以太坊2.0升级：PoS机制改进及未来展望

以太坊未来：权益证明机制的改进与挑战

以太坊联合创始人 Vitalik Buterin 近期发表文章，探讨了以太坊协议未来发展路线图的“合并”（The Merge）阶段及其后的改进方向。 “合并”标志着以太坊从工作量证明 (PoW) 向权益证明 (PoS) 的重大转变。虽然 PoS 机制在稳定性、性能和去中心化方面表现出色，但仍存在一些需要改进的领域。

Buterin 将以太坊未来的发展路线图划分为六个阶段，本文主要关注“合并”后的改进，包括技术特性提升（例如稳定性、性能和对小型验证者的友好性）以及应对中心化风险的经济调整。

“合并”后的关键改进目标

“合并”后的主要目标包括：

1. 单时隙确定性 (SSF)：
   目前以太坊区块确认需要约 15 分钟，SSF 旨在将这一时间缩短至一个时隙内（约 12 秒），大幅提升交易确认速度。

2. 快速交易确认与去中心化：
   在确保去中心化的前提下，最大限度地缩短交易确认时间。

3. 提升单一质押者的可行性：
   降低质押门槛，让更多个人参与到质押中。

4. 增强系统稳健性：
   提高系统抵御各种攻击的能力。

5. 提升对 51% 攻击的抵抗力：
   增强系统抵御和恢复 51% 攻击的能力，包括最终性逆转、最终性阻止和审查攻击。

单时隙确定性和质押民主化

目前，以太坊区块确认需要 2-3 个 epoch（约 15 分钟），且质押需要至少 32 ETH。这是为了平衡以下三个目标：

• 最大化验证者数量（最小化质押 ETH 数量）
• 最小化最终性时间
• 最小化节点运行开销

这三个目标相互冲突。为了实现“经济最终性”（即攻击者需要付出高昂代价才能篡改已确认的区块），每个验证者都需要在每次最终确定时签署两条消息。验证者数量越多，处理签名所需的时间或节点计算能力就越高。

以太坊的目标是即使成功攻击也能给攻击者带来巨大成本。一些区块链（如 Algorand）通过随机选择委员会来最终确定每个时隙，但这会降低攻击成本。因此，以太坊需要在保留经济最终性的同时，改进以下两点：

1. 在一个时隙内完成区块确认。
2. 将质押门槛降低至 1 ETH。

降低质押门槛能够支持更多小型验证者参与，但同时也增加了节点运营商的开销。为此，一些解决方案被提出：

单时隙确定性提案

1. 暴力破解：
   开发更有效的签名聚合协议（例如 Horn），处理大量验证者的签名。

2. Orbit 委员会：
   随机选择中等规模的委员会负责最终确定性，同时保留高攻击成本。

3. 双层质押：
   设立高低两层质押者，高层级参与经济最终性，低层级拥有其他权利（例如委托质押、参与随机抽样确认区块等）。

每种方案都有其优缺点和需要权衡的地方。暴力破解技术难度高；Orbit 委员会需要验证其安全性；双层质押可能面临中心化风险。

单一秘密领袖选举

目前，下一个区块的提议者是可以预测的，这使得攻击者可以进行 DoS 攻击。单一秘密领袖选举 (SSLE) 协议旨在隐藏提议者信息，直到区块生成。这可以通过使用加密技术为每个验证者创建“盲”验证者 ID 来实现。然而，设计一个足够简单且安全的 SSLE 协议仍然是一个挑战。

更快的交易确认

缩短交易确认时间（例如从 12 秒缩短到 4 秒）可以提升用户体验和 DeFi 协议效率，并使 L2 更去中心化。这可以通过减少时隙时间或允许提议者发布预确认来实现。然而，缩短时隙时间可能面临验证者中心化风险；预确认方法则无法改善最坏情况下的确认时间。

抗量子攻击

为了应对未来可能的量子计算威胁，以太坊需要开发抗量子攻击的替代方案，这需要对当前依赖椭圆曲线的协议部分进行改进。

总结

以太坊 PoS 系统的改进之路充满挑战。高质押门槛导致中心化质押服务供应商的出现，而各种改进方案也各有优缺点。单时隙最终确定性、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方案的开发，都是以太坊未来需要解决的关键问题。Buterin 的文章为以太坊 PoS 系统的未来发展提供了宝贵的思路，但最终的解决方案需要在安全性、性能和去中心化之间取得最佳平衡。