Phân tích triển vọng nâng cấp kỹ thuật giao thức Ethereum (1): The Merge

Bài viết này sẽ giải thích phần đầu tiên của lộ trình (The Merge), thảo luận về những cải tiến kỹ thuật nào còn có thể thực hiện đối với PoS (bằng chứng cổ phần) và các cách để đạt được những cải tiến này.

Tác giả: Ebunker

Kể từ tháng 10 năm nay, đồng sáng lập Ethereum Vitalik Buterin đã xuất bản một loạt bài viết về các 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 The Splurge. Bài viết này sẽ giải thích phần đầu tiên của lộ trình (The Merge), thảo luận về những cải tiến kỹ thuật nào còn có thể thực hiện đối với PoS và các cách để đạt được những cải tiến này.

Theo Vitalik, "The Merge" đề cập đến sự kiện quan trọng nhất trong lịch sử của giao thức Ethereum kể từ khi ra mắt: chuyển đổi từ PoW (bằng chứng công việc) sang PoS (bằng chứng cổ phần). Hiện nay, Ethereum đã trở thành một hệ thống PoS vận hành ổn định gần hai năm, loại bằng chứng cổ phần này thể hiện rất tốt về sự ổn định, hiệu suất và tránh rủi ro tập trung hóa. Tuy nhiên, bằng chứng cổ phần vẫn còn một số lĩnh vực quan trọng cần được cải thiện.

Lộ trình Ethereum năm 2023 chia thành nhiều phần: cải thiện các tính năng kỹ thuật (ví dụ như sự ổn định, hiệu suất và khả năng tiếp cận cho các nhà xác thực nhỏ hơn), cũng như các thay đổi kinh tế để đối phó với rủi ro tập trung hóa. Theo Vitalik, bài viết này không phải là danh sách đầy đủ các cải tiến cho bằng chứng cổ phần, mà là những ý tưởng đang được cân nhắc tích cực.

Các mục tiêu chính của The Merge như sau:

1. Định tính một khe thời gian (SSF): Thông thường, một block Ethereum mất khoảng 15 phút để được xác nhận cuối cùng. Tuy nhiên, có thể giảm đáng kể thời gian xác nhận cuối cùng bằng cách nâng cao hiệu quả xác thực block của cơ chế đồng thuận Ethereum. Block có thể được đề xuất và xác nhận cuối cùng trong cùng một khe thời gian mà không cần chờ 15 phút.

2. Xác nhận và hoàn thành giao dịch với tốc độ nhanh nhất, đồng thời duy trì tính phi tập trung

3. Nâng cao tính khả thi của việc staking cho các nhà staking cá nhân

4. Tăng cường độ vững chắc

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

Định tính một khe thời gian và dân chủ hóa staking

Hiện tại, cần 2–3 epoch (khoảng 15 phút) để hoàn thành một block, và cần 32 ETH để trở thành nhà staking. Điều này ban đầu là sự thỏa hiệp để cân bằng giữa ba mục tiêu:

• Tối đa hóa số lượng nhà xác thực tham gia staking (giảm tối thiểu số ETH cần thiết để staking);
• Giảm tối thiểu thời gian xác nhận cuối cùng;
• Giảm tối thiểu chi phí vận hành node.

Ba mục tiêu này mâu thuẫn với nhau: để đạt được tính cuối cùng về kinh tế (tức là kẻ tấn công phải phá hủy một lượng lớn ETH để đảo ngược block đã xác nhận cuối cùng), mỗi lần xác nhận cuối cùng, mỗi nhà xác thực cần ký hai thông điệp. Do đó, nếu số lượng nhà xác thực rất lớn, hoặc cần rất nhiều thời gian để xử lý tất cả chữ ký, hoặc cần node cực kỳ mạnh để xử lý đồng thời tất cả chữ ký.

Tất cả đều phụ thuộc vào một mục tiêu then chốt của Ethereum: đảm bảo rằng ngay cả khi tấn công thành công cũng sẽ khiến kẻ tấn công phải trả giá rất đắt. Đó là ý nghĩa của thuật ngữ "tính cuối cùng về kinh tế".

Cũng có ví dụ ngược lại, các blockchain không có "tính cuối cùng về kinh tế" (ví dụ như Algorand) giải quyết vấn đề này bằng cách chọn ngẫu nhiên một ủy ban để xác nhận cuối cùng mỗi khe thời gian. Nhưng vấn đề của phương pháp này là nếu kẻ tấn công kiểm soát 51% nhà xác thực, chi phí tấn công rất thấp: chỉ một phần node trong ủy ban bị phát hiện tham gia tấn công và bị phạt. Điều này có nghĩa là kẻ tấn công có thể lặp lại tấn công chuỗi nhiều lần.

Do đó, nếu Ethereum muốn đạt được tính cuối cùng về kinh tế, thì phương pháp dựa trên ủy ban đơn giản là không khả thi, mà cần sự tham gia của toàn bộ nhà xác thực.

Lý tưởng nhất, Ethereum muốn cải thiện hiện trạng ở hai khía cạnh trong khi vẫn giữ được tính cuối cùng về kinh tế:

1. Xác nhận block trong một khe thời gian (slot) (lý tưởng là giữ nguyên hoặc giảm thời gian 12 giây hiện tại), thay vì 15 phút

2. Cho phép nhà xác thực staking với 1 ETH (giảm từ 32 ETH xuống 1 ETH)

Điểm đầu tiên đảm bảo tất cả người dùng Ethereum đều được hưởng mức bảo mật cao hơn nhờ cơ chế tính cuối cùng. Hiện nay, đa số người dùng không thể tận hưởng sự bảo đảm này vì họ không muốn chờ 15 phút; còn với cơ chế định tính một khe thời gian, người dùng gần như có thể thấy giao dịch được xác nhận cuối cùng ngay sau khi xác nhận giao dịch. Thứ hai, nếu người dùng và ứng dụng không phải lo lắng về khả năng chuỗi bị đảo ngược, thì nó sẽ đơn giản hóa giao thức và cơ sở hạ tầng xung quanh.

Điểm thứ hai nhằm hỗ trợ các nhà staking cá nhân. Theo nhiều khảo sát, yếu tố chính ngăn cản staking cá nhân là mức tối thiểu 32 ETH. Giảm mức tối thiểu xuống 1 ETH sẽ giải quyết vấn đề này.

Hiện tại có một thách thức: mục tiêu xác nhận nhanh hơn và dân chủ hóa staking đều mâu thuẫn với mục tiêu giảm chi phí. Thực tế, đây là lý do tại sao Ethereum ban đầu không áp dụng định tính một khe thời gian. Tuy nhiên, các nghiên cứu gần đây đã đề xuất một số phương pháp khả thi để giải quyết vấn đề này.

Cách hoạt động:

Định tính một khe thời gian liên quan đến việc sử dụng thuật toán đồng thuận xác nhận block trong một slot. Điều này tự nó không phải là mục tiêu khó đạt được, nhiều thuật toán (ví dụ như đồng thuận Tendermint) đã làm được điều này.

Một thuộc tính lý tưởng độc đáo của Ethereum là (tức là inactivity leaks): ngay cả khi hơn 1/3 nhà xác thực ngoại tuyến, thuộc tính này vẫn cho phép blockchain tiếp tục hoạt động và cuối cùng phục hồi.

Đề xuất định tính một khe thời gian

Về cách làm cho định tính một khe thời gian hoạt động với số lượng nhà xác thực rất lớn mà không gây ra chi phí vận hành node quá cao, có một số giải pháp hàng đầu:

Lựa chọn một là brute force, phát triển giao thức tổng hợp chữ ký tốt hơn, có thể sử dụng ZK-SNARKs, điều này sẽ cho phép xử lý chữ ký của hàng triệu nhà xác thực trong một khe thời gian. Ví dụ, Horn là một trong những đề xuất được đưa ra để thiết kế giao thức tổng hợp tốt hơn.

Lựa chọn hai là Orbit Committee, một cơ chế mới cho phép một ủy ban trung bình được chọn ngẫu nhiên chịu trách nhiệm xác nhận cuối cùng của chuỗi, nhưng vẫn phải giữ đặc tính chi phí tấn công cao. Orbit tận dụng sự không đồng nhất vốn có trong quy mô tiền gửi của các nhà xác thực, đạt được tính cuối cùng về kinh tế lớn nhất có thể, đồng thời vẫn trao vai trò phù hợp cho các nhà xác thực nhỏ.

Như hình dưới đây, trong phạm vi từ x=0 (ủy ban Algorand, không có tính cuối cùng về kinh tế) đến x=1 (trạng thái hiện tại của Ethereum) — Orbit SSF mở ra một vùng trung gian:

1. Trong đó chi phí làm điều xấu vẫn rất cao để đảm bảo an toàn tuyệt đối;

2. Nhưng đồng thời, chỉ cần một mẫu ngẫu nhiên các nhà xác thực quy mô trung bình tham gia mỗi khe thời gian, giảm gánh nặng cho node.

Lựa chọn ba là staking hai tầng, một cơ chế có hai loại nhà staking, một loại yêu cầu tiền gửi cao, loại còn lại yêu cầu tiền gửi thấp. Chỉ tầng yêu cầu tiền gửi cao mới trực tiếp tham gia vào quá trình cung cấp tính cuối cùng về kinh tế. Đối với tầng tiền gửi thấp, đã có nhiều đề xuất về quyền và trách nhiệm, bao gồm:

• Quyền ủy quyền cổ phần cho các nhà cổ phần cấp cao hơn;
• Chọn ngẫu nhiên các nhà staking tầng thấp để chứng minh và xác nhận cuối cùng mỗi block;
• Quyền tạo danh sách được đưa vào, v.v.

Đối với trải nghiệm bảo mật và thuộc tính tập trung hóa staking của Ethereum, mỗi giải pháp đều có ưu nhược điểm và cần cân nhắc: brute force tuy có thể giải quyết vấn đề nhưng cần tổng hợp lượng lớn chữ ký trong thời gian rất ngắn, kỹ thuật rất khó; Orbit Committee cần xác minh tính an toàn và đặc tính, cũng như chính thức hóa và triển khai; cơ chế staking hai tầng đối mặt với rủi ro tập trung hóa, mức độ rủi ro phụ thuộc lớn vào quyền lợi cụ thể mà tầng staking thấp nhận được.

Ngoài định tính một khe thời gian, bầu chọn lãnh đạo bí mật duy nhất cũng là một vấn đề quan trọng trong hệ thống bằng chứng cổ phần của Ethereum. Hiện nay, nhà xác thực nào sẽ đề xuất block tiếp theo có thể biết trước, điều này tạo ra lỗ hổng bảo mật, kẻ tấn công có thể giám sát mạng, xác định nhà xác thực nào tương ứng với địa chỉ IP nào và tiến hành tấn công DoS khi nhà xác thực sắp đề xuất block.

Cách tốt nhất để giải quyết vấn đề này là ẩn thông tin về nhà xác thực nào sẽ tạo block tiếp theo, ít nhất là cho đến khi block thực sự được tạo ra.

Bầu chọn lãnh đạo bí mật duy nhất

Hiện tại, nhà xác thực nào sẽ đề xuất block tiếp theo có thể biết trước, điều này tạo ra lỗ hổng bảo mật: kẻ tấn công có thể giám sát mạng, xác định nhà xác thực nào tương ứng với địa chỉ IP nào và tiến hành tấn công DoS khi nhà xác thực sắp đề xuất block.

Giao thức bầu chọn lãnh đạo bí mật duy nhất sử dụng một số kỹ thuật mã hóa để tạo ra một ID nhà xác thực "mù" cho mỗi nhà xác thực, sau đó cho nhiều người đề xuất cơ hội xáo trộn và làm mù lại pool ID, từ đó giải quyết vấn đề này.

Tuy nhiên, việc triển khai một giao thức bầu chọn lãnh đạo bí mật duy nhất đủ đơn giản không phải là điều dễ dàng.

Tính đơn giản của giao thức Ethereum là rất quan trọng, không muốn tăng thêm độ phức tạp. SSLE đơn giản hóa sử dụng ring signatures chỉ cần vài trăm dòng mã chuẩn và đưa ra giả định mới trong mã hóa phức tạp.

Làm thế nào để thực hiện SSLE chống lượng tử đủ hiệu quả cũng là một vấn đề. Cuối cùng có thể xảy ra trường hợp: chỉ khi chúng ta mạnh dạn thử nghiệm vì lý do khác và đưa cơ chế thực thi bằng chứng không kiến thức tổng quát vào giao thức Ethereum L1, thì "độ phức tạp bổ sung biên" của SSLE mới giảm xuống mức đủ thấp.

Thêm vào đó, xác nhận giao dịch nhanh hơn cũng là một vấn đề cần giải quyết trong hệ thống bằng chứng cổ phần của Ethereum.

Rút ngắn hơn nữa thời gian xác nhận giao dịch của Ethereum (từ 12 giây xuống 4 giây) là điều có giá trị. Làm như vậy sẽ cải thiện đáng kể trải nghiệm người dùng L1 và dựa trên rollups, đồng thời giúp các giao thức DeFi hiệu quả hơn. Nó cũng sẽ giúp L2 phi tập trung hơn, vì sẽ cho phép nhiều ứng dụng L2 vận hành trên rollups, giảm nhu cầu L2 tự xây dựng cơ chế sắp xếp phi tập trung dựa trên ủy ban.

Có hai kỹ thuật chính: giảm thời gian slot xuống 8 giây hoặc 4 giây; cho phép người đề xuất phát hành xác nhận trước trong một slot. Tuy nhiên, hiện vẫn chưa rõ tính khả thi của việc rút ngắn thời gian slot.

Ngay cả hiện nay, ở nhiều khu vực trên thế giới, các nhà staking cũng khó có thể nhận được bằng chứng đủ nhanh. Thử nghiệm slot 4 giây có nguy cơ tập trung hóa nhà xác thực, và do độ trễ, việc trở thành nhà xác thực ngoài một số khu vực có lợi thế 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 trung bình, nhưng không cải thiện trường hợp xấu nhất. Ngoài ra, còn một vấn đề chưa giải quyết là làm thế nào để khuyến khích xác nhận trước.

Đối mặt với mối đe dọa tiềm tàng từ máy tính lượng tử trong tương lai, Ethereum cần tích cực phát triển các giải pháp thay thế chống lại tấn công lượng tử. Mỗi phần của giao thức Ethereum hiện dựa vào đường cong elliptic đều cần có một số giải pháp thay thế dựa trên hàm băm hoặc các phương pháp chống lượng tử khác. Điều này chứng minh rằng chủ nghĩa bảo thủ trong các giả định về hiệu suất xung quanh thiết kế bằng chứng cổ phần là hợp lý, đồng thời là lý do để phát triển tích cực các giải pháp thay thế chống lượng tử.

Tóm tắt

Hệ thống bằng chứng cổ phần của Ethereum đầy thách thức trên con đường tiến hóa kỹ thuật. Do ngưỡng staking cá nhân của Ethereum khá cao, các nhà cung cấp dịch vụ staking như Lido đã trở thành lựa chọn hàng đầu cho node staking Ethereum, và giải pháp staking hai tầng cũng có một mức độ rủi ro tập trung hóa nhất định. Để đối phó với những thách thức này, định tính một khe thời gian và dân chủ hóa staking, bầu chọn lãnh đạo bí mật duy nhất, xác nhận giao dịch nhanh hơn và phát triển các giải pháp thay thế chống lượng tử đều là những vấn đề quan trọng mà Ethereum cần giải quyết.

Vitalik đã có những suy nghĩ toàn diện về nâng cấp "The Merge" và đề xuất càng nhiều giải pháp kỹ thuật kết hợp có thể, thảo luận về tiềm năng thiết kế kỹ thuật của bằng chứng cổ phần Ethereum cũng như các lộ trình nâng cấp kỹ thuật khả thi hiện nay.

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