以太坊合并后的未来前景与影响分析

最初被称为”合并”的事件代表了以太坊发展史上最重要的里程碑——从工作量证明到权益证明的漫长过渡终于完成。如今，这个权益证明系统已经稳定运行近两年时间，在系统稳定性、性能表现和去中心化风险控制方面都交出了令人满意的答卷。尽管如此，权益证明机制仍有若干关键领域需要持续优化。

在2023年的技术路线图中，这些改进被划分为两大方向：一方面是提升技术功能，包括系统稳定性、性能表现和小型验证器的可及性；另一方面则是通过经济机制改革来应对中心化风险。前者被归入”合并”的范畴，后者则成为”the Scourge”计划的重要组成部分。

本文聚焦于”合并”部分的技术改进，探讨权益证明设计还有哪些可以优化的空间，以及实现这些改进的具体路径。需要说明的是，这些并非权益证明所有可能的改进方向，而是当前正在积极研究的重点议题。

合并计划的核心目标

合并计划致力于实现几个关键目标：首先是实现单槽最终确定性，这意味着交易可以在一个时隙内完成最终确认；其次是优化交易确认速度，在保持去中心化的前提下尽可能缩短确认时间；第三是降低单独质押者的参与门槛，使更多用户能够直接参与网络验证；第四是增强系统的整体稳健性；最后是提升以太坊抵御51%攻击的能力，包括应对最终性回滚、最终性阻塞和交易审查等情况。

本章主要内容

本章将深入探讨几个重要议题：单槽最终确定性与质押民主化、单一秘密领导者选举机制、更快的交易确认方案，以及其他值得关注的研究方向。

单槽最终确定性与质押民主化

当前面临的主要挑战

目前以太坊网络需要2-3个周期（约15分钟）来完成一个区块的最终确认，同时要求验证者至少质押32ETH。这种设计最初是为了在三个相互制约的目标之间取得平衡：最大化参与质押的验证者数量（这意味着要尽可能降低质押门槛）、缩短最终确认时间，以及最小化节点运行开销（包括签名验证和广播的成本）。

这种平衡机制面临一个根本性挑战：要实现经济最终性（即攻击者需要付出巨大代价才能逆转已确认的区块），每个验证者都需要为每次最终确认签署两条消息。验证者数量越多，要么需要更长的处理时间，要么需要更强大的节点来处理大量签名。

值得注意的是，这种设计基于以太坊的一个核心理念：确保任何成功的攻击都会给攻击者带来高昂成本。这就是”经济最终性”的核心含义。如果不考虑这个目标，我们可以简单地通过随机选择委员会来确认区块，就像Algorand等区块链所做的那样。但这种方法的缺陷在于，如果攻击者控制了51%的验证者，他们就能以极低成本发动攻击（逆转区块、审查交易或延迟确认），只需控制委员会中的部分节点即可。虽然这些参与攻击的节点可能会被检测并受到惩罚或通过社会协调的软分叉处理，但攻击者仍可以反复发动攻击，每次只需损失少量权益。因此，要实现真正的经济最终性，简单的委员会机制是不够的，我们需要所有验证者的参与。

理想情况下，我们希望保持经济最终性的同时，在两个方面改进现状：首先是将区块确认时间缩短至一个时隙（保持甚至压缩当前的12秒时长），其次是允许验证者以1ETH（而非32ETH）进行质押。

缩短确认时间有两个重要价值：一方面让所有以太坊用户都能享受到最终性机制带来的安全保障，目前大多数用户因为不愿等待15分钟而无法获得这种保护；另一方面简化了协议和基础设施，用户和应用不必担心链重组风险（除了罕见的不活跃惩罚情况）。

降低质押门槛则旨在支持更多独立质押者。多项调查显示，32ETH的最低要求是阻碍更多人独立质押的主要因素。将门槛降至1ETH将显著改善这一状况，使其他因素成为限制独立质押的主导因素。

当前面临的主要挑战是：更快的最终确认和更低的质押门槛都与最小化系统开销的目标相冲突。这正是以太坊最初没有采用单槽最终确定性的原因。不过，最新的研究提出了一些可能的解决方案。

解决方案与技术实现

单槽最终确定性需要使用能在单个时隙内完成区块确认的共识算法。这本身并不困难，像Tendermint等算法已经实现了这一点。以太坊特有的一个要求是支持不活跃惩罚机制，即使超过1/3验证者离线，网络仍能继续运行并最终恢复。值得庆幸的是，这个问题已经得到解决：已有提案对Tendermint式共识进行修改以支持不活跃惩罚。

真正的技术难点在于如何让单槽最终确定性与大量验证者共存，而不导致节点运营成本过高。目前有几个主要解决方案：

第一种方案是通过技术创新实现更高效的签名聚合，可能使用ZK-SNARK技术，使系统能够处理每个时隙数百万验证者的签名。

第二种方案是采用轨道委员会机制，通过随机选择的中型委员会负责链的最终确认，同时保留所需的安全属性。这种方案在完全委员会机制（无经济最终性）和当前以太坊机制之间找到了平衡点，既能保持足够的经济安全性，又能通过中等规模的随机验证者样本获得效率优势。

第三种方案是建立两级质押体系，将验证者分为高质押要求层和低质押要求层。只有高层级直接参与提供经济最终性，低层级则可能拥有委托权、随机验证权或交易包含列表生成权等不同权限（参见彩虹质押提案）。

相关研究进展

关于单槽最终确定性的研究已经取得多项成果：2022年提出了实现路径，2023年出现了具体协议提案，轨道委员会机制和签名聚合技术也都有详细方案。这些研究为改进以太坊的最终确定性机制提供了丰富的技术储备。

实施路径与权衡考量

目前有四种主要实施路径可选：维持现状、技术突破方案、轨道委员会方案和两级质押方案。每种方案都有其优势和挑战：

维持现状最为简单，但会限制以太坊的安全体验和去中心化程度；技术突破方案需要实现短时间内处理百万级签名的高效聚合；轨道委员会方案通过巧妙设计在安全性和效率间取得平衡；两级质押方案则可能带来新的中心化风险。

这些方案也可以组合实施，例如同时采用技术突破和轨道委员会机制，或者只降低质押门槛而不改变最终确定性机制。具体选择需要综合考虑技术可行性、安全性和去中心化程度等因素。

与其他路线图的协同效应

单槽最终确定性还能降低某些多区块MEV攻击的风险。不过技术突破方案可能会增加缩短时隙时间的难度。这些因素都需要在整体路线图规划中加以考虑。

单一秘密领导者选举（SSLE）

解决的核心问题

当前以太坊网络中，下一个区块的提议者是提前可知的，这造成了安全漏洞：攻击者可以监控网络，识别验证者IP地址，在验证者即将提议区块时发动DoS攻击。

技术原理与实现

SSLE协议通过加密技术为每个验证者创建”盲ID”，经过多轮洗牌和重新盲化处理（类似混合网络）。每个时隙随机选择一个盲ID，只有该ID所有者能生成有效证明来提议区块，而其他人无法得知具体对应哪个验证者。

研究现状与挑战

目前主要挑战是找到足够简单的实现方案，避免给协议增加过多复杂性。另一个未决问题是开发抗量子计算的SSLE实现。可能的解决方案包括等待L1引入通用零知识证明机制，或者完全放弃SSLE而依赖网络层的DoS防护措施。

与其他技术的交互

如果实施证明者-提议者分离机制（如执行票），执行区块将不需要SSLE保护，但共识区块仍能从中受益。

更快的交易确认

优化需求与价值

缩短以太坊的交易确认时间（如从12秒降至4秒）将显著改善用户体验，提升DeFi协议效率，并促进L2的去中心化发展，使更多L2应用能够采用基础汇总方案。

技术方案

主要优化方向包括：直接缩短时隙时间至8秒或4秒；允许提议者发布预确认消息，通过惩罚机制或证明者投票解决冲突。

实施挑战

缩短时隙时间可能加剧地理中心化风险，因为全球许多地区的验证者难以满足更严格的时间要求。预确认方案虽然能改善平均确认时间，但无法解决最坏情况下的延迟问题。此外还需要设计合理的预确认激励机制。

协同效应

预确认机制依赖于证明者-提议者分离设计，而时隙时间的缩短限度也取决于具体的时隙结构设计。

其他研究方向

51%攻击恢复机制

当前对社区协调的软分叉依赖可能不够理想。我们可以通过部分自动化恢复流程来减少对社会层的依赖，例如客户端自动拒绝长时间被审查的交易或异常链头。

提高法定人数阈值

将最终确认所需的支持比例从67%提高至80%可能带来更好的安全特性，使争议情况导致确认暂停而非错误方获胜。这也增强了独立验证者在阻止恶意攻击中的作用。

量子抗性研究

随着量子计算的发展，以太坊需要逐步替换依赖椭圆曲线的协议部分，开发基于哈希或其他抗量子技术的替代方案。