從Beacon Chain到Beam Chain 速讀Justin的以太坊共識層新提案

發表於 2024-11-13 18:19 作者: TechubNews

撰文:Tia,Techub News

在昨日泰國 Devcon 的 Mainstage 中,以太坊研究員 Justin Drake 以演講的形式完成了對 Beam Chain 提案的首發。Beam Chain 是 Justin 對以太坊共識層進行重新設計的提案,該提案爲對 Beacon Chain 的進一步升級,以進一步邁向以太坊最終愿景。本文將帶大家速覽 Beam Chain 提案改進的目標和與其相關的技術實現。 

雖爲共識層的重新設計,Beam Chain 將依舊沿用以太坊代幣,不會發行新的代幣也不會發行新的網絡。

爲什么提議 Beam Chain? 

以太坊有三個層級:執行層、blob 數據層、以及共識層。執行層是以太坊中處理交易和執行智能合約的部分,直接管理應用的狀態和邏輯。blob 數據層負責存儲大量數據,涉及到應用所需的長期數據存儲。這兩層屬於直接和應用交互的層級,任何更改都會直接影響這些層的兼容性。 

而共識層主要負責確保整個網絡節點間的數據共識,不直接處理應用的狀態或數據。這種間接性使得它相對更容易引入創新和升級,不會對應用帶來直接影響。因此,像 Beam Chain 提案這樣的共識層改進,能夠提供創新空間,而不破壞前端應用層的兼容性。 

並且,Beacon Chain 是 5 年前的設計,已經非常老舊。經過 5 年時間,市場對 Beacon Chain 的一些錯誤有了充分認識,對於 MEV 的理解也進一步深入。恰逢 SNARK 技術也有了突破,因此,乘着突破的東風,對以太坊共識層進行一系列修復。 

Beam Chain 計劃實現的目標 

可以將目標分爲三個部分:區塊生產、質押、密碼學。 

區塊生產的目標有三個,主要和 MEV 有關:一是計劃用 inclusion list 等增加抗審查性;二是採用 Attester Proposer Seperation 以及執行拍賣等方式將驗證者從區塊生產中隔離出來;三是實現更快速的 slot,將 slot 時間縮短至 4 秒。

質押部分的目標爲對目前的發行曲线進行改進、將質押門檻從 32 ETH 降低到 1 ETH、實現快速最終性 single slot finality。 

密碼學部分的目標是,使用 zkVM 等實現鏈的 snarkification;維護以太坊密碼學的安全性,使其能夠延續數十年甚至數百年;以及使用 MinRoot VDF 等保持強隨機性。 

對於這些目標的實現方式,Justin 將這類目標進行了兩類劃分。綠色的部分,以逐步分叉的形式完成,紅色的部分應該以整體的方式同時完成。 

以 snarkifacation (使用 zk-SNARKs 技術來對數據或計算進行證明)爲例,如果想實現 real time proving(實時證明),就必須在系統中做一些結構性調整,包括哈希函數、籤名方式、以及序列化和默克爾化(Merkleization)等方面的改變。籤名方式需要能夠快速生成並完成驗證,並且需要序列化使得復雜的數據結構能夠在節點之間傳輸並存儲,並將將序列化後的數據進行默克爾樹(Merkle Tree)處理,以此滿足零知識證明需要對數據進行可驗證的格式化和轉化,以及對狀態的高效驗證。 

 ZK 化的 Beam Chain 

過去,以太坊共識經歷了從 POW 到 POS 的變更,而在 Beam Chain 的機制裏,共識將會有更進一步的更新——完全 ZK 化,即把 snark 應用到整個共識層。 

Chain snarkification 

需要強調的是,被 snarkified 的部分只存在於狀態轉換,但一些基礎層面的計算(共識機制在處理事務或狀態轉換之前所做的邏輯計算)、網絡層(節點之間的通信和數據傳遞)、緩存管理和性能優化則保持不變,不受到 ZK 的影響。

Beam Chain 的實現代碼(例如使用 Go 或 Rust 編寫的 Beam Chain 的核心邏輯和共識算法代碼)需要做的工作就是將代碼轉換爲 zkVM 能理解的格式。Beam Chain 的實現代碼被編譯爲 zkVM 的代碼格式後,zkVM 可以執行這些代碼,讀取區塊鏈外部輸入,驗證狀態轉換過程的合法性,並生成零知識證明。

zkVM 是一個執行零知識虛擬機的環境,它能理解特定格式的代碼,以便進行零知識證明的驗證。將代碼編譯成 zkVM 可執行的格式的這一過程可能包括將高層語言(如 Go 或 Rust)轉換爲一個底層的、中間的格式(如 RISC-V 指令集),然後在 zkVM 中執行。 

目前,RISC-V 已成爲 zkVM 的行業標准。目前有七家公司提供 Risc-v zkVM。

Attestation snarkification

另一個使用到 snark 的部分是聚合籤名(aggregatable signatures),即將多個驗證者和見證者(attesters)籤名的壓縮過程,把大量籤名聚合成一個單獨的、可驗證的證明。

我們希望有後量子聚合籤名安全性(能抵御量子攻擊),因此預計在這裏會使用哈希函數。哈希函數具備後量子安全級別,可以用它作爲密碼學系統的基本組件或基礎模塊來構建密碼學。使用 hash-based snarks,可以將數以千計的籤名壓縮爲一個 proof。這就是後量子聚合籤名。並且,這種後量子聚合籤名是無限遞歸的,你可以不斷地疊加,將多個聚合籤名再度聚合,達到更高的壓縮效率,相較於傳統 BLS 籤名聚合實現了極大的提升。

去幾個月裏,snark 化的哈希函數技術獲得了顯著提升,通過筆記本電腦就可快速生成證明,並且每秒可完成約 200 萬次哈希操作的證明。這種性能突破讓後量子安全的聚合籤名方案在現實中變得更爲實用,爲高效的、量子抗性的加密提供了可能。 

不僅如此,snark 化後的 Beam Chain 讓原本復雜的驗證、存儲、計算過程得到壓縮,這使得一系列原本不能直接用於 Beacon Chain 的如 libp2p、ssz、pyspec、protocolguild 等基礎設施得以實現。

時間线規劃

時間线的規劃上,Justin 計劃在 2025 年制定規格,2026 年構建,並在 2027 年進行測試。目前,有兩家團隊愿意开發 Beam Chain 共識客戶端,一家爲來自印度的 Zeam lambda,另一家爲位於南美的 Lambda。

標題:從Beacon Chain到Beam Chain 速讀Justin的以太坊共識層新提案

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