Кіріспе: Тексеруге апаратын жол

Web3-тің негізгі артықшылығы - тексеру мүмкіндігі – пайдаланушылар жүйелердің қалай жұмыс істейтінін тексере алады. Бұл мүмкіндік криптовалюта индустриясының ішінде және одан тыс көптеген адамдардың web3-ті неғұрлым мөлдір және тексерілетін интернетке қадам ретінде сипаттайтынын түсіндіреді.

Алгоритмдер мен ережелер құжатталған кезде де бұлыңғыр болып қалатын Facebook немесе Instagram сияқты Web2 платформаларынан айырмашылығы, криптографиялық хаттамалар толық тексеруге арналған. Олар ортақ болса да, сізде платформаның көрсетілгендей жұмыс істейтінін тексеру мүмкіндігі жоқ. Бұл криптоға қарама-қайшы, мұнда әрбір хаттама мүмкіндігінше тексеруге болатындай етіп жасалған немесе, кем дегенде, ол күтілуде.

Бүгін біз Ethereum болашақта тексерілуге, тұрақтылыққа және масштабтауға қол жеткізуге бағытталған қадамдарын талдау үшін Виталиктің жақында жарияланған Ethereum болашағы туралы алты бөлімді сериясының бөлімін «The Verge» зерттейміз. «The Verge» айдарымен біз блокчейн архитектурасын қалай тексеруге болатынын, бұл өзгерістер хаттама деңгейінде қандай жаңалықтар әкелетінін және олар пайдаланушыларға қауіпсіз экожүйені қалай қамтамасыз ететінін талқылаймыз. Бастайық!

«Тексеру мүмкіндігі» нені білдіреді?

Web2 қолданбалары «қара жәшіктер» ретінде жұмыс істейді – пайдаланушылар қолданбаның шын мәнінде қалай жұмыс істейтінін көрмей, тек өздерінің кірістерін және нәтиже шығыстарын көре алады. Керісінше, криптовалюта хаттамалары әдетте өздерінің бастапқы кодын жалпыға қолжетімді етеді немесе кем дегенде мұны істеуді жоспарлайды. Бұл мөлдірлік екі мақсатқа қызмет етеді: ол пайдаланушыларға қалаған жағдайда хаттама кодымен тікелей әрекеттесу мүмкіндігін береді және жүйенің қалай жұмыс істейтінін және оны қандай ережелермен реттейтінін түсінуге көмектеседі.

«Қолыңыздан келгенді орталықсыздандырыңыз, қалғанын тексеріңіз».

Тексеру мүмкіндігі жүйелердің есеп беретініне кепілдік береді және көп жағдайда хаттамалардың мақсатына сай жұмыс істеуіне кепілдік береді. Бұл принцип орталықтандыруды барынша азайтудың маңыздылығын көрсетеді, өйткені ол көбінесе пайдаланушылар операцияларды тексере алмайтын ашық емес, есепсіз құрылымдарға әкеледі. Оның орнына, біз мүмкіндігінше орталықсыздандыруға және орталықсыздандыру мүмкін болмаған жағдайда қалған элементтерді тексерілетін және есеп беретін етуге тырысуымыз керек.

Ethereum қауымдастығы осы перспективаға сәйкес келетін сияқты, өйткені жол картасы Ethereum-ды тексеруге болатын етуге бағытталған маңызды кезеңді («The Verge» деп аталады) қамтиды. Дегенмен, The Verge-ге кірмес бұрын, біз блокчейндердің қандай аспектілерін тексеру керек екенін және пайдаланушылар тұрғысынан қай бөліктер маңызды екенін түсінуіміз керек.

Блокчейндер негізінен жаһандық сағаттар ретінде жұмыс істейді. Шамамен 10 000 компьютері бар бөлінген желіде транзакцияның бастапқы түйіннен барлық басқа түйіндерге таралуы үшін айтарлықтай уақыт қажет болуы мүмкін. Осы себепті желідегі түйіндер транзакциялардың нақты ретін анықтай алмайды (бірінің алдында немесе екіншісінен кейін келді), өйткені олардың тек жеке субъективті перспективалары бар.

Транзакциялардың реті маңызды болғандықтан, блокчейн желілері түйіндердің синхрондалғанын және транзакциялар ретін бірдей тәртіпте өңдеуін қамтамасыз ету үшін « консенсус алгоритмдері » деп аталатын арнайы әдістерді пайдаланады. Түйіндер транзакция тәртібін жаһандық деңгейде анықтай алмаса да, консенсус механизмдері барлық түйіндерге бір реттілікте келісу мүмкіндігін береді, бұл желіге бір, біртұтас компьютер ретінде жұмыс істеуге мүмкіндік береді.

Консенсус деңгейінен басқа, әрбір блокчейнде болатын орындау деңгейі де бар. Орындау деңгейі пайдаланушылар орындағысы келетін транзакциялар арқылы қалыптасады. Консенсус бойынша транзакциялар сәтті реттелгеннен кейін әрбір транзакция орындалу деңгейіндегі ағымдағы күйге қолданылуы керек. Егер сіз «Мемлекет деген не?» Деген сұрақ туындаса, сіз блокчейндерді дерекқорлармен салыстырғанда, дәлірек айтқанда, банктің дерекқорымен салыстырғанда көрген боларсыз, өйткені блокчейндер банктер сияқты барлығының теңгерімінің есебін жүргізеді.

Егер сізде біз «S» деп атайтын штатта 100 доллар болса және басқа біреуге 10 доллар жібергіңіз келсе, келесі күйдегі «S+1» теңгеріміңіз $90 болады. Бір күйден екінші күйге көшу үшін транзакцияларды қолданудың бұл процесі біз STF (күйге ауысу функциясы) деп атаймыз.

Bitcoin-де STF ең алдымен теңгерімдегі өзгерістермен шектеледі, бұл оны салыстырмалы түрде қарапайым етеді. Дегенмен, Bitcoin-ден айырмашылығы, Ethereum-ның STF әлдеқайда күрделі, өйткені Ethereum - кодты іске қосуға қабілетті орындау қабаты бар толық бағдарламаланатын блокчейн.

Блокчейнде сізге қажет немесе тексеруге болатын үш негізгі компонент бар:

1. Күй : Блокчейндегі деректер бөлігін оқығыңыз келуі мүмкін, бірақ толық түйінді іске қоспағандықтан күйге қол жеткізе алмайсыз. Сондықтан сіз деректерді Alchemy немесе Infura сияқты RPC (Қашықтан процедураны шақыру) провайдері арқылы сұрайсыз. Дегенмен, деректердің RPC провайдерімен бұрмаланбағанын тексеру керек.
2. Орындау : Жоғарыда айтылғандай, блокчейндер STF пайдаланады. Күйдің ауысуының әр транзакция негізінде емес, блок-блок негізінде дұрыс орындалғанын тексеру керек.
3. Консенсу : RPC сияқты үшінші тарап нысандары сізге блокчейнге әлі қосылмаған жарамды блоктарды ұсына алады. Осылайша, сіз бұл блоктардың консенсус арқылы қабылданғанын және блокчейнге қосылғанын тексеруіңіз керек.

I

Егер бұл түсініксіз немесе түсініксіз болып көрінсе, алаңдамаңыз. Біз осы аспектілердің әрқайсысын егжей-тегжейлі қарастырамыз. Блокчейн күйін қалай тексеруге болатынын бастайық!

Блокчейн күйін қалай тексеруге болады?

Ethereum «күйі» кез келген уақытта блокчейнде сақталған деректер жиынтығын білдіреді. Бұған шоттардың қалдықтары (келісімшарт шоттары және сыртқы иеліктегі шоттар немесе EOA), смарт келісімшарт коды, келісімшартты сақтау және т.б. кіреді. Ethereum - бұл күйге негізделген машина, себебі Ethereum виртуалды машинасында (EVM) өңделген транзакциялар алдыңғы күйді өзгертеді және жаңа күй жасайды.

Әрбір Ethereum блогында осы блоктан кейінгі желінің ағымдағы күйін қорытындылайтын мән бар: stateRoot . Бұл мән 64 таңбалы хэштен тұратын бүкіл Ethereum күйінің ықшам көрінісі болып табылады.

Әрбір жаңа транзакция күйді өзгерткенде, келесі блокта жазылған stateRoot сәйкесінше жаңартылады. Бұл мәнді есептеу үшін Ethereum валидаторлары күйдің әртүрлі бөліктерін ұйымдастыру және қорытындылау үшін Keccak хэш функциясы мен Merkle Tree деп аталатын деректер құрылымының тіркесімін пайдаланады.

Хэш функциялары - кірісті тұрақты ұзындықты шығысқа түрлендіретін бір жақты функциялар. Ethereum-да Keccak сияқты хэш функциялары деректердің қорытындыларын жасау үшін пайдаланылады, ол енгізу үшін саусақ ізінің бір түрі ретінде қызмет етеді. Хэш функцияларының төрт негізгі қасиеті бар:

1. Детерминизм : бірдей кіріс әрқашан бірдей нәтиже береді.
2. Бекітілген шығыс ұзындығы : Кіріс ұзындығына қарамастан, шығыс ұзындығы әрқашан бекітіледі.
3. Бір жақты қасиет : шығыстан бастапқы кірісті алу іс жүзінде мүмкін емес.
4. Бірегейлік : Кірістегі кішкене өзгерістің өзі мүлдем басқа нәтиже береді. Осылайша, нақты кіріс іс жүзінде бірегей шығысқа сәйкес келеді.

Осы қасиеттердің арқасында Ethereum валидаторлары әрбір блок үшін STF (күйге ауысу функциясы) орындай алады — блоктағы барлық транзакцияларды орындап, оларды күйге қолдана алады, содан кейін блокта көрсетілген күй STF кейін алынған күйге сәйкес келетінін тексере алады. . Бұл процесс блок ұсынушысының адал әрекет еткеніне кепілдік береді, бұл оны валидаторлардың негізгі міндеттерінің біріне айналдырады.

Дегенмен, Ethereum валидаторлары оның қорытындысын табу үшін бүкіл күйді тікелей хэштемейді. Хэш функцияларының бір жақты сипатына байланысты күйді тікелей хэштеу тексеру мүмкіндігін жояды, өйткені хэшті шығарудың жалғыз жолы бүкіл күйге ие болу еді.

Ethereum күйінің өлшемі терабайт болғандықтан, бүкіл күйді телефондар немесе дербес компьютерлер сияқты күнделікті құрылғыларда сақтау мүмкін емес. Осы себепті Ethereum күйдің тексерілуін мүмкіндігінше сақтай отырып, stateRoot есептеу үшін Merkle ағаш құрылымын пайдаланады.

Merkle ағашы - деректердің тұтастығы мен дұрыстығын қауіпсіз және тиімді тексеру үшін пайдаланылатын криптографиялық деректер құрылымы. Merkle ағаштары хэш функцияларына негізделген және деректер жиынының хэштерін иерархиялық түрде ұйымдастырады, бұл деректердің тұтастығы мен дұрыстығын тексеруге мүмкіндік береді. Бұл ағаш құрылымы түйіндердің үш түрінен тұрады:

1. Жапырақ түйіндері : Бұл түйіндер жеке деректер бөліктерінің хэштерін қамтиды және ағаштың төменгі деңгейінде орналасқан. Әрбір жапырақ түйіні Merkle ағашындағы деректердің белгілі бір бөлігінің хэшін көрсетеді.
2. Тармақ түйіндері : Бұл түйіндерде еншілес түйіндердің біріктірілген хэштері бар. Мысалы, екілік Merkle ағашында (мұнда N=2), екі еншілес түйіннің хэштері біріктіріліп, тармақтық түйіннің хэшін жоғарырақ деңгейде жасау үшін қайтадан хэштеледі.
3. Түбірлік түйін : Түбірлік түйін Merkle ағашының ең жоғарғы деңгейінде және бүкіл ағаштың криптографиялық қорытындысын көрсетеді. Бұл түйін ағаш ішіндегі барлық деректердің тұтастығын және дұрыстығын тексеру үшін пайдаланылады.

Егер сіз осындай ағашты қалай салуға болатынын білгіңіз келсе, ол екі қарапайым қадамды қамтиды:

• Жапырақ түйінін жасау : деректердің әрбір бөлігі хэш функциясы арқылы өңделеді және алынған хэштер жапырақ түйіндерін құрайды. Бұл түйіндер ағаштың ең төменгі батыс деңгейінде орналасады және деректердің криптографиялық жиынын көрсетеді.

• Біріктіру және хэштеу : Жапырақ түйіндерінің хэштері топтастырылады (мысалы, жұппен) және біріктіріледі, содан кейін хэштеу. Бұл процесс келесі деңгейде тармақ түйіндерін жасайды. Бір ғана хэш қалғанша бірдей процесс тармақтық түйіндер үшін қайталанады.

Ағаштың жоғарғы жағында алынған соңғы хэш Merkle түбірі деп аталады. Merkle Root бүкіл ағаштың криптографиялық қорытындысын білдіреді және деректер тұтастығын қауіпсіз тексеруге мүмкіндік береді.

Ethereum күйін тексеру үшін Merkle тамырын қалай пайдаланамыз?

Merkle дәлелдері мақсатты деректерден (жапырақ түйіні) блок тақырыбында сақталған Merkle Root жолына жол жасайтын хэш мәндерінің қатарын қамтамасыз ету арқылы Тексерушіге нақты деректер бөліктерін тиімді тексеруге мүмкіндік береді. Бұл аралық хэштер тізбегі Тексерушіге бүкіл күйді хэштеуді қажет етпестен деректердің түпнұсқалығын растауға мүмкіндік береді.

Арнайы деректер нүктесінен бастап, Тексеру құралы оны Merkle Proof-те берілген әрбір "аға" хэшімен біріктіреді және оларды ағашқа қадам сайын хэштейді. Бұл процесс бір хэш жасалғанша жалғасады. Егер бұл есептелген хэш сақталған Merkle Root мәніне сәйкес келсе, деректер жарамды болып саналады; әйтпесе, Тексеруші деректердің мәлімделген күйге сәйкес келмейтінін анықтай алады.

Мысал: Merkle дәлелімен деректер нүктесін тексеру

Біз RPC-тен №4 деректерді алдық және Merkle Proof көмегімен оның түпнұсқалығын тексергіміз келеді делік. Мұны істеу үшін RPC Merkle Root-ке жету үшін қажетті жол бойындағы хэш мәндерінің жинағын қамтамасыз етеді. Деректер 4 үшін бұл бауырлас хэштерге #3 хэш, #12 хэш және #5678 хэш кіреді.

1. 4-деректерден бастаңыз : Біріншіден, №4 хэшті алу үшін №4 деректерді хэштейміз.
2. Ағайындылармен біріктіру : Содан кейін біз №4 хэшті №3 хэшпен (оның жапырақ деңгейіндегі інісі) біріктіріп, №34 хэшті шығару үшін оларды біріктіреміз.
3. Ағашты жоғары жылжыту : Әрі қарай, біз №34 хэшті алып, оны №12 хэшпен (оның келесі деңгейдегі жоғарыдағы ағасы) біріктіреміз және №1234 хэшті алу үшін оларды хэштейміз.
4. Қорытынды қадам : Соңында, біз №1234 хэшті №5678 хэшпен (берілген соңғы бауырлас) біріктіреміз және оларды бірге хэштейміз. Алынған хэш блок тақырыбында сақталған Merkle Root (Хэш №12345678) сәйкес келуі керек.

Есептелген Merkle Root блоктағы күй түбіріне сәйкес келсе, №4 деректердің осы күйде шынымен жарамды екенін растаймыз. Әйтпесе, деректердің мәлімделген күйге жатпайтынын білеміз, бұл ықтимал бұрмалауды көрсетеді. Көріп отырғаныңыздай, барлық деректердің хэштерін бермей немесе Тексерушіден бүкіл Merkle ағашын нөлден қайта құруды талап етпей-ақ, Провер №4 деректер штатта бар екенін және оның саяхат кезінде өзгертілмегенін дәлелдей алады - бар болғаны үш деректерді пайдалана отырып. хэштер. Бұл Merkle Proofs тиімді деп есептелуінің негізгі себебі.

Merkle Trees Ethereum сияқты үлкен блокчейн жүйелерінде қауіпсіз және тиімді деректерді тексеруді қамтамасыз етуде тиімді болғанымен, олар шынымен жеткілікті тиімді ме? Бұған жауап беру үшін Merkle Tree өнімділігі мен өлшемі Prover-Verifier қатынасына қалай әсер ететінін талдауымыз керек.

Merkle ағашының өнімділігіне әсер ететін екі негізгі фактор

1. Тармақталу Факто r: Бір тармақтағы еншілес түйіндердің саны.
2. Жалпы деректер өлшемі : Ағашта көрсетілген деректер жиынының өлшемі.

Тармақталу факторының әсері:

Оның әсерін жақсырақ түсіну үшін мысал келтірейік. Тармақталу факторы ағаштың әрбір түйінінен қанша бұтақ шығатынын анықтайды.

• Кіші тармақталу факторы (мысалы, екілік Merkle ағашы) : екілік Merkle ағашы (2 тармақталу коэффициенті) пайдаланылса, дәлелдеу өлшемі өте аз болады, бұл Тексеруші үшін тексеру процесін тиімдірек етеді. Әрбір түйінде тек екі тармақ бар, Тексерушіге әр деңгейде бір ғана бауырлас хэшті өңдеу қажет. Бұл тексеруді жылдамдатады және есептеу жүктемесін азайтады. Дегенмен, қысқартылған тармақталу факторы ағаштың биіктігін арттырады, ағаш салу кезінде көбірек хэшинг операцияларын талап етеді, бұл валидаторлар үшін ауыртпалық болуы мүмкін.
• Үлкенірек тармақталу факторы (мысалы, 4) : Үлкенірек тармақталу факторы (мысалы, 4) ағаштың биіктігін азайтып, қысқарақ және кеңірек құрылымды жасайды. Бұл Толық түйіндерге ағашты тезірек құруға мүмкіндік береді, өйткені хэш операциялары аз қажет. Дегенмен, Тексеру құралы үшін бұл әр деңгейде өңдеуі тиіс бауырлас хэштердің санын көбейтеді, бұл үлкенірек дәлелдеу өлшеміне әкеледі. Тексеру қадамына көбірек хэштер тексеруші үшін жоғары есептеу және өткізу қабілеттілігі шығындарын білдіреді, бұл жүктемені валидаторлардан тексерушілерге тиімді ауыстырады.

Жалпы деректер көлемінің әсері

Ethereum блокчейні өскен сайын, деректер жиынына әрбір жаңа транзакция, келісім-шарт немесе пайдаланушының өзара әрекеттесуі қосылғанда, Merkle Tree де кеңеюі керек. Бұл өсу ағаштың өлшемін ұлғайтып қана қоймайды, сонымен қатар дәлелдеу өлшеміне және тексеру уақытына әсер етеді.

• Толық түйіндер Merkle ағашын қолдау үшін өсіп келе жатқан деректер жинағын жүйелі түрде өңдеуі және жаңартуы керек.
• Тексерушілер, өз кезегінде, қосымша өңдеу уақытын және өткізу қабілеттілігін қажет ететін деректер жиынтығы өскен сайын ұзағырақ және күрделі дәлелдемелерді тексеруі керек.

Бұл өсіп келе жатқан деректер өлшемі Толық түйіндерге де, тексерушілерге де сұранысты арттырады, бұл желіні тиімді масштабтауды қиындатады. Қорытындылай келе, Merkle Trees тиімділік дәрежесін ұсынса да, олар Ethereum-ның үздіксіз өсіп келе жатқан деректер жиынтығы үшін оңтайлы шешім бола алмайды. Осы себепті, The Verge кезеңінде Ethereum Merkle Trees-ті Verkle Trees деп аталатын тиімді құрылыммен ауыстыруды мақсат етеді. Verkle Trees қауіпсіздіктің бірдей деңгейін сақтай отырып, кішірек дәлелдеу өлшемдерін жеткізу мүмкіндігіне ие, бұл тексеру процесін Provers және Verifiers үшін тұрақтырақ және ауқымды етеді.

The Verge: Ethereum-да тексеру мүмкіндігін өзгерту

Verge тексеру мүмкіндігін жақсартуға, блокчейннің орталықтандырылмаған құрылымын нығайтуға және желі қауіпсіздігін арттыруға бағытталған Ethereum жол картасының маңызды кезеңі ретінде әзірленді. Ethereum желісінің негізгі мақсаттарының бірі - кез келген адамға тізбекті тексеру үшін валидаторды оңай іске қосуға мүмкіндік беру, орталықтандырусыз қатысу барлығына ашық болатын құрылымды құру.

Бұл тексеру процесінің қолжетімділігі блокчейндерді орталықтандырылған жүйелерден ерекшелендіретін негізгі белгілердің бірі болып табылады. Орталықтандырылған жүйелер тексеру мүмкіндіктерін ұсынбаса да, блокчейннің дұрыстығы оның пайдаланушыларының қолында. Дегенмен, бұл сенімді сақтау үшін валидаторды іске қосу барлығына қолжетімді болуы керек — бұл ағымдағы жүйеде сақтау және есептеу талаптарына байланысты шектелген қиындық.

The Merge көмегімен Proof-of-Stake консенсус үлгісіне ауысқаннан бері Ethereum валидаторларының екі негізгі міндеті болды:

1. Консенсусты қамтамасыз ету : ықтималдық және детерминирленген консенсус протоколдарының дұрыс жұмыс істеуін қолдау және шанышқы таңдау алгоритмін қолдану.
2. Блоктың дәлдігін тексеру : Блоктағы транзакцияларды орындағаннан кейін, нәтиже күй ағашының түбірінің ұсыныс беруші жариялаған күй түбіріне сәйкес келетінін тексеру.

Екінші жауапкершілікті орындау үшін валидаторлардың блокқа дейін күйге рұқсаты болуы керек. Бұл оларға блоктың транзакцияларын орындауға және кейінгі күйді шығаруға мүмкіндік береді. Дегенмен, бұл талап валидаторларға үлкен салмақ түсіреді, өйткені олар маңызды сақтау талаптарын орындауы керек.

Ethereum мүмкін болатындай етіп жасалғанымен және сақтау шығындары жаһандық деңгейде азайып келе жатқанымен, мәселе құн туралы азырақ және валидаторларға арналған арнайы жабдыққа тәуелділікте. Verge бұл қиындықты толық тексеруді ұялы телефондар, браузер әмияндары және тіпті смарт сағаттар сияқты жады шектеулі құрылғыларда да орындауға болатын инфрақұрылымды құру арқылы еңсеруді мақсат етеді, бұл валидаторлардың осы құрылғыларда жұмыс істеуіне мүмкіндік береді.

Тексеру мүмкіндігіне қол жеткізудің бірінші қадамы: тиімді мемлекеттік тексеру

Verkle Tree s түріне көшу - бұл процестің негізгі бөлігі. Бастапқыда The Verge Ethereum Merkle Tree құрылымдарын Verkle Trees-пен ауыстыруға назар аударды. Verkle Trees-ті қабылдаудың негізгі себебі - Merkle Trees Ethereum-тің тексерілуіне айтарлықтай кедергі келтіреді. Merkle Trees және олардың дәлелдері қалыпты сценарийлерде тиімді жұмыс істей алатынымен, ең нашар сценарийлерде олардың өнімділігі күрт төмендейді.

Виталиктің есептеулеріне сәйкес, дәлелдеменің орташа өлшемі шамамен 4 КБ құрайды, бұл басқаруға болатын сияқты. Дегенмен, ең нашар сценарийлерде дәлел өлшемі 330 Мбайтқа дейін көтерілуі мүмкін. Иә, сіз оны дұрыс оқыдыңыз — 330 МБ.

Ең нашар сценарийлердегі Ethereum Merkle ағаштарының өте тиімсіздігі екі негізгі себепке байланысты:

1. Hexary ағаштарын пайдалану : Ethereum қазіргі уақытта тармақталу коэффициенті 16 болатын Merkle ағаштарын пайдаланады. Бұл бір түйінді тексеру үшін филиалда қалған 15 хэшті қамтамасыз ету қажет дегенді білдіреді. Ethereum күйінің өлшемін және филиалдар санын ескере отырып, бұл ең нашар сценарийлерде айтарлықтай ауыртпалық тудырады.

2. Кодтың меркелизацияланбауы : шарт кодын ағаш құрылымына қосудың орнына, Ethereum жай ғана кодты хэштейді және алынған мәнді түйін ретінде пайдаланады. Келісімшарттың максималды өлшемі 24 КБ болатынын ескерсек, бұл тәсіл толық тексерілуге қол жеткізу үшін айтарлықтай жүктемені жүктейді.

Дәлелдеу өлшемі тармақталу факторына тура пропорционал. Тармақталған факторды азайту дәлелдеу өлшемін азайтады. Осы мәселелерді шешу және ең нашар сценарийлерді жақсарту үшін Ethereum Hexary Trees-тен Binary Merkle Trees -ке ауысып, келісімшарт кодтарын мерклизациялауды бастауы мүмкін. Ethereum-дағы тармақталу коэффициенті 16-дан 2-ге дейін азайса және келісімшарт кодтары да мерклизацияланса, дәлелдеменің максималды өлшемі 10 МБ дейін кішірейуі мүмкін.

Бұл айтарлықтай жақсарту болғанымен, бұл шығын деректердің тек бір бөлігін тексеруге қолданылатынын ескеру маңызды. Тіпті бірнеше деректер бөлігіне қол жеткізетін қарапайым транзакция үлкенірек дәлелдемелерді қажет етеді. Бір блокқа шаққандағы транзакциялар санын және Ethereum-ның үздіксіз өсіп келе жатқан күйін ескере отырып, бұл шешім жақсырақ болғанымен, әлі де толығымен мүмкін емес.

Осы себептерге байланысты Ethereum қауымдастығы мәселені шешудің екі түрлі шешімін ұсынды:

1. Веркле ағаштары
2. STARK дәлелдері + екілік Merkle ағаштары

Verkle ағаштары және векторлық міндеттемелер

Verkle Tree s, аты айтып тұрғандай, Merkle Trees -ге ұқсас ағаш құрылымдары. Дегенмен, ең маңызды айырмашылық тексеру процестері кезінде ұсынатын тиімділікте. Merkle Trees жүйесінде, егер тармақта 16 деректер бөлігі болса және біз олардың біреуін ғана тексергіміз келсе, қалған 15 бөлікті қамтитын хэш тізбегі де қамтамасыз етілуі керек. Бұл тексерудің есептеу ауыртпалығын айтарлықтай арттырады және үлкен дәлелдеу өлшемдеріне әкеледі.

Керісінше, Verkle Trees « Элиптикалық қисыққа негізделген векторлық міндеттемелер » деп аталатын арнайы құрылымды, дәлірек айтқанда, I nner Product Argument (IPA) негізіндегі векторлық міндеттемені пайдаланады. Вектор негізінен белгілі бір ретпен ұйымдастырылған деректер элементтерінің тізімі болып табылады. Ethereum күйін вектор ретінде қарастыруға болады: көптеген деректер бөліктері белгілі бір тәртіпте сақталады, әрбір элемент шешуші болады. Бұл күй мекенжайлар, келісім-шарт кодтары және сақтау ақпараты сияқты әртүрлі деректер құрамдастарынан тұрады, мұнда осы элементтердің реті қол жеткізу және тексеруде маңызды рөл атқарады.

Векторлық міндеттемелер – деректер жиынындағы деректер элементтерін дәлелдеу және тексеру үшін қолданылатын криптографиялық әдістер. Бұл әдістер деректер жиынындағы әрбір элементтің бар болуы мен тәртібін бір уақытта тексеруге мүмкіндік береді. Мысалы, Merkle Trees-те қолданылатын Merkle Proofs , сонымен қатар Векторлық міндеттеменің нысаны ретінде қарастырылуы мүмкін. Merkle ағаштары элементті тексеру үшін барлық сәйкес хэш тізбектерін талап еткенімен, құрылым вектордың барлық элементтері белгілі бір ретпен қосылғанын дәлелдейді.

Merkle ағаштарынан айырмашылығы, Verkle Trees екі негізгі артықшылықты ұсынатын эллиптикалық қисыққа негізделген векторлық міндеттемелерді пайдаланады:

• Эллиптикалық қисыққа негізделген векторлық міндеттемелер тексерілетін деректерден басқа элементтердің мәліметтеріне қажеттілікті жояды . 16 тармақталу коэффициенті бар Merkle ағаштарында бір тармақты тексеру үшін қалған 15 хэшті қамтамасыз ету қажет. Көптеген тармақтарды қамтитын Ethereum күйінің үлкен өлшемін ескере отырып, бұл айтарлықтай тиімсіздікті тудырады. Эллиптикалық қисыққа негізделген векторлық міндеттемелер, алайда, бұл күрделілікті жояды, бұл аз деректер мен есептеу күшімен тексеруге мүмкіндік береді.
• Көп дәлелдер арқылы эллиптикалық қисыққа негізделген векторлық міндеттемелермен жасалған дәлелдемелерді бір, тұрақты өлшемді дәлелдеуге қысуға болады . Ethereum күйі үлкен ғана емес, сонымен қатар үздіксіз өсіп келеді, яғни Merkle Root-ке қол жеткізу үшін тексеруді қажет ететін филиалдар саны уақыт өте келе артады. Дегенмен, Verkle Trees көмегімен біз Данкрад Фейст мақаласында егжей-тегжейлі сипатталған әдісті қолдана отырып, әрбір тармақтың дәлелдерін бір тұрақты өлшемді дәлелдеуге «сығуға» болады. Бұл тексерушілерге әрбір тармақты жеке тексерудің орнына бір шағын дәлелмен бүкіл ағашты тексеруге мүмкіндік береді. Бұл сонымен қатар Verkle Trees Ethereum күйінің өсуіне әсер етпейтінін білдіреді.

Эллиптикалық қисыққа негізделген векторлық міндеттемелердің бұл мүмкіндіктері Verkle Trees-ке ең нашар сценарийлерде де шағын, тұрақты өлшемді дәлелдер шығаруға мүмкіндік беретін тексеруге қажетті деректер көлемін айтарлықтай азайтады. Бұл Ethereum сияқты кең ауқымды желілердің тиімділігін арттыра отырып, деректердің үстеме шығындары мен тексеру уақыттарын азайтады. Нәтижесінде, Verkle Trees-те эллиптикалық қисыққа негізделген векторлық міндеттемелерді пайдалану Ethereum кеңейетін күйін басқаруға және тиімдірек өңдеуге мүмкіндік береді.

Барлық инновациялар сияқты, Verkle ағаштарының да шектеулері бар. Олардың негізгі кемшіліктерінің бірі - олар кванттық компьютерлерге осал эллиптикалық қисық криптографияға сүйенеді. Кванттық компьютерлер классикалық әдістерге қарағанда әлдеқайда үлкен есептеу қуатына ие, бұл эллиптикалық қисық негізіндегі криптографиялық хаттамаларға айтарлықтай қауіп төндіреді. Кванттық алгоритмдер бұл криптографиялық жүйелерді бұзуы немесе әлсіретуі мүмкін, бұл Verkle Trees-тің ұзақ мерзімді қауіпсіздігіне қатысты алаңдаушылық тудырады.

Осы себепті, Verkle Trees азаматтығы жоқтыққа қатысты перспективалық шешім ұсынса да, олар түпкілікті түзету емес. Дегенмен, Данкрад Фейст сияқты қайраткерлер Ethereum-ға кванттық төзімді криптографияны біріктіру кезінде мұқият қарастыру қажет екенін атап өтті, бірақ қазіргі уақытта Ethereum-да блобтар үшін қолданылатын KZG міндеттемелері де кванттық төзімді емес екенін атап өткен жөн. Осылайша, Verkle Trees аралық шешім ретінде қызмет ете алады, бұл желіге неғұрлым сенімді баламаларды әзірлеу үшін қосымша уақыт береді.

STARK дәлелдері + екілік Merkle ағаштары

Verkle Trees Merkle Trees-пен салыстырғанда кішірек дәлелдеу өлшемдерін және тиімді тексеру процестерін ұсынады, бұл Ethereum-ның үнемі өсіп келе жатқан күйін басқаруды жеңілдетеді. Эллиптикалық қисыққа негізделген векторлық міндеттемелердің арқасында айтарлықтай аз деректермен ауқымды дәлелдемелерді жасауға болады. Дегенмен, олардың әсерлі артықшылықтарына қарамастан, Verkle Trees-тің кванттық компьютерлерге осалдығы оларды уақытша шешімге айналдырады.

Ethereum қауымдастығы Verkle Trees-ті уақытты сатып алудың қысқа мерзімді құралы ретінде қарастырғанымен, ұзақ мерзімді назар кванттық төзімді шешімдерге көшуге бағытталған. Дәл осы жерде STARK Proof және Binary Merkle Trees болашақ үшін сенімдірек тексеру инфрақұрылымын құру үшін күшті балама ұсынады.

Ethereum күйін тексеру процесінде Merkle ағаштарының тармақталу коэффициентін Binary Merkle Trees пайдалану арқылы азайтуға болады (16-дан 2-ге дейін). Бұл өзгеріс дәлелдеу өлшемдерін азайту және тексеру процестерін тиімдірек ету үшін маңызды қадам болып табылады. Дегенмен, тіпті ең нашар сценарийде, дәлелдеу өлшемдері әлі де 10 МБ жетуі мүмкін, бұл айтарлықтай. Міне, осы үлкен екілік Merkle дәлелдерін 100-300 кБ дейін қысатын STARK Proof іске қосылады.

Бұл оңтайландыру әсіресе жеңіл клиенттерде немесе аппараттық құралдары шектеулі құрылғыларда валидаторлардың жұмыс істеу шектеулерін қарастырғанда өте маңызды, әсіресе мобильді жүктеп алу мен жүктеп салудың орташа ғаламдық жылдамдығы сәйкесінше шамамен 7,625 МБ/с және 1,5 МБ/с болатынын ескерсеңіз. Пайдаланушылар транзакцияларды толық күйге қол жеткізуді қажет етпей-ақ шағын, портативті дәлелдермен тексере алады, ал валидаторлар бүкіл күйді сақтамай блокты тексеру тапсырмаларын орындай алады.

Бұл екі жақты тиімділік тәсілі валидаторларға арналған өткізу қабілеттілігін де, сақтау талаптарын да азайтады, сонымен бірге тексеруді жылдамдатады, Ethereum-ның масштабтауға деген көзқарасын тікелей қолдайтын үш негізгі жақсарту.

STARK дәлелдеріндегі негізгі қиындықтар

1. Проверлерге арналған жоғары есептеу жүктемесі : STARK дәлелдемелерін жасау процесі есептеуді қарқынды, әсіресе провер жағында, операциялық шығындарды арттыруы мүмкін.
2. Шағын деректер дәлелдеріндегі тиімсіздік: STARK дәлелдері үлкен деректер жиынын өңдеуде жақсы болғанымен, деректердің шағын көлемін дәлелдеу кезінде олардың тиімділігі аз болады, бұл олардың белгілі сценарийлерде қолданылуына кедергі келтіруі мүмкін. Кішігірім қадамдарды немесе деректер жиынын қамтитын бағдарламалармен жұмыс істегенде, STARK деректерінің салыстырмалы түрде үлкен өлшемі оларды практикалық немесе үнемді етеді.

Кванттық қауіпсіздік құны бар: Prover-Side есептеу жүктемесі

Блоктың Merkle дәлелі шамамен 330 000 хэшті қамтуы мүмкін, ал ең нашар сценарийлерде бұл сан 660 000 дейін көтерілуі мүмкін. Мұндай жағдайларда STARK дәлелі секундына шамамен 200 000 хэшті өңдеуі керек. Міне, осы жүктемені азайту үшін STARK дәлелдері үшін арнайы оңтайландырылған Poseidon сияқты zk-ға ыңғайлы хэш функциялары ойнайды.

Poseidon SHA256 және Keccak сияқты дәстүрлі хэш алгоритмдерімен салыстырғанда ZK-дәлелдермен біркелкі жұмыс істеуге арналған. Бұл үйлесімділіктің негізгі себебі дәстүрлі хэш алгоритмдерінің жұмыс істеу жолында жатыр: олар кірістерді екілік деректер ретінде өңдейді (0 және 1).

Екінші жағынан, ZK-дәлелдер негізгі өрістермен, түбегейлі әртүрлі математикалық құрылымдармен жұмыс істейді. Бұл жағдай екілік жүйеде жұмыс істейтін компьютерлерге ұқсас, ал адамдар күнделікті өмірде ондық жүйені пайдаланады. Бит негізіндегі деректерді ZK-үйлесімді пішімдерге аудару айтарлықтай есептеу шығындарын қамтиды. Poseidon бұл мәселені ZK-дәлелдермен біріктіруді күрт жеделдете отырып, қарапайым өрістерде жұмыс істеу арқылы шешеді.

Дегенмен, Poseidon салыстырмалы түрде жаңа хэш-функция болғандықтан, SHA256 және Keccak сияқты дәстүрлі хэш функцияларымен бірдей сенімділік деңгейін орнату үшін қауіпсіздіктің кеңірек талдауын қажет етеді. Осы мақсатта Ethereum Foundation бастаған Poseidon Cryptanalysis Initiative сияқты бастамалар сарапшыларды Poseidon қауіпсіздігін қатаң сынауға және талдауға шақырады, бұл оның қарсыластық бақылауына төтеп бере алатынын және криптографиялық қосымшалар үшін сенімді стандарт болуын қамтамасыз етеді. Екінші жағынан, SHA256 және Keccak сияқты ескі функциялар қазірдің өзінде кеңінен сыналған және дәлелденген қауіпсіздік тәжірибесіне ие, бірақ ZK-ға қолайлы емес, бұл STARK дәлелдерімен пайдаланған кезде өнімділіктің төмендеуіне әкеледі.

Мысалы, осы дәстүрлі хэш функцияларын пайдаланатын STARK дәлелдері қазіргі уақытта тек 10 000 - 30 000 хэшті өңдей алады. Бақытымызға орай, STARK технологиясындағы жетістіктер бұл өткізу қабілеттілігі жақын арада 100 000-нан 200 000 хэшке дейін ұлғайып, олардың тиімділігін айтарлықтай арттырады деп болжайды.

Шағын деректерді дәлелдеудегі STARK-тің тиімсіздігі

STARK дәлелдері үлкен деректер жиыны үшін ауқымдылық пен ашықтықта жоғары болса да, олар шағын және көптеген деректер элементтерімен жұмыс істеу кезінде шектеулерді көрсетеді. Бұл сценарийлерде дәлелденетін деректер жиі аз, бірақ бірнеше дәлелдеуге қажеттілік өзгеріссіз қалады. Мысалдар мыналарды қамтиды:

1. AA транзакциясынан кейінгі тексеру : Есептік жазбаны абстракциялау (AA) көмегімен әмияндар Ethereum-да қазіргі уақытта міндетті болып табылатын беймәлім және қолтаңбаны тексеру сияқты қадамдарды айналып өтіп немесе реттей отырып, келісімшарт кодын көрсете алады. Дегенмен, валидациядағы бұл икемділік транзакцияның жарамдылығын дәлелдеу үшін шарт кодын немесе штаттағы басқа байланысты деректерді тексеруді талап етеді.
2. Жеңіл клиенттің RPC қоңыраулары : Жеңіл тұтынушылар желіден күй деректерін (мысалы, eth_call сұрауы кезінде) толық түйінді іске қоспай-ақ сұрайды. Бұл күйдің дұрыстығына кепілдік беру үшін дәлелдер сұралған деректерді қолдауы және оның желінің ағымдағы күйіне сәйкестігін растауы керек.
3. Қосу тізімдері : Кішігірім валидаторлар қуатты блок өндірушілердің әсерін шектей отырып, транзакциялардың келесі блокқа қосылуын қамтамасыз ету үшін қосу тізімі механизмдерін пайдалана алады. Дегенмен, бұл транзакциялардың қосылуын растау олардың дұрыстығын тексеруді талап етеді.

Мұндай пайдалану жағдайында STARK дәлелдері аз артықшылық береді. STARKs масштабтауға ерекше мән береді (атындағы «S» әрпімен ерекшеленген) үлкен деректер жиындары үшін жақсы жұмыс істейді, бірақ шағын деректер сценарийлерімен күреседі. Керісінше, ықшамдық үшін жасалған SNARKs (олардың атауындағы «S» әрпі атап өткендей) өткізу қабілеттілігі немесе сақтау шектеулері бар орталарда айқын артықшылықтарды ұсына отырып, дәлелдеу өлшемін азайтуға бағытталған.

STARK дәлелдерінің өлшемі әдетте 40–50 КБ болады, бұл SNARK дәлелдерінен шамамен 175 есе үлкен , небәрі 288 байт . Бұл өлшем айырмашылығы тексеру уақытын да, желі шығындарын да арттырады. STARK-тің үлкен дәлелдемелерінің негізгі себебі - шағын деректер сценарийлерінде өнімділік шығындарын енгізетін ауқымдылықты қамтамасыз ету үшін олардың мөлдірлік пен полиномдық міндеттемелерге сенуі. Мұндай жағдайларда Merkle Proofs сияқты жылдамырақ және кеңістікті үнемдейтін әдістер практикалық болуы мүмкін. Merkle Proofs төмен есептеу шығындарын және жылдам жаңартуларды ұсынады, бұл оларды осы жағдайларға қолайлы етеді.

Кестеде жинақталғандай, Ethereum таңдауға болатын төрт ықтимал жолға ие:

Веркле ағаштары

1. Verkle Trees Ethereum қауымдастығынан кең қолдауға ие болды, олардың дамуын жеңілдету үшін екі апта сайынғы кездесулер өткізіледі. Осы дәйекті жұмыс пен тестілеудің арқасында Verkle Trees қазіргі баламалардың ішінде ең жетілген және жақсы зерттелген шешім ретінде ерекшеленеді. Сонымен қатар, олардың аддитивтік гомоморфты қасиеттері Merkle Trees-тен айырмашылығы, күй түбірін жаңарту үшін әрбір тармақты қайта есептеу қажеттілігін жояды, бұл Verkle Trees-ті тиімдірек етеді. Басқа шешімдермен салыстырғанда, Verkle Trees «қарапайым болыңыз» немесе «қарапайым - ең жақсысы» сияқты инженерлік принциптерді ұстана отырып, қарапайымдылыққа баса назар аударады. Бұл қарапайымдылық Ethereum интеграциясын да, қауіпсіздікті талдауды да жеңілдетеді.

2. Дегенмен, Verkle Trees кванттық қауіпсіз емес, бұл олардың ұзақ мерзімді шешім болуына кедергі келтіреді. Ethereum-ға біріктірілген болса, бұл технологияны болашақта кванттық төзімді шешімдер қажет болғанда ауыстыру қажет болуы мүмкін. Тіпті Виталик Веркле ағаштарын STARK және басқа технологиялардың жетілуі үшін уақытты сатып алудың уақытша шарасы ретінде қарастырады. Сонымен қатар, Verkle Trees-те қолданылатын эллиптикалық қисыққа негізделген векторлық міндеттемелер қарапайым хэш функцияларымен салыстырғанда жоғары есептеу жүктемесін жүктейді. Хэшке негізделген тәсілдер толық түйіндер үшін жылдамырақ синхрондау уақытын ұсына алады. Сонымен қатар, көптеген 256 биттік операцияларға тәуелділік Verkle Trees-ті заманауи дәлелдеу жүйелерінде SNARK пайдалануды дәлелдеуді қиындатады, бұл дәлелдеу өлшемдерін азайту бойынша болашақ әрекеттерді қиындатады.

   
   

Дегенмен, Веркле ағаштары хэшингке тәуелді емес болғандықтан, Merkle ағаштарына қарағанда айтарлықтай дәлелденетінін атап өту маңызды.

STARKs + Консервативті хэш функциялары

1. STARK-ті SHA256 немесе BLAKE сияқты қалыптасқан консервативті хэш-функцияларымен біріктіру Ethereum қауіпсіздік инфрақұрылымын күшейтетін сенімді шешімді ұсынады. Бұл хэш-функциялар академиялық және практикалық салаларда кеңінен қолданылған және кеңінен сыналған. Сонымен қатар, олардың кванттық кедергісі Ethereum-ның кванттық компьютерлер тудыратын болашақ қауіптерге төзімділігін арттырады. Қауіпсіздік маңызды сценарийлер үшін бұл комбинация сенімді негізді ұсынады.

2. Дегенмен, STARK жүйелерінде консервативті хэш-функцияларды пайдалану өнімділікке айтарлықтай шектеулер енгізеді. Осы хэш-функциялардың есептеу талаптары дәлелдеудің жоғары кідірісіне әкеледі, дәлелді құру 10 секундтан астам уақыт алады. Бұл үлкен кемшілік, әсіресе төмен кідірісті талап ететін блокты тексеру сияқты сценарийлерде. Көп өлшемді газ ұсыныстары сияқты күш-жігер ең нашар және орташа кідірістерді теңестіруге тырысқанымен, нәтижелер шектеулі. Сонымен қатар, хэш негізіндегі тәсілдер жылдамырақ синхрондау уақыттарын жеңілдететін болса да, олардың тиімділігі STARK-тің кеңірек масштабтау мақсаттарына сәйкес келмеуі мүмкін. Дәстүрлі хэш-функциялардың ұзақ есептеу уақыты практикалық тиімділікті төмендетеді және олардың қолданылуын шектейді.

   STARKs + салыстырмалы жаңа хэш функциялары

• STARK жаңа буындағы STARK-қа қолайлы хэш функцияларымен (мысалы, Poseidon) біріктірілген бұл технологияның өнімділігін айтарлықтай жақсартады. Бұл хэш-функциялар STARK жүйелерімен үздіксіз біріктіруге және провердің кешігуін күрт азайтуға арналған. Дәстүрлі хэш-функциялардан айырмашылығы, олар 1-2 секунд ішінде дәлелдемелерді жасауға мүмкіндік береді. Олардың тиімділігі мен төмен есептеу шығындары STARK-тің масштабтау әлеуетін арттырады, бұл оларды үлкен деректер жиынын өңдеу үшін жоғары тиімді етеді. Бұл мүмкіндік оларды жоғары өнімділікті қажет ететін қолданбалар үшін әсіресе тартымды етеді.

• Дегенмен, бұл хэш-функциялардың салыстырмалы жаңалығы қауіпсіздікті талдау мен тестілеуді қажет етеді. Кешенді тестілеудің болмауы оларды Ethereum сияқты маңызды экожүйелерде енгізуді қарастырған кезде тәуекелдерді тудырады. Бұған қоса, бұл хэш-функциялар әлі кеңінен қабылданбағандықтан, талап етілетін тестілеу және валидация процестері Ethereum-ның тексерілу мақсаттарын кешіктіруі мүмкін. Олардың қауіпсіздігін толық қамтамасыз ету үшін қажет уақыт қысқа мерзімді перспективада бұл опцияны тартымды ете алмайды, бұл Ethereum-ның ауқымдылығы мен тексерілу амбицияларын кейінге қалдыруы мүмкін.

  Торға негізделген Merkle ағаштары

1. Торға негізделген Merkle ағаштары кванттық қауіпсіздікті Verkle Trees жаңарту тиімділігімен біріктіретін болашақты ойлайтын шешімді ұсынады. Бұл құрылымдар Verkle Trees және STARK-тің әлсіз жақтарын қарастырады және перспективалы ұзақ мерзімді нұсқа болып саналады. Торға негізделген дизайнымен олар кванттық есептеу қауіптеріне күшті қарсылықты қамтамасыз етеді, бұл Ethereum-ның оның экожүйесін болашақта қорғауға бағытталғанына сәйкес келеді. Сонымен қатар, Verkle Trees жаңарту мүмкіндіктерін сақтай отырып, олар тиімділікті жоғалтпай күшейтілген қауіпсіздікті қамтамасыз етуге бағытталған.
2. Дегенмен, торға негізделген Merkle ағаштары бойынша зерттеулер әлі де бастапқы кезеңдерінде және негізінен теориялық. Бұл олардың практикалық орындалуы мен орындалуына қатысты елеулі белгісіздік тудырады. Мұндай шешімді Ethereum-ға біріктіру кең ауқымды зерттеулер мен әзірлемелерді, сондай-ақ оның әлеуетті артықшылықтарын растау үшін қатаң тестілеуді қажет етеді. Бұл белгісіздік пен инфрақұрылымдық күрделіліктер торға негізделген Merkle ағаштарын жақын болашақта Ethereum үшін мүмкін болатын таңдау болуы екіталай етеді, бұл желінің тексеру мақсаттарына жетуді кешіктіруі мүмкін.

Орындау туралы не айтасыз: EVM орындауының жарамдылық дәлелдері

Біз осы уақытқа дейін талқылағанның бәрі валидаторлардың бір күйден келесі күйге өту үшін пайдаланатын алдыңғы күйді сақтау қажеттілігін жоюға бағытталған. Мақсат - валидаторлар терабайттық күй деректерін сақтамай өз міндеттерін орындай алатын орталықтандырылмаған ортаны құру.

Тіпті біз айтқан шешімдердің өзінде валидаторларға бүкіл күйді сақтаудың қажеті жоқ, өйткені олар орындау үшін қажетті барлық деректерді блокқа қосылған куәгерлер арқылы алады. Дегенмен, келесі күйге өту үшін және осылайша блоктың жоғарғы жағындағы stateRoot-ті тексеру үшін - валидаторлар STF-ны әлі де өздері орындауы керек. Бұл талап, өз кезегінде, Ethereum рұқсатсыз табиғаты мен орталықсыздандыруға тағы бір қиындық тудырады.

Бастапқыда The Verge мемлекеттік тексеруді жақсарту үшін тек Ethereum күйінің ағашын Merkle Trees- тен Verkle Tree -ге ауыстыруға бағытталған маңызды кезең ретінде қарастырылды. Уақыт өте келе ол мемлекеттік ауысулар мен консенсустың тексерілу мүмкіндігін арттыруға бағытталған кеңірек бастамаға айналды. Мемлекет, Орындау және Консенсус үштігі толығымен тексерілетін әлемде Ethereum валидаторлары Light Client санатына жатқызуға болатын интернет қосылымы бар кез келген құрылғыда жұмыс істей алады. Бұл Ethereum-ды «шынайы орталықсыздандыру» туралы көзқарасына жетуге жақындатады.

Тағы да мәселенің анықтамасы қандай?

Жоғарыда айтқанымыздай, валидаторлар STF (күйге ауысу функциясы) деп аталатын функцияны әрбір 12 секунд сайын орындайды. Бұл функция алдыңғы күйді және блокты кіріс ретінде қабылдайды және келесі күйді шығыс ретінде шығарады. Тексерушілер бұл функцияны жаңа блок ұсынылған сайын орындауы және блоктың жоғарғы жағындағы күйді білдіретін хэштің (әдетте күй түбірі деп аталатын) дұрыс екенін тексеруі керек.

Валидатор болу үшін жоғары жүйелік талаптар, ең алдымен, осы процесті тиімді орындау қажеттілігінен туындайды.

Егер сіз ақылды тоңазытқышты - иә, тіпті тоңазытқышты - кейбір орнатылған бағдарламалық құралдың көмегімен Ethereum валидаторына айналдырғыңыз келсе, сіз екі негізгі кедергіге тап боласыз:

1. Сіздің тоңазытқышыңызда жеткілікті жылдам интернет болмауы мүмкін, яғни ол орындауға қажетті деректер мен дәлелдемелерді біз осы уақытқа дейін талқылаған мемлекеттік тексеру шешімдерімен де жүктей алмайды.

2. Егер ол STF үшін қажетті деректерге қол жеткізе алса да, оның орындауды басынан аяғына дейін орындауға немесе жаңа күй ағашын құруға қажетті есептеу қуаты болмайды.

   
   

Жеңіл клиенттердің алдыңғы күйге де, соңғы блоктың толық бөлігіне де қол жеткізе алмауынан туындаған мәселелерді шешу үшін The Verge ұсыныс берушіге орындауды орындауды, содан кейін блокқа дәлелді тіркеуді ұсынады. Бұл дәлел алдыңғы күй түбірінен келесі күй түбіріне өтуді, сондай-ақ блок хэшін қамтиды. Осының көмегімен Light Clients zk дәлелін қажет етпей-ақ үш 32 байт хэшті пайдаланып күйдің ауысуын тексере алады.

Дегенмен, бұл дәлел хэштер арқылы жұмыс істейтіндіктен, оны тек күйге көшуді растайды деп айту дұрыс емес. Керісінше, блокқа тіркелген дәлел бір уақытта бірнеше нәрсені растауы керек:

Алдыңғы блоктағы күй түбірі = S, келесі блоктағы күй түбірі = S + 1, блок хэш = H

1. Блоктың өзі жарамды болуы керек және оның ішіндегі күй дәлелі - Verkle Proof немесе STARKs - блокпен бірге келетін деректерді дәл тексеруі керек. Қысқаша айтқанда: блоктың валидациясы және ілеспе күй дәлелі .
2. STF орындауға қажетті деректер арқылы орындалғанда және H сәйкес блокқа енгізілгенде, күйінде өзгеруі керек деректер дұрыс жаңартылуы керек. Қысқаша айтқанда: күйге көшуді тексеру .
3. Жаңа күй ағашы дұрыс жаңартылған деректермен қайта жасалғанда, оның түбірлік мәні S + 1 сәйкес келуі керек. Қысқаша айтқанда: Ағаш құрылыс процесін тексеру .

Біз жоғарыда сілтеме жасаған Prover-Verifier ұқсастығында әдетте екі актер арасында есептеу тепе-теңдігі бар деп айтуға болады. STF бір уақытта бірнеше нәрсені растау үшін тексерілетін болуы үшін талап етілетін дәлелдемелердің мүмкіндігі Тексеруші үшін маңызды артықшылықтар береді, сонымен қатар орындаудың дұрыстығын қамтамасыз ету үшін мұндай дәлелдемелерді жасау Провер үшін салыстырмалы түрде қиын болатынын көрсетеді. Ethereum-ның ағымдағы жылдамдығымен Ethereum блогын 4 секунд ішінде дәлелдеу керек. Дегенмен, бізде бар ең жылдам EVM Prover тіпті орташа блокты шамамен 15 секундта ғана дәлелдей алады.[1]

Айтпақшы, бұл басты қиындықты жеңу үшін біз қабылдай алатын үш түрлі жол бар:

1. Дәлелдеу және жинақтаудағы параллелизация : ZK-дәлелдердің маңызды артықшылықтарының бірі олардың жинақталу мүмкіндігі болып табылады. Бірнеше дәлелдемелерді бір, ықшам дәлелдеуге біріктіру мүмкіндігі өңдеу уақыты тұрғысынан айтарлықтай тиімділікті қамтамасыз етеді. Бұл желідегі жүктемені азайтып қана қоймай, орталықтандырылмаған түрде тексеру процестерін жеделдетеді. Ethereum сияқты үлкен желі үшін ол әр блок үшін дәлелдемелерді тиімдірек жасауға мүмкіндік береді.

Дәлелдеуді генерациялау кезінде орындау процесінің әрбір шағын бөлігі (мысалы, есептеу қадамдары немесе деректерге қол жеткізу) жеке түрде дәлелденуі мүмкін және бұл дәлелдемелерді кейінірек бір құрылымға біріктіруге болады. Дұрыс механизммен бұл тәсіл блоктың дәлелдемелерін көптеген әртүрлі көздер (мысалы, жүздеген GPU) арқылы тез және орталықтандырылмаған түрде жасауға мүмкіндік береді. Бұл қатысушылардың кеңірек пулын тарту арқылы орталықсыздандыру мақсатына үлес қоса отырып, өнімділікті арттырады.

2. Оңтайландырылған дәлелдеу жүйелерін пайдалану : Жаңа буын дәлелдеу жүйелерінің Ethereum есептеу процестерін жылдамырақ және тиімдірек ету мүмкіндігі бар. Orion , Binius және GKR сияқты жетілдірілген жүйелер жалпы мақсаттағы есептеулер үшін провер уақытын айтарлықтай қысқарта алады. Бұл жүйелер қазіргі технологиялардың шектеулерін еңсеруге, ресурстарды аз тұтына отырып, өңдеу жылдамдығын арттыруға бағытталған. Ethereum сияқты масштабтауға және тиімділікке бағытталған желі үшін мұндай оңтайландырулар айтарлықтай артықшылық береді. Дегенмен, бұл жаңа жүйелерді толық енгізу экожүйеде кешенді тестілеуді және үйлесімділік әрекеттерін талап етеді.
3. Газ құнының өзгеруі : Тарихи түрде, Ethereum виртуалды машинасындағы (EVM) операцияларға арналған газ шығындары әдетте олардың есептеу шығындары негізінде анықталды. Дегенмен, бүгінде тағы бір метрика танымал болды: провер комплексі y. Кейбір операцияларды дәлелдеу салыстырмалы түрде оңай болғанымен, басқаларының құрылымы күрделірек және тексеруге ұзағырақ уақыт қажет. Газ шығындарын есептеу күшіне ғана емес, сонымен қатар операцияларды дәлелдеу қиындығына қарай реттеу желінің қауіпсіздігі мен тиімділігін арттыру үшін өте маңызды.

Бұл тәсіл ең нашар және орташа жағдай сценарийлері арасындағы алшақтықты азайтып, тұрақты өнімділікті қамтамасыз етеді. Мысалы, дәлелдеу қиынырақ операциялар газ шығындары жоғары болуы мүмкін, ал дәлелдеу оңайырақ операциялардың құны төмен болуы мүмкін. Сонымен қатар, Ethereum деректер құрылымдарын (мысалы, күй ағашы немесе транзакциялар тізімі ) STARK-қа қолайлы баламалармен ауыстыру дәлелдеу процестерін одан әрі жылдамдатуы мүмкін. Мұндай өзгертулер Ethereum-ға оның ауқымдылығы мен қауіпсіздік мақсаттарына қол жеткізуге көмектеседі, сонымен бірге оның тексерілу көрінісін шынайырақ етеді.

Ethereum-тің орындалу дәлелдерін қосу әрекеттері оның растау мақсаттарына жету үшін маңызды мүмкіндік болып табылады. Дегенмен, бұл мақсатқа жету тек техникалық жаңалықтарды ғана емес, сонымен қатар инженерлік күш-жігер мен қауымдастықтағы маңызды шешімдерді де қажет етеді. Орындау процестерін 1-деңгейде тексерілетін ету орталықсыздандыруды сақтай отырып және бар инфрақұрылыммен теңестіруді сақтай отырып, кең пайдаланушы базасына қолжетімді болу арасындағы тепе-теңдікті сақтауы керек.

Бұл тепе-теңдікті орнату орындау кезінде операцияларды дәлелдеу үшін қолданылатын әдістердің күрделілігін арттырады, параллель дәлелдемелерді құру сияқты жетістіктердің қажеттілігін көрсетеді. Сонымен қатар, осы технологиялардың инфрақұрылымдық талаптары (мысалы, іздеу кестелері ) әлі де маңызды зерттеулер мен әзірлемелерді талап ететін енгізілуі және іске қосылуы керек.

Екінші жағынан, белгілі бір тапсырмалар үшін арнайы әзірленген мамандандырылған схемалар (мысалы, ASIC, FPGA, GPU) дәлелдеу процесін жеделдету үшін маңызды әлеуетке ие. Бұл шешімдер дәстүрлі аппараттық құралдармен салыстырғанда әлдеқайда жоғары тиімділікті қамтамасыз етеді және орындау процестерін жылдамдата алады.

Дегенмен, Ethereum-тың 1-деңгейдегі орталықсыздандыру мақсаттары мұндай жабдықтың тек таңдаулы актер тобына қол жетімді болуына жол бермейді. Нәтижесінде бұл шешімдер 2-деңгей жүйелерінде кеңірек қолданылады деп күтілуде. Дегенмен, қауымдастық дәлелдемелерді құруға арналған аппараттық құралдарға қойылатын талаптар бойынша консенсусқа жетуі керек.

Негізгі дизайн мәселесі туындайды: дәлелдеу генерациясы жоғары деңгейлі ноутбуктер сияқты тұтынушыға арналған аппараттық құралдарда жұмыс істеуі керек пе немесе өнеркәсіптік инфрақұрылымды қажет етуі керек пе? Жауап Ethereum-ның бүкіл архитектурасын қалыптастырады – 2-деңгей шешімдері үшін агрессивті оңтайландыруға мүмкіндік береді, ал 1-деңгейге консервативті тәсілдерді талап етеді.

Ақырында, орындау дәлелдерін енгізу Ethereum-тің басқа жол картасы мақсаттарымен тікелей байланысты. Жарамдылық дәлелдерін енгізу азаматтығы жоқтық сияқты тұжырымдамаларды қолдап қана қоймай, сонымен қатар жеке ставкалар сияқты аймақтарды қол жетімді ету арқылы Ethereum орталықсыздандыруын күшейтеді. Мақсат - тіпті ең төмен сипаттағы құрылғыларда стекингке мүмкіндік беру. Бұған қоса, есептеу қиындығы мен дәлелділікке негізделген EVM-дегі газ шығындарын қайта құрылымдау орташа және ең нашар сценарийлер арасындағы алшақтықты азайтуы мүмкін.

Дегенмен, мұндай өзгертулер ағымдағы жүйемен кері үйлесімділікті бұзуы және әзірлеушілерді өз кодтарын қайта жазуға мәжбүр етуі мүмкін. Осы себепті, орындау дәлелдерін енгізу тек техникалық қиындық емес, бұл Ethereum-ның ұзақ мерзімді құндылықтарын қолдауға арналған саяхат.

Шынайы толық тексеру үшін соңғы қадам: Консенсус

Ethereum консенсус механизмі тексерілу мақсаттарына қол жеткізу кезінде орталықсыздандыру мен қолжетімділікті сақтайтын бірегей тепе-теңдікті орнатуға ұмтылады. Осы шеңберде ықтималдық және детерминистік консенсус әдістері ерекше артықшылықтар мен қиындықтарды ұсынады.

Ықтималдық консенсу өсекшіл қарым-қатынас үлгісіне негізделген. Бұл модельде желіні білдіретін барлық түйіндермен тікелей байланысудың орнына, түйін ақпаратты кездейсоқ таңдалған 64 немесе 128 түйін жиынтығымен бөліседі. Түйіннің тізбегін таңдау қате мүмкіндігін енгізетін осы шектеулі ақпаратқа негізделген. Дегенмен, уақыт өте келе, блокчейн дамып келе жатқанда, бұл таңдаулар қателік деңгейі 0% болатын дұрыс тізбекке жақындайды деп күтілуде.

Ықтималдық құрылымның бір артықшылығы - әрбір түйін өзінің тізбекті көрінісін жеке хабарлама ретінде таратпайды, бұл байланыс шығындарын азайтады. Демек, мұндай құрылым жүйе талаптары төменірек рұқсатсыз , орталықтандырылмаған түйіндермен жұмыс істей алады.

Керісінше, детерминистік консенсус бір-бірге коммуникация үлгісі арқылы жұмыс істейді. Мұнда түйін өзінің тізбекті көрінісін дауыс ретінде барлық басқа түйіндерге жібереді. Бұл тәсіл хабардың жоғары қарқындылығын тудырады және түйіндер саны өскен сайын жүйе ақыр соңында өзінің шегіне жетуі мүмкін.

Дегенмен, детерминистік консенсустың ең үлкен артықшылығы - нақты дауыстардың болуы, қай түйіннің қай шанышқыға дауыс бергенін дәл білуге мүмкіндік береді. Бұл тізбектің жылдам және нақты аяқталуын қамтамасыз етеді, блоктардың ретін өзгертпеуіне кепілдік береді және оларды тексеруге мүмкіндік береді.

Орталықсыздандыруды және рұқсатсыз құрылымды сақтай отырып, тексерілетін консенсус механизмін қамтамасыз ету үшін Ethereum слоттар мен дәуірлер арасындағы тепе-теңдікке қол жеткізді. 12 секундтық аралықтарды білдіретін ұялар валидатор блокты жасауға жауап беретін негізгі блоктар болып табылады. Слот деңгейінде қолданылатын ықтималдық консенсус тізбектің икемді және орталықтандырылмаған түрде жұмыс істеуіне мүмкіндік берсе де, оның түпкілікті реттілік және тексерілу тұрғысынан шектеулері бар.

32 слотты қамтитын дәуірлер детерминирленген консенсусты енгізеді. Бұл деңгейде валидаторлар сенімділікті қамтамасыз етіп, тізбекті тексеруге болатын етіп, тізбектің тәртібін аяқтау үшін дауыс береді. Дегенмен, бұл детерминирленген құрылым дәуір деңгейінде нақты дауыс беру арқылы тексеруді қамтамасыз еткенімен, ол ықтималдық құрылымына байланысты дәуірлердің өзінде толық тексеруді ұсына алмайды. Бұл олқылықты жою және дәуірлердегі ықтималдық құрылымды нығайту үшін Ethereum Синхрондау комитеті деп аталатын шешімді әзірледі.

Altair's Light Client Protocol: Синхрондау комитеті

Синхрондау комитеті - Ethereum ықтималдық консенсусының шектеулерін еңсеру және жеңіл клиенттер үшін тізбектің тексерілуін жақсарту үшін Altair жаңартуымен енгізілген механизм. Комитет кездейсоқ таңдалған 512 валидатордан тұрады, олар 256 дәуірге (~27 сағат) қызмет етеді. Бұл валидаторлар тізбектің басшысын білдіретін қолтаңбаны шығарады, бұл жеңіл клиенттерге тарихи тізбек деректерін жүктеп алмай-ақ тізбектің жарамдылығын тексеруге мүмкіндік береді. Синхрондау комитетінің жұмысын төмендегідей қорытындылауға болады:

1. Комитеттің құрылуы : 512 валидатор желідегі барлық валидаторлардан кездейсоқ таңдалады. Бұл таңдау орталықсыздандыруды қолдау және белгілі бір топқа тәуелділікті болдырмау үшін үнемі жаңартылып отырады.
2. Қолтаңбаны қалыптастыру : Комитет мүшелері тізбектің соңғы күйін білдіретін қол қояды. Бұл қолтаңба мүшелер жасаған ұжымдық BLS қолы болып табылады және тізбектің жарамдылығын тексеру үшін пайдаланылады.
3. Жеңіл клиентті тексеру : Жеңіл клиенттер тізбектің дұрыстығын Синхрондау комитетінің қолтаңбасын тексеру арқылы тексере алады. Бұл оларға өткен тізбек деректерін жүктеп алмай, тізбекті қауіпсіз бақылауға мүмкіндік береді.

Дегенмен, Синхрондау комитеті кейбір салаларда сынға ұшырады. Таңдалған валидаторлар хаттамаға әдейі қарсы әрекет етсе де, протоколда зиянды әрекетке валидаторларды кесу механизмі жоқ . Нәтижесінде, көпшілігі Синхрондау комитетін қауіпсіздік қаупі деп санайды және оны жеңіл клиент протоколы ретінде толығымен жіктеуден бас тартады. Дегенмен, Синхрондау комитетінің қауіпсіздігі математикалық түрде дәлелденді және қосымша мәліметтерді Синхрондау комитетінің қиюлары туралы осы мақаладан табуға болады.

Хаттамада кесу механизмінің болмауы дизайн таңдауы емес, ықтималдық консенсус табиғатынан туындайтын қажеттілік болып табылады. Ықтималдық консенсус валидатор не байқайтыны туралы абсолютті кепілдік бермейді. Валидаторлардың көпшілігі белгілі бір шанышқыны ауыр деп есептесе де, басқа шанышқыны ауыр деп байқайтын ерекше валидаторлар болуы мүмкін. Бұл белгісіздік зиянды ниетті дәлелдеуді қиындатады және осылайша теріс мінез-құлықты жазалау мүмкін емес.

Бұл тұрғыда Синхрондау комитетін қауіпті деп белгілеудің орнына, оны тиімсіз шешім ретінде сипаттау дұрысырақ болар еді. Мәселе Синхрондау комитетінің механикалық дизайнына немесе жұмысына байланысты емес, ықтималдық консенсусқа тән табиғатынан туындайды. Ықтималды консенсус түйіндер не байқайтыны туралы түпкілікті кепілдік бере алмайтындықтан, Синхрондау комитеті осындай үлгіде жасалуы мүмкін ең жақсы шешімдердің бірі болып табылады. Дегенмен, бұл тізбектің аяқталуына кепілдік берудегі ықтималдық консенсустың әлсіз жақтарын жоймайды. Мәселе механизмде емес, Ethereum-ның қазіргі консенсус құрылымында.

Осы шектеулерге байланысты Ethereum экожүйесінде консенсус механизмін қайта құру және қысқа мерзімде детерминирленген түпкілікті қамтамасыз ететін шешімдерді енгізу бойынша үздіксіз күш-жігер бар. Orbit-SSF және 3SF сияқты ұсыныстар Ethereum консенсус құрылымын басынан бастап қайта құруға, ықтималдық консенсусты ауыстыру үшін тиімдірек жүйені құруға бағытталған. Мұндай тәсілдер тізбектің аяқталу уақытын қысқартуға ғана емес, сонымен қатар тиімдірек және тексерілетін желі құрылымын жеткізуге тырысады. Ethereum қауымдастығы осы ұсыныстарды болашақта жүзеге асыру үшін белсенді түрде әзірлеуді және дайындауды жалғастыруда.

Консенсустың снаркификациясы

Verge Ethereum-ның ағымдағы және болашақ консенсус механизмдерін толығымен ауыстырудың орнына, zk-proof технологиясы арқылы тексерілетін етіп жақсартуға бағытталған. Бұл тәсіл орталықсыздандыру мен қауіпсіздіктің негізгі принциптерін сақтай отырып, Ethereum консенсус процестерін жаңғыртуға ұмтылады. Тізбектің барлық тарихи және ағымдағы консенсус процестерін zk технологияларымен оңтайландыру Ethereum-ның ұзақ мерзімді ауқымдылық және тиімділік мақсаттарына қол жеткізуде маңызды рөл атқарады. Ethereum консенсус қабатында қолданылатын іргелі операциялар осы технологиялық трансформацияда үлкен маңызға ие. Осы операцияларды және олар кездесетін қиындықтарды толығырақ қарастырайық.

• ECADD :
• Мақсаты : Бұл операция валидаторлардың ашық кілттерін біріктіру үшін пайдаланылады және тізбектің дәлдігі мен тиімділігін қамтамасыз ету үшін өте маңызды. BLS қолтаңбаларының жиынтық сипатының арқасында бірнеше қолтаңбаларды бір құрылымға біріктіруге болады. Бұл байланыс шығындарын азайтады және тізбектегі тексеру процестерін тиімдірек етеді. Үлкен валидатор топтары арасында синхрондауды қамтамасыз ету бұл операцияны маңыздырақ етеді.
• Қиындықтар : Бұрын айтылғандай, Ethereum валидаторлары дәуірлерде тізбектің тәртібіне дауыс береді. Бүгінгі күні Ethereum - шамамен 1,1 миллион валидаторы бар желі. Егер барлық валидаторлар өз дауыстарын бір уақытта таратуға тырысса, бұл желіде айтарлықтай жүктеме жасайды. Бұған жол бермеу үшін Ethereum валидаторларға бір слотқа барлық валидаторлардың 1/32 ғана дауыс беретін дәуірде слот негізінде дауыс беруге мүмкіндік береді. Бұл механизм желілік байланыс шығындарын азайтып, консенсусты тиімдірек ететініне қарамастан, бүгінгі валидаторлар санын ескере отырып, әрбір ұяшықта шамамен 34 000 валидатор дауыс береді. Бұл бір слотқа шамамен 34 000 ECADD операциясын білдіреді .
• Жұптар :
• Мақсаты : Жұптастыру операциялары тізбектегі дәуірлердің жарамдылығын қамтамасыз ететін BLS қолтаңбаларын тексеру үшін қолданылады. Бұл операция қолтаңбаларды пакеттік тексеруге мүмкіндік береді. Дегенмен, бұл zk-достық емес, zk-proof технологиясын қолдану арқылы дәлелдеу өте қымбатқа түседі. Бұл нөлдік білім технологияларымен біріктірілген тексеру процесін құруда үлкен қиындық тудырады.
• Қиындықтар : Ethereum жүйесіндегі жұптастыру операциялары әрбір ұяшыққа максимум 128 аттестациямен (жиынтық қолтаңба) шектеледі, нәтижесінде ECADD-мен салыстырғанда жұптастыру операциялары аз болады. Дегенмен, бұл операцияларда zk-достықтың болмауы айтарлықтай қиындық тудырады. Zk-proofs көмегімен жұптастыру операциясын дәлелдеу ECADD операциясын дәлелдеуден мың есе қымбатырақ [2]. Бұл нөлдік білім технологиялары үшін жұптау операцияларын бейімдеуді Ethereum консенсусын тексеру процестеріндегі ең үлкен кедергілердің біріне айналдырады.
• SHA256 хэштері :
• Мақсаты e: SHA256 хэш функциялары тізбек деректерінің тұтастығын қамтамасыз ете отырып, тізбек күйін оқу және жаңарту үшін пайдаланылады. Дегенмен, олардың zk-дәлелділігінің болмауы zk-proof негізіндегі тексеру процестерінің тиімсіздігіне әкеледі, бұл Ethereum-ның болашақ тексеру мақсаттарына үлкен кедергі жасайды.
• Қиындықтар : SHA256 хэш функциялары тізбек күйін оқу және жаңарту үшін жиі пайдаланылады. Дегенмен, олардың zk-дұрыс еместігі Ethereum-ның zk-proof негізіндегі тексеру мақсаттарына қайшы келеді. Мысалы, екі дәуір арасында әрбір валидатор Ethereum's Consensus Layer's STF қызметін дәуірдегі валидатор өнімділігіне негізделген марапаттар мен айыппұлдармен күйді жаңарту үшін іске қосады. Бұл процесс SHA256 хэш функцияларына қатты сүйенеді, бұл zk-proof негізіндегі жүйелердегі шығындарды айтарлықтай арттырады. Бұл Ethereum консенсус механизмін zk технологияларымен сәйкестендіру үшін айтарлықтай кедергі жасайды.

Ағымдағы консенсус деңгейінде қолданылатын ECADD, жұптастыру және SHA256 операциялары Ethereum-ның тексерілу мақсаттарында маңызды рөл атқарады. Дегенмен, олардың zk-достықтың болмауы осы мақсаттарға жету жолында елеулі қиындықтар тудырады. ECADD операциялары валидатор дауыстарының жоғары көлеміне байланысты қымбат жүктеме жасайды, ал жұптастыру операциялары санының аздығына қарамастан, zk-дәлелдермен дәлелдеу мыңдаған есе қымбатырақ.

Сонымен қатар, SHA256 хэш-функцияларының zk-қолайсыздығы маяк тізбегінің күйге ауысуын дәлелдеуді өте қиын етеді. Бұл мәселелер Ethereum-тың бар инфрақұрылымын нөлдік білім технологияларымен сәйкестендіру үшін кешенді түрлендіру қажеттілігін көрсетеді.

Шешім «Арқалық тізбек»: Ethereum консенсус қабатын қайта құру

2024 жылдың 12 қарашасында Джастин Дрейк Devcon-те өзінің тұсаукесері кезінде Ethereum консенсус қабатын түбегейлі және жан-жақты түрлендіруге бағытталған «Арқалық тізбек » деп аталатын ұсынысты ұсынды. Beacon Chain бес жылға жуық Ethereum желісінің өзегінде болды. Дегенмен, осы кезеңде Маяк тізбегінде үлкен құрылымдық өзгерістер болған жоқ. Керісінше, технологиялық жетістіктер Маяк тізбегінің статикалық табиғатынан әлдеқайда асып түсіп, жылдам дамыды.

Өзінің тұсаукесерінде Джастин Дрейк Ethereum осы бес жыл ішінде MEV түсінігі , SNARK технологияларындағы жетістіктер және технологиялық қателер туралы ретроспективті хабардар болу сияқты маңызды салаларда маңызды сабақтар алғанын атап өтті. Осы жаңа оқуларға негізделген дизайн үш негізгі тірекке жіктеледі: блок өндірісі , стакинг және криптография . Төмендегі көрнекі бұл дизайнды және ұсынылған жол картасын қорытындылайды:

• Жасыл және сұр жәшіктер жыл сайын бір-бірден жүзеге асырылуы мүмкін қосымша әзірлемелерді білдіреді. Жақсартулардың бұл түрлері, алдыңғы жаңартулар сияқты, Ethereum-ның бар архитектурасын бұзбай, біртіндеп біріктірілуі мүмкін.

• Қызыл жәшіктер , керісінше, бірге жүзеге асырылуы тиіс жоғары синергетикалық , ауқымды және іргелі өзгерістерді білдіреді. Дрейктің айтуынша, бұл өзгерістер Ethereum сыйымдылығы мен тексерілуін бір үлкен секіріспен арттыруға бағытталған.

  
  

Бұл бөлімде біз The Verge консенсусын, күйін және орындалу қадамдарын егжей-тегжейлі қарастырдық және осы процесте ерекшеленген ең маңызды мәселелердің бірі Ethereum Beacon тізбегінде SHA256 хэштеу функциясын пайдалану болып табылады. SHA256 желінің қауіпсіздігін қамтамасыз етуде және транзакцияларды өңдеуде орталық рөл атқарса да, оның zk-достыққа ие болмауы Ethereum-тің тексеру мақсаттарына қол жеткізуге айтарлықтай кедергі жасайды. Оның жоғары есептеу құны және zk технологияларымен үйлесімсіздігі оны Ethereum-ның болашақ әзірлемелерінде шешілуі керек маңызды мәселеге айналдырады.

Джастин Дрейктің Devcon баяндамасы кезінде ұсынылған жол картасы Маяк тізбегіндегі SHA256-ны Poseidon сияқты zk-ға ыңғайлы хэш функцияларымен ауыстыруды қарастырады. Бұл ұсыныс Ethereum консенсус қабатын модернизациялауға бағытталған, оны тексерілетін, тиімдірек және zk-proof технологияларымен сәйкестендіреді.

Осы тұрғыда біз Ethereum тек zk-жағымсыз хэш функцияларымен қиындықтарға тап болып қана қоймайды, сонымен қатар ұзақ мерзімді қауіпсіздік үшін консенсус деңгейінде қолданылатын цифрлық қолтаңбаларды қайта бағалау қажет екенін көреміз. Кванттық есептеулердің дамуымен қазіргі уақытта қолданылып жүрген ECDSA сияқты цифрлық қолтаңба алгоритмдері елеулі қауіптерге тап болуы мүмкін. NIST жариялаған нұсқаулықта атап өтілгендей, 112 биттік қауіпсіздік деңгейі бар ECDSA нұсқалары 2030 жылға қарай ескіреді және 2035 жылға қарай толығымен тыйым салынады . Бұл Ethereum және ұқсас желілер үшін болашақта кванттық қауіпсіз қолтаңбалар сияқты икемді баламаларға көшуді қажет етеді.

Осы сәтте хэш негізіндегі қолтаңбалар желінің қауіпсіздік және тексерілу мақсаттарын қолдауда маңызды рөл атқаратын кванттық төзімді шешімдер ретінде пайда болады. Бұл қажеттілікті шешу Beacon тізбегін тексеруге болатын екінші негізгі кедергіні де жояды: BLS қолтаңбалары . Ethereum кванттық қауіпсіздікті қамтамасыз ету жолында жасай алатын ең маңызды қадамдардың бірі хэш негізіндегі қолтаңбалар және хэш негізіндегі SNARK сияқты посткванттық шешімдерді қабылдау болып табылады.

Джастин Дрейк өзінің Devcon презентациясында атап өткендей, хэш-функциялар кескінге дейінгі қарсылыққа тәуелді болғандықтан кванттық компьютерлерге төзімді, бұл оларды заманауи криптографияның негізгі құрылыс блоктарының біріне айналдырады. Бұл сипат тіпті кванттық компьютерлердің қауіпсіздігін сақтай отырып, берілген хэштен бастапқы енгізуді тиімді түрде кері өңдеуге болмайтындығына кепілдік береді.

Хэш негізіндегі қолтаңба жүйелері валидаторлар мен аттесаторларға толығымен хэш функцияларына негізделген қолтаңбаларды жасауға мүмкіндік береді, бұл пост кванттық қауіпсіздікті қамтамасыз етеді, сонымен қатар желіде тексерудің жоғары деңгейін қамтамасыз етеді, әсіресе SNARK-ге ыңғайлы хэш функциясы пайдаланылса. Бұл тәсіл желінің қауіпсіздігін арттырып қана қоймайды, сонымен қатар Ethereum ұзақ мерзімді қауіпсіздік инфрақұрылымын сенімдірек және болашаққа сенімді етеді.

Бұл жүйе жинақталатын қолтаңба схемаларын жасау үшін хэш негізіндегі қолтаңбаларды және хэш негізіндегі SNARK (STARK тәрізді дәлелдер) біріктіруге негізделген. Жиынтық қолтаңбалар мыңдаған қолтаңбаларды бір құрылымға қысып, оны бірнеше жүз килобайт дәлелдеуге дейін азайтады. Бұл қысу желідегі деректер жүктемесін айтарлықтай төмендетеді және тексеру процестерін айтарлықтай жылдамдатады. Мысалы, Ethereum жүйесіндегі бір слот үшін жасалған мыңдаған валидатор қолтаңбалары сақтау орнын және есептеу қуатын үнемдей отырып, бір жиынтық қолтаңбамен ұсынылуы мүмкін.

Дегенмен, бұл схеманың ең таңғаларлық ерекшелігі оның шексіз рекурсивті агрегациясы болып табылады. Яғни, қолтаңбалардың бір тобы басқа топтың астында одан әрі біріктірілуі мүмкін және бұл процесс тізбек бойынша жалғасуы мүмкін. Бұл механизммен және болашақ технологиялық жетістіктерді ескере отырып, бұл қазіргі уақытта BLS-те қол жетімсіз мүмкіндіктерге есік ашады деп айту орынды.

Қорытынды

Ethereum-тің тексерілу жолы блокчейн технологиясындағы түбегейлі өзгерісті білдіреді. Verge бастамасы күйді тексеру үшін Verkle Trees және масштабталатын ауысулар үшін STARK дәлелдері арқылы негізгі тиімсіздіктерді қарастырады.

Ең өршіл ұсыныстардың бірі - Beam Chain , Ethereum консенсус қабатының жан-жақты қайта дизайны. Маяк тізбегінің шектеулерін шешу және zk-ға қолайлы баламаларды қосу арқылы бұл тәсіл орталықсыздандыру мен қолжетімділіктің негізгі принциптерін сақтай отырып, Ethereum-ның ауқымдылығын арттыруға бағытталған. Дегенмен, көшу Ethereum рұқсатсыз, инклюзивті желіні қолдау мақсатымен есептеу талаптарын теңестіруде кездесетін қиындықтарды да көрсетеді.

NIST 2035 жылға қарай қазіргі эллиптикалық қисық криптографиядан бас тартуды жоспарлап отырса, Ethereum хэш негізіндегі қолтаңбалар және Посейдон сияқты кванттық төзімді шешімдерді қабылдауы керек. Бұл шешімдер өздерінің тиімділік айырбастарын ұсынады.

Ethereum жол картасында STARK- ті пайдалану ауқымдылық пен тексерілуге көбірек көңіл бөледі. Олар мөлдір және кванттық төзімді дәлелдемелерді қамтамасыз етуде озық болғанымен, олардың интеграциясы проверстік есептеу шығындарымен және шағын деректердің тиімсіздігімен байланысты қиындықтарды тудырады. Бұл кедергілер Ethereum-ның азаматтығы жоқтық және блоктарды тиімді тексеру туралы көзқарасын толығымен жүзеге асыру үшін шешілуі керек, бұл желінің сұраныстың артуы жағдайында сенімді болып қалуын қамтамасыз етеді.

Осы жетістіктерге қарамастан, негізгі қиындықтар әлі де бар. Ethereum zk-достық , консенсус ауқымдылығы және кванттық төзімді криптографияны біріктіру күрделілігі мәселелерін шешуі керек. Сонымен қатар, қолданыстағы инфрақұрылымның артқа қарай үйлесімділігі әзірлеушілер мен пайдаланушылар үшін кедергілерді болдырмау үшін мұқият инженерлік шешімдерді қажет ететін практикалық кедергілерді тудырады.

Ethereum-ды ерекшелендіретін нәрсе оның техникалық жаңалықтары ғана емес, сонымен қатар блокчейндегі ең қиын мәселелерді шешуге итеративті тәсілі . Beam Chain , Verkle Trees немесе STARK дәлелдері сияқты технологиялар арқылы алға апаратын жол әзірлеушілердің, зерттеушілердің және кеңірек қауымдастықтың бірлескен күш-жігеріне байланысты. Бұл жетістіктер бір түнде кемелдікке жету туралы емес, мөлдір , орталықтандырылмаған және тексерілетін интернет үшін негіз құру туралы.

Ethereum эволюциясы оның Web3 дәуірін қалыптастырудағы маңызды ойыншы ретіндегі рөлін көрсетеді. Бүгінгі қиындықтарды практикалық шешімдермен шешу арқылы Ethereum болашаққа жақындайды, онда тексеру мүмкіндігі , кванттық қарсылық және масштабтау ерекшелік емес, стандартқа айналады.