以太坊權益證明系統的未來發展方向

以太坊聯合創始人Vitalik Buterin近期發布了一系列關於以太坊協議未來發展的文章，涵蓋了以太坊路線圖的六個關鍵階段。本文將重點解析路線圖的第一部分"The Merge"，探討權益證明(PoS)機制的潛在技術改進及其實現途徑。

自從以太坊完成從工作量證明(PoW)到權益證明(PoS)的轉換近兩年以來，PoS系統在穩定性、性能和去中心化方面表現出色。然而，仍有一些重要領域需要進一步優化。

以太坊2023年的發展計劃主要聚焦於兩個方面：一是改進技術特性，如提高穩定性、性能和小型驗證者的可訪問性；二是通過經濟模型調整來應對中心化風險。

"The Merge"的主要目標

1. 實現單時隙確定性(SSF)：將區塊最終確認時間從15分鍾縮短至一個時隙內。

2. 在保持去中心化的前提下，最大化交易確認和完成速度。

3. 降低單獨質押門檻，提高小型質押者參與的可行性。

4. 增強系統整體穩健性。

5. 提升以太坊抵御51%攻擊的能力，包括防止最終性逆轉、阻止和審查。

單時隙確定性與質押民主化

目前，以太坊區塊確認需要約15分鍾，且質押門檻爲32 ETH。這是在三個目標間的權衡結果：

• 最大化質押參與者數量
• 最小化最終確認時間
• 最小化節點運行開銷

理想情況下，以太坊希望在保持經濟最終性的同時實現兩個改進：

1. 將區塊確認時間縮短至一個時隙（12秒或更短）
2. 將質押門檻從32 ETH降至1 ETH

這些改進將爲用戶帶來更高的安全保障和更便捷的參與機會。然而，實現這些目標面臨着節點開銷增加的挑戰。

單時隙確定性方案

爲解決大規模驗證者參與下的節點開銷問題，目前有幾種備選方案：

1. 優化籤名聚合協議，如使用ZK-SNARKs技術。

2. Orbit委員會機制：通過隨機選取中等規模的委員會來負責鏈的最終確定，同時保持較高的攻擊成本。

3. 雙層質押機制：設置高低兩類質押門檻，只有高門檻質押者直接參與經濟最終性過程。

每種方案都有其優缺點，需要在安全性、去中心化和技術可行性之間權衡。

單一祕密領袖選舉

當前，下一個區塊的提議者可以被提前知曉，這存在安全隱患。單一祕密領袖選舉(SSLE)協議旨在通過加密技術隱藏提議者信息，直到區塊生成時才揭曉。然而，實現一個足夠簡單且有效的SSLE協議仍面臨挑戰。

更快的交易確認

將交易確認時間從12秒縮短到4秒將顯著改善用戶體驗和DeFi協議效率。主要有兩種技術路線：

1. 縮短時隙時間至8秒或4秒
2. 允許提議者在單時隙內發布預確認

然而，縮短時隙時間可能帶來驗證者集中化風險，而預確認方法則難以改善最壞情況下的性能。

抗量子計算威脅

面對潛在的量子計算威脅，以太坊需要爲當前依賴橢圓曲線的協議部分開發基於哈希或其他抗量子的替代方案。這也是以太坊在權益證明設計中保持保守性的原因之一。

結語

以太坊權益證明系統的技術演進面臨諸多挑戰。爲應對這些挑戰，單時隙最終確定性、質押民主化、單一祕密領袖選舉、更快的交易確認以及抗量子攻擊替代方案的開發都是以太坊需要解決的關鍵問題。

在技術升級過程中，以太坊團隊正在不斷探索和創新，權衡不同技術方案，以找到最佳發展路徑，實現更高的安全性、性能和去中心化程度。