原標題：PossiblefuturesoftheEthereumprotocol,part1:TheMerge

作者：Vitalik，Ethereum創始人，編譯：鄧通，金色財經

最初，“合并”（TheMerge）指的是Ethereum協議自推出以來最重要的事件：期待已久、來之不易的從工PoW證明到PoS的過渡。如今，Ethereum已經穩定運行了近兩年，并且這種PoS在穩定性、性能和避免中心化風險方面表現非常出色。然而，PoS仍有一些重要領域需要改進。

我在2023年繪制的路線圖將其分為幾部分：改進技術特性，例如穩定性、性能和對小型驗證者的可訪問性，以及經濟學變革以應對中心化風險。前者成為“TheMerge”部分，而后者成為“theScourge”的一部分。

請注意，這一切都取決于Ethereum的一個關鍵目標： 確保即使成功的攻擊也會對攻擊者造成高昂的成本。這就是“經濟上的最終確定性”一詞的含義。如果我們沒有這個目標，那么我們可以通過隨機選擇一個委員會（例如Algorand所做的）來最終確定每個slot來解決這個問題。但這種方法的問題在于，如果攻擊者確實控制了51%的驗證者，那么他們可以以非常低的成本進行攻擊（撤銷最終確定的區塊、審查或延遲最終確定）：只有委員會中的那部分Node可以被檢測為參與攻擊并受到懲罰，無論是通過slash還是少數派軟分叉。這意味著攻擊者可以多次反復攻擊該鏈。因此，如果我們想要經濟上的最終確定性，那么簡單的基于委員會的方法是行不通的，乍一看，我們確實需要驗證者全集體參與。

理想情況下，我們希望保留經濟上的最終確定性，同時在兩個領域改善現狀：

1、在一個slot內完成區塊（理想情況下，保持甚至減少當前12秒的長度），而不是15分鐘

2、允許驗證者質押1ETH（原先為32ETH）

第一個目標的合理性來自兩個目標，這兩個目標都可以看作是“使Ethereum的屬性與（更中心化的）注重性能的L1鏈的屬性保持一致”。

首先，它確保所有Ethereum用戶都能從通過最終確定機制實現的更高級別的安全保證中受益。如今，大多數用戶都無法享受這種保障，因為他們不愿意等待15分鐘；而使用單slot最終確定機制，用戶幾乎可以在確認交易后立即看到交易最終確定。其次，如果用戶和應用程序不必擔心鏈回滾的可能性（除非出現相對罕見的不活動泄漏-inactivityleak），那么它就簡化了協議和圍繞它的基礎設施。

第二個目標是出于支持solo質押者的愿望。一次又一次的民意調查反復表明，阻止更多人solo質押的主要因素是32ETH的最低限額。將最低限額降低到1ETH將解決這個問題，以至于其他問題成為限制solo質押的主要因素。

存在一個挑戰：更快的確定性和更民主化的質押目標都與最小化開銷的目標相沖突。事實上，這個事實就是我們一開始不采用單slot最終確定性的全部原因。然而，最近的研究提出了一些解決這個問題的可能方法。SSF是什么以及它是如何工作的？

單slot最終確定性涉及使用在一個slot內最終確定區塊的共識算法。這本身并不是一個難以實現的目標：許多算法（例如Tendermint共識）已經以最佳屬性實現了這一點。Ethereum獨有的一項理想屬性是“不活動泄漏inactivityleak”，Tendermint不支持該屬性，即使超過1/3的驗證者離線，該屬性也允許鏈繼續運行并最終恢復。幸運的是，這個愿望已經得到解決：已經有提案修改Tendermint式共識以適應inactivityleak。

領先的單slot最終確定性提案

問題最難的部分是弄清楚如何使單slot最終確定性在驗證者數量非常高的情況下發揮作用，而不會導致極高的Node運營商開銷。為此，有幾種領先的解決方案：

選項1：蠻力——努力實現更好的簽名聚合協議，可能使用ZK-SNARKs，這實際上允許我們在每個slot中處理來自數百萬個驗證者的簽名。

Orbit利用驗證者存款規模中預先存在的異質性來獲得盡可能多的經濟上的最終確定性，同時仍將給予solo驗證者相應的角色。此外，Orbit使用緩慢的委員會輪換來確保相鄰法定人數之間的高度重疊，從而確保其經濟上的最終確定性仍然適用于委員會輪換邊界。

選項3：兩層質押-一種機制，其中質押者分為兩類，一類的存款要求較高，另一類的存款要求較低。只有存款要求較高的層級會直接參與提供經濟上的最終確定性。有各種提案（例如，參見Rainbow質押文章）來具體說明存款要求較低的層級擁有哪些權利和責任。常見想法包括：

將委托質押的權利給更高層級的質押者

隨機抽取較低層級的質押者來證明并最終確定每個區塊

生成包含名單（inclusionlists）的權利與現有研究有哪些聯系？

實現單slot最終確定性的途徑（2022年）：https://notes.ethereum.org/@vbuterin/single_slot_finality

Ethereum單slot最終確定性協議的具體提案（2023年）：https://eprint.iacr.org/2023/280

OrbitSSF：https://ethresear.ch/t/orbit-ssf-solo-staking-friendly-validator-set-management-for-ssf/19928

對Orbit風格機制的進一步分析：https://notes.ethereum.org/@anderselowsson/Vorbit_SSF

Horn，簽名聚合協議（2022年）： https://ethresear.ch/t/horn-collecting-signatures-for-faster-finality/14219

大規模共識的簽名合并（2023年）：https://ethresear.ch/t/signature-merging-for-large-scale-consensus/17386?u=asn

Khovratovich等人提出的簽名聚合協議：https://hackmd.io/@7dpNYqjKQGeYC7wMlPxHtQ/BykM3ggu0#/

基于STARK的簽名聚合（2022年）：https://hackmd.io/@vbuterin/stark_aggregation

Rainbow質押：https://ethresear.ch/t/unbundling-staking-towards-rainbow-staking/18683還剩下什么要做？需要權衡什么？

有四種主要的可能路徑可供選擇（我們也可以采取混合路徑）：

1、維持現狀

2、OrbitSSF

3、蠻力SSF

4、具有兩層質押機制的SSF

1意味著不做任何工作并保持原樣，但這會使Ethereum的安全體驗和質押中心化屬性變得比本來應該的更糟糕。

2避免“高科技”，通過巧妙地重新思考協議假設來解決問題：我們放寬了“經濟上的最終確定性”的要求，這樣我們就要求攻擊是昂貴的，但攻擊成本可能比現在低10倍（例如，攻擊成本為25億美元，而不是250億美元）。人們普遍認為，Ethereum如今的經濟上的最終確定性遠遠超出了它所需要的水平，它的主要安全風險在其他地方，所以可以說這是可以接受的犧牲。

主要工作是驗證Orbit機制是否安全并具有我們想要的屬性，然后對其進行完全形式化和實施。此外，EIP-7251（增加最大有效余額）允許自愿驗證者余額合并，這會立即減少鏈驗證開銷，并作為Orbit推出的有效初始階段。

3避免巧妙的重新思考，而是用高科技強行解決問題。要做到這一點需要在很短的時間內（5-10秒）收集大量簽名（100萬以上）。

4避免了巧妙的重新思考和高科技，但它確實創造了一個兩層的質押系統，仍然具有中心化風險。風險在很大程度上取決于較低質押層獲得的特定權利。例如：

如果低層級質押者需要將其證明權委托給高級質押者，那么委托可能會中心化化，最終我們會得到兩個高度集中的質押層級。

如果需要對較低層進行隨機抽樣來批準每個區塊，那么攻擊者只需花費極少量的ETH即可阻止最終確定性。

如果較低級別的質押者只能制作包含列表，那么證明層可能會保持中心化，此時對證明層的51%攻擊可以審查包含列表本身。

可以組合多種策略，例如：

1+2：添加Orbit，但不執行單slot最終性

1+3：使用強力技術減少最小存款額，而無需進行單slot最終確定。所需的聚合量比純(3)情況少64倍，因此問題變得更容易。

2+3：使用保守參數執行OrbitSSF（例如，128k驗證者委員會而不是8k或32k），并使用蠻力技術使其超高效。

1+4：添加Rainbow質押，但不進行單slot最終確認SSF如何與路線圖的其他部分互動？

除了其他好處之外，單slot最終確定性還降低了某些類型的多塊MEV攻擊的風險。此外，在單slot最終確定性世界中，證明者-提議者分離設計和其他協議內塊生產管道需要以不同的方式設計。

蠻力策略的弱點在于它們使得減少slot時間變得更加困難。單一秘密領導人選舉（Singlesecretleaderelection，SSLE）我們正在解決什么問題？

如今，哪個驗證者將提出下一個區塊是可以提前知道的。這會產生一個安全漏洞：攻擊者可以監視網絡，確定哪些驗證者對應哪些IP地址，并在驗證者即將提出區塊時對其發起DoS攻擊。SSLE是什么以及它是如何工作的？

解決DoS問題的最佳方法是隱藏哪個驗證者將生成下一個區塊的信息，至少在區塊實際生成之前。請注意，如果我們刪除“單一”要求，這很容易：一種解決方案是讓任何人都可以創建下一個區塊，但要求randao揭示小于2 256 /N。平均而言，只有一個驗證者能夠滿足此要求-但有時會有兩個或更多，有時會沒有。將“秘密”要求與“單一”要求結合起來一直是一個難題。

單一秘密領導者選舉協議通過使用一些加密技術為每個驗證者創建一個“盲”驗證者ID，然后讓許多提議者有機會對盲ID池進行改組和重新盲化（這類似于mixnet的工作方式），從而解決了這個問題。在每個時段內，都會選擇一個隨機的盲ID。只有該盲ID的所有者才能生成有效的證明來提議區塊，但沒有人知道該盲ID對應的是哪個驗證者。

量子計算專家，例如ScottAaronson，最近也開始更加認真地考慮量子計算機在中期內實際工作的可能性。這將對整個Ethereum路線圖產生影響：這意味著目前依賴于橢圓曲線的每個Ethereum協議部分都需要某種基于哈希或其他抗量子性的替代方案。這特別意味著我們不能假設我們將能夠永遠依靠BLS聚合的優異性能來處理來自大型驗證者集的簽名。這證明了在權益證明設計性能假設方面的保守性是合理的，也是更積極地開發抗量子替代方案的原因。

特別感謝 JustinDrake、Hsiao-weiWang、@antonttc和 Francesco 的反饋和審查。