以太坊的未来：解读「The Merge」和PoS改进

自从今年10月以来，以太坊联合创始人Vitalik Buterin发布了一系列关于以太坊协议未来的文章。这些文章涵盖了以太坊发展的六个阶段：The Merge、The Surge、The Scourge、The Verge、The Purge和The Splurge。本文重点解读第一部分「The Merge」，探讨PoS权益证明系统的技术改进和实现途径。

Vitalik认为，「合并」是指以太坊从PoW工作量证明过渡到PoS权益证明的关键事件。这一转变已经让以太坊作为一个稳定的PoS系统运行了将近两年，表现出色，但在稳定性、性能和避免中心化风险方面仍有改进空间。

2023年的以太坊路线图包括技术特性改进和经济变化两部分，旨在应对中心化风险。本文并非对PoS改进的详尽清单，而是对正在考虑的想法进行探讨。

「The Merge」的主要目标

1. **单时隙确定性（SSF）**：以太坊区块通常需要15分钟才能最终确定，但可以通过提高共识机制验证区块的效率，将这一时间大幅缩短，使区块在同一时隙内提议并最终确定。

2. **快速确认和完成交易**：保持去中心化同时加快交易确认速度。

3. **提高单独质押者的可行性**：降低质押门槛，使更多人能够参与质押。

4. **提高稳健性**：增强系统的整体稳定性。

5. **增强对51%攻击的抵抗和恢复能力**：包括防止最终性逆转、最终性阻止和审查攻击。

单时隙确定性和质押民主化

目前，以太坊需要2-3个epoch（约15分钟）才能完成一个区块，并且需要32 ETH才能成为质押者。这是为了在最大化参与者数量、最小化最终性时间和最小化节点运行开销之间取得平衡。然而，这三个目标是相互冲突的：为了实现经济最终性，每次最终确定时每个验证者都需要签署两条消息。如果验证者数量很多，要么处理所有签名需要很长时间，要么需要非常强大的节点来同时处理所有签名。

以太坊的目标是确保即使成功的攻击也会给攻击者带来高昂的成本，这就是「经济最终性」的含义。相比之下，像Algorand这样的区块链通过随机选择委员会来最终确定每个时隙，但这种方法的问题是如果攻击者控制了51%的验证者，攻击成本极低。因此，以太坊需要全套验证者的参与来实现经济最终性。

以太坊希望在保留经济最终性的同时，在两个方面改善现状：在一个时隙内终结区块（理想情况下，保持或减少当前12秒的长度），以及允许验证者用1 ETH进行质押（从32 ETH降至1 ETH）。前者可以确保用户立即看到交易最终确定，后者则支持更多单独质押者参与。

然而，更快的确定性和更民主化的质押目标与最小化开销的目标相冲突。最近的研究提出了一些解决方法，包括使用更好的签名聚合协议（如ZK-SNARKs）、Orbit委员会和双层质押机制。每种方法都有其优缺点和权衡之处。

单一秘密领袖选举

目前，以太坊可以提前知道哪个验证者将提出下一个区块，这会产生安全漏洞，攻击者可以监视网络并对即将提出区块的验证者发起DoS攻击。单一秘密领袖选举通过使用加密技术为每个验证者创建「盲」验证者ID，并通过改组和重新盲化来解决这个问题。然而，实现一个足够简单的单一秘密领袖选举协议并非易事，以太坊需要在保持简易性的同时引入新的假设。

更快的交易确认

进一步缩短以太坊的交易确认时间（从12秒缩短到4秒）将显著改善用户体验和DeFi协议的效率。这可以通过减少时隙时间或允许提议者在单时隙期间发布预确认来实现，但目前缩短时隙时间的可行性还不清楚，且存在验证者集中心化的风险。

抗量子攻击替代方案

面对未来可能的量子计算威胁，以太坊需要积极开发抗量子攻击的替代方案。当前依赖于椭圆曲线的每个以太坊协议部分都需要有一些基于哈希或其他抗量子的替代方案。这证明了在PoS设计中的保守主义是合理的，也推动了更积极地开发抗量子攻击替代方案的动力。

小结

以太坊PoS系统的技术演进充满挑战。高昂的单独质押门槛导致了质押服务供应商（如Lido）的兴起，而双层质押方案也存在中心化风险。为了应对这些挑战，以太坊需要在单时隙最终确定性及质押民主化、单一秘密领袖选举、更快的交易确认以及抗量子攻击替代方案方面进行努力。Vitalik对「The Merge」进行了全面思考，并提出了多种技术解决方案，以探讨以太坊PoS技术的设计潜力和可行的技术升级路径。在技术升级的过程中，以太坊将继续探索和创新，在不同的技术方案之间进行权衡和选择，以实现更高的安全性、性能和去中心化程度。