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

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,該提案為對Beacon Chain 的進一步升級,以進一步邁向以太坊最終願景。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。

雖為共識層的重新設計,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路。

為什麼提議Beam Chain?

以太坊有三個層級:執行層、blob 資料層、以及共識層。執行層是以太坊中處理交易和執行智慧合約的部分,直接管理應用的狀態和邏輯。 blob 資料層負責儲存大量數據,涉及應用所需的長期資料儲存。這兩層屬於直接和應用互動的層級,任何變更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路節點間的資料共識,不直接處理應用的狀態或資料。這種間接性使得它相對更容易引入創新和升級,不會對應用程式帶來直接影響。因此,像Beam Chain 提案這樣的共識層改進,能夠提供創新空間,而不會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,乘著突破的東風,對以太坊共識層進行一系列修復。

Beam Chain 計畫實現的目標

目標可以分為三個部分: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。

質押部分的目標為對目前的發行曲線進行改進、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 技術來證明資料或計算)為例,如果想要實現real time proving(即時證明),就必須在系統中做一些結構性調整,包括雜湊函數、簽名方式、以及序列化和默克爾化(Merkleization)等面向的改變。簽章方式需要能夠快速產生並完成驗證,並且需要序列化使得複雜的資料結構能夠在節點之間傳輸並存儲,並將序列化後的資料進行默克爾樹(Merkle Tree)處理,以此滿足零知識證明需要對資料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 的機制裡,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)、網路層(節點之間的通訊和資料傳遞) 、快取管理和效能最佳化則保持不變,不受到ZK 的影響。

Beam Chain 的實作程式碼(例如使用Go 或Rust 編寫的Beam Chain 的核心邏輯和共識演算法程式碼)需要做的工作就是將程式碼轉換為zkVM 能理解的格式。 Beam Chain 的實作程式碼被編譯為zkVM 的程式碼格式後,zkVM 可以執行這些程式碼,讀取區塊鏈外部輸入,驗證狀態轉換過程的合法性,並產生零知識證明。

zkVM 是一個執行零知識虛擬機器的環境,它能理解特定格式的程式碼,以便進行零知識證明的驗證。將程式碼編譯成zkVM 可執行的格式的這個過程可能包括將高層語言(如Go 或Rust)轉換為一個底層的、中間的格式(如RISC-V 指令集),然後在zkVM 中執行。

目前,RISC-V 已成為zkVM 的業界標準。目前有七家公司提供Risc-v zkVM。

Attestation snarkification

另一個使用到snark 的部分是聚合簽名(aggregatable signatures),即將多個驗證者和見證者(attesters)簽名的壓縮過程,把大量簽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簽章安全性(能抵禦量子攻擊),因此預計在這裡會使用雜湊函數。雜湊函數具備後量子安全級別,可以用它作為密碼學系統的基本組件或基礎模組來建構密碼學。使用hash-based snarks,可以將數以千計的簽名壓縮為一個proof。這就是後量子聚合簽章。而且,這種後量子聚合簽章是無限遞歸的,你可以不斷地疊加,將多個聚合簽章再度聚合,達到更高的壓縮效率,相較於傳統BLS 簽章聚合實現了極大的提升。

去幾個月裡,snark 化的哈希函數技術獲得了顯著提升,透過筆記型電腦就快速產生證明,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簽章方案在現實中變得更實用,為高效的、量子抗性的加密提供了可能。

不僅如此,snark 化後的Beam Chain 讓原本複雜的驗證、儲存、運算過程被壓縮,這使得一系列原本無法直接用於Beacon Chain 的如libp2p、ssz、pyspec、protocolguild 等基礎設施得以實現。

時間軸規劃

在時間軸的規劃上,Justin 計劃在2025 年制定規格,2026 年構建,並在2027 年進行測試。目前,有兩個團隊願意開發Beam Chain 共識客戶端,一家為來自印度的Zeam lambda,另一家為位於南美的Lambda。

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