以太坊切換到權益證明網絡的妥協

2022-05-23

以太坊有一個不斷發展但結構化的協議變更路線圖。

在 2015 年推出之前,以太坊開發人員已經明確表示將其工作證明 ( PoW ) 共識機制替換為替代機制:股權證明 ( PoS )。

雖然使用 PoW 以外的任何東西啟動網絡在技術上被認為風險太大,但最終遷移到 PoS 一直是以太坊開發人員的主要發展目標,也是他們路線圖上備受期待的里程碑。

向 PoS 的遷移被認為是一個極其重要的里程碑,因為開發人員將其視為隨後幾個開發目標的關鍵先決條件,並且因為以太坊社區認為減少能源使用量值得在其生成的協議屬性上進行權衡。

儘管會發生一些變化,但開發路線圖本身早於以太坊的推出,並且自網絡僅處於測試網階段以來就已經存在。

不斷發展的路線圖中描述的許多更改已經實施,但向 PoS 的遷移是最具挑戰性和最複雜的修改之一,尚未完成現在被推遲。

 

 

 

延遲的原因很多且複雜,但它們或多或少地歸結為 PoS​​,證明安全實施在技術上比開發人員最初想像的更具挑戰性。

已經提出並評估了許多原型,但問題不斷出現,需要持續多年的錯誤修復和重新設計。

我們甚至可以從區塊鏈數據中觀察到遷移的串行延遲,通常稱為Merge

確信 PoS 實施已經近在咫尺,以太坊協議包含了挖礦難度的硬編碼指數增長。

這種機制被稱為難度炸彈,旨在導致挖礦難度和收益脫節,迫使礦工放棄 PoW 鏈,讓替代 PoS 鏈成為唯一可行的鏈。

 

 

在上圖中可以觀察到難度炸彈的三個單獨的“爆炸”。

它們既可以作為出塊時間的指數增長,也可以作為哈希率和難度之間的快速分歧來體現。

然而,由於 PoS 在引爆(或即將引爆)時尚未準備好實施,以太坊開發人員已經在五個不同的場合回滾了難度炸彈。

綜上所述,雖然沒有具體的合併日期(合併確實剛剛從 2022 年上半年再次推遲,暫時推遲到 2022 年下半年),但有跡象表明,可能需要對 PoS 持謹慎樂觀態度這次實際上可能即將實施。

因此,讓我們快速看一下以太坊下一階段的實際情況。

 

未來的分片也依賴於 Merge

除了 PoS(The Merge),以太坊下一階段的第二個主要部分是引入分片

分片是一種區塊鏈協議可擴展性技術,協議通過將區塊鏈拆分為許多區塊鏈(分片)來增加其吞吐量,允許單台計算機選擇要處理的多個區塊鏈中的哪一個。

分片允許協議的總吞吐量增加,而不會增加處理它的單個計算機的計算需求。換句話說,以太坊將能夠處理更多的信息,同時仍然希望依靠相對隨意的用戶通過普通的消費計算機提供分佈式處理能力。

在計算機科學領域,這被稱為水平縮放技術。

水平擴展的特點是通過向網絡添加更多單獨的計算機來增加吞吐量/能力。

它的替代方案是垂直縮放,其中增加的規模只能通過增加單個網絡計算機的吞吐量/能力來實現。

 

 

在區塊鏈協議的世界中,增加塊大小或增加塊頻率(減少塊之間的目標時間)是垂直擴展的示例,因為它們要求所有參與的計算機必須非常強大(這很昂貴)。

相反,分片允許額外的吞吐量/能力——這意味著能夠以更低的成本每秒處理更多的交易和智能合約——通過增加更多的網絡參與者,假設他們都關心單獨的分片。

 

添加 PoS 和分片會導致網絡屬性的重要權衡

在設計去中心化的點對點網絡時,沒有完美的問題解決方案。只有成本、回報和權衡。

相反,在分析提議的對區塊鏈協議的更改時,重要的是不要被各種網絡的開發人員和用戶社區經常普遍存在的樂觀情緒所沖昏頭腦(也不要成為競爭對手普遍存在的普遍悲觀情緒的犧牲品)。

因此,讓我們簡要了解一下以太坊社區願意做出的權衡,以實現增加的鏈上吞吐量/能力,並將協議的能源使用減少到實際上為零。

 

分片權衡

區塊鍊網絡的橫向擴展與保持低吞吐量之間的權衡是,整個網絡變得更像客戶端-服務器網絡而不是點對點網絡,失去了重要的去中心化優勢。

這是為什麼?簡而言之,為了成為區塊鍊網絡中的完全對等點——即參與網絡而不需要信任任何其他網絡參與者的人——用戶必須能夠完全驗證網絡上發生的每一個事件. 由於需要驗證大量區塊鏈(或單個大型區塊鏈),成為完全對等點所需的計算和帶寬資源急劇增加,使得越來越少的用戶能夠負擔得起成為完全對等點的特權。

這導致信任的重新引入,因為現在無法驗證所有分片(或巨大的單個區塊鏈)的所有用戶必須信任其他用戶告訴他們在其他分片上發生的事情的真相(或者在他們無法再驗證的巨大區塊鏈上)負擔得起的自我驗證)。

高度去中心化是一種廣受歡迎但傳統上難以定義的點對點網絡質量。

之所以如此受歡迎,是因為擁有盡可能多的對等點的網絡由於參與者數量眾多而無法關閉,必須禁用所有參與者才能使網絡完全熄滅。

儘管網絡匿名技術無法可靠地衡量區塊鍊網絡上的參與者數量,但我們可以使用一些有用的代理來評估其去中心化程度。

在我們看來,最好的是成為一個完整的同行的成本。成為一個完整的對等點的成本越高,網絡的去中心化程度就越低。

因此,任何會增加成為完整對等點成本的協議更改都會減少網絡的去中心化。這是為了增加鏈上吞吐量/能力而產生的權衡成本。

為了了解差異的大小,考慮到為了在合併後成為以太坊上的完整對等點,用戶將需要 ETH 32(在撰寫本文時,2022 年 4 月 25 日約為 [USD] 92,000)加上專用計算機硬件,可能不會花費超過一千美元。

相比之下,作為比特幣網絡上的一個完整對等節點,成本低於 [USD] 300 並且不需要任何比特幣,但是,比特幣網絡上發生的權衡是其基礎區塊鏈可以處理的交易量被限制在大約 7每秒事務數。

 

PoS 權衡

  • 信任最小化

停止 PoW 挖礦也會帶來重要的權衡,以換取能源消耗的大幅減少,根據我們目前的全球電力生產堆棧,這也意味著大幅減少碳排放。

概括地說,以太坊將因實施 PoS 而減少或消除審查阻力、信任最小化和去中心化。由於代碼的複雜性增加,它的攻擊面也將大大增加。黑客將有更多的漏洞可尋。

PoS 重新引入了在加入或重新加入網絡時信任其他網絡參與者的要求。

這是因為質押是區塊鍊網絡內部的一個數量。

也就是說,除非您知道哪個區塊鍊是正確的,否則您無法知道誰擁有什麼股份。

這意味著,在用戶驗證他們之前的區塊鍊是否已正確執行之前,他們必須首先信任其他人來告訴他們區塊鍊是什麼。

如果新用戶或老用戶在惡意行為者提供給他的多個衝突區塊鏈之間做出選擇,這將是一個問題。由於創建 PoS 區塊鏈不需要任何成本,因此可以創建原本有效的虛假歷史,並由不誠實的參與者大量呈現給外部人員。

另一方面,工作是系統外部的

這意味著,如果將兩條衝突的區塊鏈呈現給新用戶或老用戶,他們可以簡單地通過查看累積工作量來自行檢查哪個區塊鍊是正確的(根據定義,累積工作量最大的區塊鍊是正確的)一)。

在 PoS 系統中,解決這個問題的唯一方法是引入檢查點,這同樣需要信任其他參與者告訴你過去不同時間正確的區塊鍊是什麼。

因此,PoS 需要通過多種新途徑信任其他網絡參與者,它必須權衡其利益。

  • 審查阻力和中心化

PoS 還權衡了其抵抗審查的能力。

在這種情況下,根據 [Eric] Voskuil 在Cryptoeconomics中的定義,審查阻力是指網絡抵製網絡參與者試圖阻止部分或所有交易進入交易記錄的行為的能力。

唯一有效的方法是控制超過 51% 的區塊生產者——PoW 系統中的礦工,PoS 系統中的質押者。

控制大部分區塊生產的實體可以簡單地拒絕將部分或全部交易輸入區塊鏈,從而有效地審查任何或所有各方。

在 PoW 系統中,礦工需要消耗系統外部的資源,也需要外部資金(硬件)。

這可以在多數礦工不知道的情況下獲得,這意味著存在一種機制,審查員可以通過這種機制失去其作為多數礦工的地位。

在 PoS 系統中,協議規則中不存在這種追索權。

一旦一個實體在系統中獲得多數股權,他們將永遠增加其在總股權中的比例,沒有什麼可以迫使他們出售任何股權,這意味著他們的地位不可能被推翻。

從這種情況中恢復過來的唯一方法是求助於社會共識硬分叉,這只是另一種說法,即由專責委員會進行集中管理——根據定義,這與去中心化相反

與 PoW 系統相比,PoS 系統也極其複雜,這大大增加了其網絡的攻擊面。

雖然複雜性所帶來的風險增加無法一一列舉,但任何數量的複雜性增加都會導致風險增加,因此這是一個需要考慮的重要考慮因素。

簡而言之,通過實施 PoS 和分片,以太坊在去中心化、信任最小化和審查阻力之間進行權衡。

最重要的是,它將遭受更大的攻擊面。

作為回報,它大大增加了鏈上數據吞吐量(可擴展性),並大大降低了能源消耗。

 

最近的事件表明合併工作正在取得進展

邁向合併之路的一個主要發展步驟是在 2020 年 12 月推出信標鏈。

信標鍊是一個隔離的 PoS 區塊鏈,未來將充當所有以太坊分片之間的協調鏈。

它將充當以太坊的“共識層”,該層最初旨在允許訪問交易數據,並在以後的版本中,在 64 個計劃的單獨分片上執行交易本身。

已經進行了測試和實踐合併,最近一次是在 2022 年 4 月 23 日,以確保主網過渡安全進行。

Kiln測試網於 2022 年 3 月 15 日合併,並納入了最後的主要規範更改。

 儘管其中許多測試已經成功,但其他測試引起了擔憂,並可能導致合併從 2022 年上半年推遲到 2022 年下半年。

可以在此處找到要在合併之前完成的具體任務列表。雖然該列表仍包括大量未完成的任務,但也有許多已完成。

 

以太坊合併後的未來由用戶和投資者決定

據估計,股權證明可將能源消耗降低99.5% 以上

創建、驗證、排序和添加到鏈中的塊的要求已經從外部資源轉移到網絡(能源)到內部資源(資本)。

分片還需要權衡減少去中心化同時增加吞吐量。

以太坊的權衡是否值得完全是另一個問題。這個問題很大程度上取決於對以太坊未來可能面臨的現實世界風險的主觀看法,歸根結底,這個問題只能由以太坊用戶和投資者單獨回答。

無論何時發生,合併(可能是今年)都將代表以太坊設計、功能和屬性的重大轉變。

因此,以太坊 2.0 的名稱非常合適——合併後的以太坊將是一個完全不同的系統。

 

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