以太坊協議技術升級展望：The Merge篇

自2022年10月以來，以太坊聯合創始人提出了關於以太坊未來發展的一系列構想，涵蓋了六個主要方面：The Merge、The Surge、The Scourge、The Verge、The Purge和The Splurge。本文將聚焦於第一部分The Merge，探討權益證明機制的潛在技術改進及其實現路徑。

The Merge被認爲是以太坊歷史上最重要的裏程碑之一，標志着從工作量證明向權益證明的轉變。經過近兩年的運行，權益證明系統在穩定性、性能和去中心化方面表現出色。然而，仍有一些關鍵領域需要進一步優化。

2023年以太坊的技術路線圖主要關注兩個方面：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；二是通過經濟機制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）：將區塊最終確定時間從約15分鍾縮短到單個時隙內。

2. 在保持去中心化的前提下，最快速度確認和完成交易。

3. 降低質押門檻，增加獨立質押者的參與可行性。

4. 提升系統整體穩健性。

5. 增強以太坊對51%攻擊的抵抗和恢復能力，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，以太坊區塊最終確定需要2-3個epoch（約15分鍾），且最低質押門檻爲32 ETH。這是爲了在最大化驗證者數量、最小化最終確定時間和降低節點運行成本三個目標之間尋求平衡。

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. 將區塊最終確定時間縮短到單個時隙（12秒或更短）。
2. 將最低質押門檻從32 ETH降至1 ETH。

這些改進將使更多用戶受益於更高級別的安全保障，並大幅提升獨立質押的可行性。然而，實現這兩個目標會增加節點運營成本，這也是以太坊最初未採用單時隙確定性的原因。

單時隙確定性方案

爲解決驗證者數量衆多情況下的單時隙確定性問題，同時避免節點運營成本過高，目前有幾種主要方案：

1. 優化籤名聚合協議：可能借助ZK-SNARKs技術，實現在單個時隙內處理數百萬驗證者籤名。

2. Orbit委員會機制：通過隨機選取中等規模的委員會負責鏈的最終確定，在保持高攻擊成本的同時減輕節點負擔。

3. 雙層質押機制：設置高低兩類質押者，只有高層級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是可預知的，這可能導致針對性的DoS攻擊。單一祕密領袖選舉協議通過加密技術爲每個驗證者創建"盲"驗證者ID，並允許多個提議者對ID池進行重組和重新盲化，以解決這一問題。

然而，實現一個簡單且有效的單一祕密領袖選舉協議仍面臨挑戰，尤其是在保持協議簡潔性和抗量子能力方面。

更快的交易確認

進一步縮短交易確認時間（如從12秒縮短到4秒）將顯著改善用戶體驗並提高DeFi協議效率。主要有兩種技術路徑：

1. 縮短時隙時間至8秒或4秒。
2. 允許提議者在單個時隙內發布預確認。

然而，縮短時隙時間可能增加驗證者集中化風險，而預確認方法雖能改善平均確認時間，但無法優化最壞情況下的表現。

抗量子攻擊

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方案的替代方案。這凸顯了在權益證明設計中採取保守性能假設的合理性。

結語

以太坊權益證明系統的技術演進面臨諸多挑戰。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亟待解決的重要問題。

以太坊團隊正在積極探索和創新，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。這一過程將持續推動以太坊生態系統的發展和完善。