаторам соответствующие роли.

Как показано на рисунке ниже, между x=0 (комитет Algorand, без экономической финализации) и x=1 (текущее состояние Ethereum) — Orbit SSF открывает промежуточную зону:

1. Стоимость злонамеренных действий всё ещё очень высока, что обеспечивает чрезвычайную безопасность;

2. Но при этом для каждого слота требуется участие только случайной выборки валидаторов среднего размера, что снижает нагрузку на узлы.

Третий вариант — двухуровневый стейкинг, механизм с двумя типами стейкеров: одни с более высокими требованиями к депозиту, другие — с более низкими. Только стейкеры с высоким депозитом будут непосредственно участвовать в обеспечении экономической финализации. Что касается прав и обязанностей стейкеров с низким депозитом, предложено несколько вариантов, включая:

• Право делегировать свою долю более крупным стейкерам;
• Случайный выбор стейкеров с низким депозитом для подтверждения и финализации каждого блока;
• Право на включение в список и т.д.

Для безопасности Ethereum и степени централизации стейкинга каждое из этих решений имеет свои плюсы, минусы и компромиссы: «грубая сила» может решить проблему, но требует агрегации огромного количества подписей за короткое время, что технически очень сложно; Orbit committee требует проверки его безопасности и свойств, а также формализации и внедрения; двухуровневый стейкинг сталкивается с риском централизации, который во многом зависит от конкретных прав, предоставляемых низкоуровневым стейкерам.

Помимо однослотовой финализации, ещё одной важной проблемой в системе доказательства доли Ethereum является выбор единственного секретного лидера. Сейчас заранее известно, какой валидатор предложит следующий блок, что создаёт уязвимость: злоумышленник может отслеживать сеть, определять, какие валидаторы соответствуют каким IP-адресам, и запускать DoS-атаки на валидаторов непосредственно перед тем, как они должны предложить блок.

Лучший способ решить эту проблему — скрыть информацию о том, какой валидатор сгенерирует следующий блок, по крайней мере до момента его фактической генерации.

Выбор единственного секретного лидера

В настоящее время заранее известно, какой валидатор предложит следующий блок, что создаёт уязвимость: злоумышленник может отслеживать сеть, определять, какие валидаторы соответствуют каким IP-адресам, и запускать DoS-атаки на валидаторов непосредственно перед тем, как они должны предложить блок.

Протокол выбора единственного секретного лидера решает эту проблему с помощью криптографических методов, создавая для каждого валидатора «слепой» идентификатор, а затем позволяя многим предложителям перемешивать и повторно «ослеплять» пул идентификаторов.

Однако реализовать достаточно простой протокол выбора единственного секретного лидера непросто.

Простота протокола Ethereum крайне важна, нежелательно ещё больше усложнять его. Упрощённый SSLE с использованием кольцевых подписей реализован всего в нескольких сотнях строк кода спецификации, но при этом вводит новые предположения в сложной криптографии.

Также остаётся вопрос, как реализовать достаточно эффективный квантово-устойчивый SSLE. В конечном итоге может сложиться ситуация, когда только если мы по другим причинам внедрим в протокол Ethereum L1 механизм универсальных доказательств с нулевым разглашением, «маржинальная дополнительная сложность» SSLE станет достаточно низкой.

Кроме того, ускорение подтверждения транзакций — ещё одна задача для системы доказательства доли Ethereum.

Дальнейшее сокращение времени подтверждения транзакций в Ethereum (с 12 секунд до 4 секунд) имеет ценность. Это значительно улучшит пользовательский опыт на L1 и на rollups, а также повысит эффективность DeFi-протоколов. Кроме того, это сделает L2 более децентрализованным, поскольку позволит большому количеству L2-приложений работать на rollups, уменьшая необходимость для L2 создавать собственные децентрализованные механизмы сортировки на основе комитетов.

В целом есть две технологии: сокращение времени слота до 8 или 4 секунд; разрешение предложителям публиковать предварительные подтверждения в течение одного слота. Однако пока неясно, насколько осуществимо сокращение времени слота.

Даже сегодня во многих регионах мира стейкерам сложно получать подтверждения достаточно быстро. Попытки реализовать 4-секундные слоты несут риск централизации валидаторов, а из-за задержек вне нескольких географически привилегированных регионов быть валидатором становится практически невозможно.

Слабое место метода предварительного подтверждения предложителя в том, что он может значительно улучшить среднее время включения, но не улучшает худший случай. Кроме того, остаётся нерешённым вопрос, как стимулировать предварительное подтверждение.

В условиях потенциальной угрозы квантовых вычислений Ethereum необходимо активно разрабатывать альтернативы, устойчивые к квантовым атакам. Каждый элемент протокола Ethereum, который сейчас зависит от эллиптических кривых, должен иметь альтернативу на основе хэширования или других квантово-устойчивых методов. Это доказывает, что консерватизм в предположениях о производительности при проектировании PoS оправдан, а также объясняет необходимость более активной разработки квантово-устойчивых альтернатив.

Резюме

Система доказательства доли Ethereum сталкивается с множеством вызовов на пути технической эволюции. Из-за высокого порога индивидуального стейкинга поставщики стейкинг-услуг во главе с Lido стали основным выбором для стейкинга узлов Ethereum, а двухуровневые схемы стейкинга несут определённый риск централизации. Чтобы справиться с этими вызовами, такие задачи, как однослотовая финализация и демократизация стейкинга, выбор единственного секретного лидера, ускорение подтверждения транзакций и разработка квантово-устойчивых альтернатив, являются важными вопросами для Ethereum.

Виталик всесторонне рассмотрел обновление «The Merge» и предложил как можно больше технических решений, обсудив потенциал дизайна технологии PoS Ethereum и возможные пути технических обновлений.

В процессе технических обновлений Ethereum продолжает активно исследовать и внедрять инновации, взвешивая и выбирая между различными техническими решениями, чтобы найти оптимальный путь развития и достичь более высокого уровня безопасности, производительности и децентрализации.