Kể từ tháng 10 năm nay, đồng sáng lập Ethereum Vitalik Buterin đã đăng tải một loạt bài viết về những khả năng tương lai của giao thức Ethereum, bao gồm sáu phần của lộ trình phát triển Ethereum: The Merge, The Surge, The Scourge, The Verge, The Purge và The Splurge. Bài viết này sẽ giải mã phần đầu tiên của lộ trình (The Merge), thảo luận về những thiết kế kỹ thuật có thể cải thiện hơn nữa Bằng chứng Cổ phần (PoS) và các cách thức để thực hiện những cải thiện này.
Vitalik cho rằng "The Merge" là sự kiện quan trọng nhất trong lịch sử của Ethereum kể từ khi ra mắt: chuyển đổi từ Bằng chứng Công việc (PoW) sang Bằng chứng Cổ phần (PoS). Hiện nay, Ethereum đã trở thành một hệ thống PoS hoạt động ổn định trong gần 2 năm, với Bằng chứng Cổ phần thể hiện rất tốt về tính 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 (như ổn định, hiệu suất và khả năng truy cập của các nhà xác minh nhỏ) và các thay đổi kinh tế để ứng phó với rủi ro tập trung hóa. Theo Vitalik, bài viết này không phải là một danh sách đầy đủ về các cải tiến Bằng chứng Cổ phần, mà chủ yếu là những ý tưởng đang được tích cực xem xét.
Các mục tiêu chính của The Merge như sau:
1. Tính xác định trong một khe thời gian (SSF): Thông thường, một khối Ethereum cần khoảng 15 phút để được xác định cuối cùng. Tuy nhiên, có thể tăng hiệu quả xác minh khối của cơ chế đồng thuận Ethereum, giảm đáng kể thời gian cần thiết để đạt được tính xác định cuối cùng. Các khối có thể được đề xuất và xác định cuối cùng trong cùng một khe thời gian, không cần phải chờ 15 phút.
2. Xác nhận và hoàn thành giao dịch nhanh nhất có thể, đồng thời vẫn duy trì tính phi tập trung
3. Tăng khả năng thực thi của các nhà đặt cược độc lập
4. Tăng tính bền vững
5. Tăng khả năng chống chịu và phục hồi của Ethereum trước các cuộc tấn công 51% (bao gồm cả việc đảo ngược tính xác định cuối cùng, ngăn chặn tính xác định cuối cùng và kiểm duyệt)
Tính xác định trong một khe thời gian và dân chủ hóa đặt cược
Hiện nay, cần 2-3 epoch (khoảng 15 phút) để hoàn thành một khối, và cần 32 ETH để trở thành nhà đặt cược. Ban đầu, điều này là một sự thỏa hiệp giữa ba mục tiêu:
- Tối đa hóa số lượng nhà xác minh tham gia đặt cược (tối thiểu hóa ETH cần thiết để đặt cược);
- Tối thiểu hóa thời gian đạt tính xác định cuối cùng;
- Tối thiểu hóa chi phí vận hành nút.
Ba mục tiêu này mâu thuẫn với nhau: để đạt được tính xác định cuối cùng về mặt kinh tế (nghĩa là kẻ tấn công phải tiêu hủy lượng lớn ETH để phục hồi các khối đã được xác định cuối cùng), mỗi nhà xác minh cần ký hai thông điệp mỗi lần đạt tính xác định cuối cùng. Do đó, nếu có nhiều nhà xác minh, hoặc là cần rất nhiều thời gian để xử lý tất cả các chữ ký, hoặc cần các nút rất mạnh để xử lý đồng thời tất cả các chữ ký.
Tất cả điều này đều phụ thuộc vào một mục tiêu then chốt của Ethereum: đảm bảo rằng ngay cả khi một cuộc tấn công thành công, nó cũng sẽ gây ra chi phí rất cao cho kẻ tấn công. Đây chính là ý nghĩa của thuật ngữ "tính xác định cuối cùng về mặt kinh tế".
Cũng có những ví dụ ngược lại, các blockchain không có "tính xác định cuối cùng về mặt kinh tế" (như Algorand) giải quyết vấn đề này bằng cách ngẫu nhiên chọn một ủy ban để xác định cuối cùng mỗi khe thời gian. Tuy nhiên, vấn đề với phương pháp này là nếu kẻ tấn công thực sự kiểm soát 51% nhà xác minh, chi phí tấn công sẽ rất thấp: chỉ một phần nhà xác minh trong ủy ban sẽ bị phát hiện là tham gia vào cuộc tấn công và bị trừng phạt. Điều này có nghĩa là kẻ tấn công có thể tấn công liên tục vào chuỗi.
Do đó, nếu Ethereum muốn đạt được tính xác định cuối cùng về mặt kinh tế, phương pháp đơn giản dựa trên ủy ban sẽ không hoạt động, mà cần sự tham gia của toàn bộ nhà xác minh.
Lý tưởng nhất, Ethereum muốn cải thiện hiện trạng trên hai phương diện trong khi vẫn duy trì tính xác định cuối cùng về mặt kinh tế:
1. Kết thúc khối trong một khe thời gian (lý tưởng là vẫn giữ hoặc giảm độ dài hiện tại là 12 giây), thay vì 15 phút
2. Cho phép nhà xác minh đặt cược với 1 ETH (giảm từ 32 ETH xuống 1 ETH)
Điểm thứ nhất sẽ đảm bảo rằng tất cả người dùng Ethereum đều có thể hưởng lợi từ mức độ bảo mật cao hơn do cơ chế tính xác định cuối cùng mang lại. Hiện nay, hầu hết người dùng không thể hưởng lợi từ bảo mật này vì họ không muốn chờ 15 phút; với cơ chế tính xác định trong một khe thời gian, người dùng gần như có thể thấy giao dịch được xác định cuối cùng ngay sau khi được xác nhận. Ngoài ra, nếu người dùng và ứng dụng không phải lo lắng về khả năng xảy ra lùi chuỗi, thì nó sẽ đơn giản hóa giao thức và cơ sở hạ tầng xung quanh.
Điểm thứ hai nhằm hỗ trợ các nhà đặt cược độc lập. Theo nhiều cuộc thăm dò ý kiến, yếu tố chính cản trở việc đặt cược độc lập là mức tối thiểu 32 ETH. Giảm mức tối thiểu xuống 1 ETH sẽ giải quyết vấn đề này.
Hiện tại vẫn tồn tại một thách thức: mục tiêu tính xác định nhanh hơn và dân chủ hóa đặt cược mâu thuẫn với mục tiêu tối thiểu hóa chi phí. Thực tế, đây chính là lý do ban đầu Ethereum không áp dụng tính xác định trong một khe thời gian. Tuy nhiên, các nghiên cứu gần đây đã đề xuất một số phương pháp có thể giải quyết vấn đề này.
Cách hoạt động:
Tính xác định trong một khe thời gian liên quan đến việc sử dụng thuật toán đồng thuận để xác định cuối cùng khối trong một khe thời gian. Điều này không phải là một mục tiêu khó thực hiện, nhiều thuật toán (như Tendermint) đã thực hiện được điều này.
Một thuộc tính lý tưởng của Ethereum (tức là "rò rỉ bất hoạt") là ngay cả khi hơn 1/3 nhà xác minh ngừng hoạt động, thuộc tính này vẫn cho phép chuỗi tiếp tục hoạt động và cuối cùng phục hồi.
Các đề xuất về tính xác định trong một khe thời gian
Có một số giải pháp hàng đầu về cách để tính xác định trong một khe thời gian hoạt động hiệu quả khi có rất nhiều nhà xác minh, mà không gây ra chi phí vận hành nút quá cao:
Lựa chọn một là "brute force", thực hiện các giao thức kết hợp chữ ký tốt hơn, có thể sử dụng Bằng chứng không tri thức (ZK-SNARKs), điều này sẽ khiến việc xử lý hàng triệu chữ ký trong một khe thời gian trở nên khả thi. Ví dụ, Horn là một trong những đề xuất nhằm thiết kế các giao thức kết hợp tốt hơn.
Lựa chọn hai là Ủy ban Orbit, đây là một cơ chế mới cho phép một ủy ban cỡ trung bình được chọn ngẫu nhiên chịu trách nhiệm về tính xác định cuối cùng của chuỗi, nhưng vẫn cần duy trì đặc tính chi phí tấn công. Orbit tận dụng sự không đồng nhất sẵn có trong quy mô tiền gửi của nhà xác minh để đạt được tính xác định cuối cùng về mặt kinh tế càng lớn càng tốt, đồng thời vẫn giao cho các nhà xác minh nhỏ một vai trò tương xứng.
Như minh họa dưới đây, giữa phạm vi x = 0 (ủy ban Algorand, không có tính xác định cuối cùng về mặt kinh tế) và x = 1 (hiện trạng của Ethereum) - Orbit SSF mở ra một vùng trung gian:
1. Nơi chi phí tấn công vẫn rất cao, đảm bảo an toàn tối đa;
2. Nhưng đồng thời, chỉ cần một mẫu ngẫu nhiên của nhà xác minh cỡ trung bình tham gia mỗi khe thời gian, giảm bớt gánh nặng cho nút.
Lựa chọn ba là đặt cược hai lớp, một cơ chế có hai loại nhà đặt cược, một loại có yêu cầu tiền gửi cao hơn, loại còn lại có yêu cầu tiền gửi thấp hơn. Chỉ có lớp yêu cầu tiền gửi cao mới trực tiếp tham gia vào quá trình cung cấp tính xác định cuối cùng về mặt kinh tế. Về quyền và trách nhiệm của lớp tiền gửi thấp, đã có nhiều đề xuất khác nhau, bao gồm:
- Quyền ủy thác cổ phần cho những người nắm giữ cổ phần ở cấp độ cao hơn;
Bầu cử lãnh đạo bí mật duy nhất
Hiện tại, có thể biết trước được validator nào sẽ đề xuất khối tiếp theo, điều này tạo ra lỗ hổng bảo mật: kẻ tấn công có thể theo dõi mạng lưới và xác định địa chỉ IP tương ứng với các validator, sau đó tiến hành tấn công từ chối dịch vụ (DoS) vào các validator khi họ sắp đề xuất khối.
Giao thức bầu cử lãnh đạo bí mật duy nhất giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng một số kỹ thuật mã hóa để tạo ra một "validator mù" cho mỗi validator, sau đó cho phép nhiều người đề xuất có cơ hội sắp xếp lại và mù hóa lại nhóm các validator mù.
Tuy nhiên, việc triển khai một giao thức bầu cử 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 làm tăng thêm độ phức tạp của nó. Phiên bản đơn giản hóa của SSLE sử dụng chữ ký vòng chỉ cần vài trăm dòng mã quy chuẩn và đưa vào một số giả định mới về mật mã phức tạp.
Việc triển khai SSLE đủ hiệu quả chống lại các cuộc tấn công lượng tử cũng là một vấn đề. Cuối cùng, có thể chỉ khi chúng ta dám thử nghiệm các cách tiếp cận mới và đưa vào Ethereum L1 các cơ chế thực thi bằng chứng không tri thức phổ dụng, thì "độ phức tạp bổ sung biên" của SSLE mới giảm đủ thấp.
Ngoài ra, việc xác nhận giao dịch nhanh hơn cũng là một trong những vấn đề cần giải quyết của hệ thống bằng chứng cổ phần Ethereum.
Rút ngắn thời gian xác nhận giao dịch Ethereum (từ 12 giây xuống 4 giây) là có giá trị. Điều này sẽ cải thiện đáng kể trải nghiệm người dùng ở L1 và các ứng dụng dựa trên rollups, đồng thời làm cho các giao thức DeFi hiệu quả hơn. Nó cũng sẽ giúp L2 phi tập trung hóa hơn, vì nó sẽ cho phép nhiều ứng dụng L2 chạy trên các rollups, từ đó giảm nhu cầu của L2 phải xây dựng cơ chế sắp xếp phi tập trung dựa trên ủy ban.
Có hai kỹ thuật chính: giảm thời gian khe (slot) xuống 8 giây hoặc 4 giây; cho phép các người đề xuất công bố xác nhận trước trong một khe thời gian. Tuy nhiên, khả năng thực thi của việc giảm thời gian khe vẫn chưa rõ ràng.
Ngay cả ngày nay, ở nhiều khu vực trên thế giới, các người đặt cược cũng khó có thể nhận được chứng minh đủ nhanh. Thử nghiệm với thời gian khe 4 giây có nguy cơ tập trung hóa tập hợp validator, và do độ trễ, việc trở thành validator 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 trong trường hợp trung bình, nhưng không cải thiện được trường hợp tệ nhất. Ngoài ra, còn có vấn đề chưa được giải quyết là làm thế nào để khuyến khích xác nhận trước.
Để đối phó với mối đe dọa của máy tính lượng tử trong tương lai, Ethereum cần tích cực phát triển các giải pháp thay thế chống lại các cuộc tấn công lượng tử. Mọi phần của giao thức Ethereum hiện tại dựa trên đường cong elliptic đều cần có một số giải pháp thay thế dựa trên hàm băm hoặc các phương pháp khác chống lượng tử. Điều này chứng minh rằng sự thận trọng trong các giả định về hiệu suất xung quanh thiết kế bằng chứng cổ phần là hợp lý, và cũng là lý do để tích cực phát triển các giải pháp thay thế chống lại các cuộc tấn công lượng tử.
Tóm lược
Hệ thống bằng chứng cổ phần Ethereum đối mặt với nhiều thách thức trong quá trình tiến hóa kỹ thuật. Do ngưỡng đặt cược riêng lẻ của Ethereum tương đối cao, các nhà cung cấp dịch vụ đặt cược như Lido đã trở thành lựa chọn hàng đầu cho việc đặt cược nút Ethereum, và các giải pháp đặt cược hai lớp cũng có một số rủi ro tập trung hóa. Để đối phó với những thách thức này, các vấn đề quan trọng mà Ethereum cần giải quyết bao gồm: xác định cuối cùng trong một khe thời gian duy nhất và dân chủ hóa đặt cược, bầu cử lãnh đạo bí mật duy nhất, xác nhận giao dịch nhanh hơn, và phát triển các giải pháp thay thế chống lại các cuộc tấn công lượng tử.
Vitalik đã có những suy nghĩ toàn diện về nâng cấp "The Merge" và đề xuất nhiều giải pháp kỹ thuật kết hợp, thảo luận về tiềm năng thiết kế của công nghệ bằng chứng cổ phần Ethereum và các con đường nâng cấp kỹ thuật khả thi hiện tại.
Trong quá trình nâng cấp kỹ thuật, Ethereum vẫn đang nỗ lực khám phá và sáng tạo không ngừng, cân nhắc và lựa chọn giữa các phương án kỹ thuật khác nhau, để tìm ra con đường phát triển phù hợp nhất, đạt được mức an toàn, hiệu suất và độ phi tập trung cao hơn.
