以太坊的权益证明（PoS）系统已稳定运行近两年，在稳定性、性能和避免中心化风险方面表现卓越。然而，权益证明仍存在一些亟待改进的关键领域。本文将探讨以太坊协议在“合并”后的技术设计优化方向，包括单时隙最终确定性、质押民主化、单一秘密领袖选举、交易确认加速及其他研究领域。
单时隙最终确定性及质押民主化
当前挑战与目标
目前，以太坊需要2-3个epoch（约15分钟）才能最终确定区块，且最低质押门槛为32 ETH。这源于三个相互冲突的目标的平衡：
- 最大化验证者参与度（即降低最低质押门槛）
- 最小化最终确定时间
- 最小化节点运行开销
理想情况下，我们希望实现：
- 单时隙最终确定性：在12秒甚至更短时间内完成区块最终确定，而非15分钟
- 降低质押门槛：允许以1 ETH进行质押，而非32 ETH
这两个目标将使以太坊的安全特性与注重性能的公链对齐，同时支持更多独立质押者参与。
实现路径与方案
单时隙最终确定性本身并不难实现，但需要解决验证者数量庞大时的节点开销问题。目前有几种领先方案：
- Brute force方案：通过ZK-SNARKs等先进签名聚合协议处理单时隙内数百万验证者的签名
- Orbit委员会机制：通过随机选取的中型委员会负责链的最终确定性，在安全性和效率间取得平衡
- 双层质押机制：创建两类质押者，高层级提供经济最终性，低层级享有其他权利
权衡与选择
有四种主要可能路径：
- 维持现状
- 采用Brute force SSF
- 实施Orbit SSF
- 建立双层质押机制的SSF
每种方案都有其优缺点，可能需要组合多种策略来实现最佳效果。
单一秘密领袖选举
问题背景
目前，哪个验证者将提出下一个区块是可以提前知道的，这创造了安全漏洞：攻击者可监视网络并对即将提出区块的验证者发起DoS攻击。
解决方案
单一秘密领袖选举（SSLE）协议通过加密技术为每个验证者创建“盲”验证者ID，隐藏区块提议者信息直到区块实际生成。这类似于混合网络的工作方式，确保只有被选中的盲ID所有者才能生成有效证明来提议区块。
实施考量
现实地说，需要找到并实现足够简单的协议，避免过度增加以太坊协议的复杂性。SSLE仅用了数百行规范代码，但引入了新的加密假设。另一种选择是使用协议外缓解措施来解决DoS问题。
更快速的交易确认
需求与价值
缩短以太坊的交易确认时间（从12秒缩短到4秒）将显著改善L1和基于rollups的用户体验，提高DeFi协议效率，并使L2更易去中心化。
技术方案
有两种主要技术：
- 减少时隙时间：从12秒降至8秒或4秒
- 提议者预确认：允许提议者在单时隙期间发布预确认消息
挑战与权衡
缩短时隙时间可能导致验证者集中心化风险，因为世界上许多地区的质押者难以快速获得证明。提议者预确认方法可改善平均情况下的纳入时间，但不能改善最坏情况。
其他研究领域
51%攻击恢复
虽然完全自动化恢复过程不可能，但可以实现部分自动化，减少对社会层的依赖。例如，客户端可自动拒绝接受长期观察到的被审查交易链作为分叉链选项。
提升投票生效阈值
将最终确定性阈值从67%提高到80%可能增加更好的安全性，使有争议情况导致最终确定性暂停而非立即错误获胜。
抗量子攻击
量子计算的发展对以太坊协议提出了新挑战，当前依赖于椭圆曲线的每个协议部分都需要开发基于哈希或其他抗量子的替代方案。
常见问题
什么是以太坊的单时隙最终确定性？
单时隙最终确定性是指在一个时隙（目前为12秒）内完成区块的最终确定，而不是当前需要的15分钟左右。这将显著改善用户体验和协议效率。
降低质押门槛对以太坊有什么好处？
将质押门槛从32 ETH降低到1 ETH可使更多用户能够成为独立质押者，提高网络的去中心化程度，增强整体安全性。
单一秘密领袖选举如何提高安全性？
通过隐藏区块提议者信息直到区块实际生成，SSLE可防止攻击者对特定验证者发起针对性DoS攻击，提高网络抗攻击能力。
缩短交易确认时间会带来哪些风险？
过短的时隙时间可能导致验证者集中心化，因为地理上不利地区的质押者可能无法满足网络延迟要求，从而影响网络的去中心化特性。
以太坊如何应对量子计算威胁？
以太坊需要开发基于哈希或其他抗量子技术的替代方案，逐步替换当前依赖于椭圆曲线的协议部分，确保网络未来的安全性。
51%攻击后以太坊如何恢复？
虽然完全自动化恢复不可能，但可通过部分自动化机制和社会层协调结合的方式，确保攻击不能干净利落地获胜，保护网络完整性。
以太坊协议的持续演进需要在技术创新与实用可行性间找到平衡，确保网络的安全性、去中心化和效率不断提升。这些改进将共同推动以太坊向更加强大和健壮的区块链平台发展。