The Verge: Виталик Бутерин рассказал о целях и проблемах будущего обновления Ethereum

• Соучредитель Ethereum опубликовал очередную статью о различных этапах модернизации и развития блокчейна.
• В этот раз речь шла о будущем обновлении под названием The Verge.
• Бутерин считает, что упомянутый этап станет одним из ключевых для проекта ввиду важности упрощения проверки консенсуса. 

Программист Виталик Бутерин представил общественности новую статью из цикла «Возможное будущее протокола Ethereum». Очередную часть он посвятил одному из будущих обновлений блокчейна — The Verge. Специалист считает этот этап крайне важным элементом проекта в разрезе сохранения его децентрализованной идентичности.

В начале статьи Бутерин отмечает, что блокчейн обладает особым преимуществом. Каждый пользователь может запустить на своем компьютере узел и проверить целостность сети, по его словам. И каждая нода, пишет Бутерин, имеет право ориентироваться на те принципы функционирования, которые кажутся ей более эффективными.

Ключ к успеху в простоте

Упомянутое преимущество одним из главных отличий между блокчейном и централизованными системами, уверен программист. Он отметил, что сообщество Ethereum стремится сохранить в неприкосновенности такое свойство и максимально упростить его применение.

«Однако для того, чтобы эта опция сохранялась, запуск полностью проверяющего узла должен быть фактически осуществим для критической массы людей. Это относится как к стейкерам, так и к обычным пользователям», — подчеркнул Бутерин. 

Обновление The Verge необходимо для того, чтобы проверку можно было выполнить при минимальных вычислительных мощностях, рассказал соучредитель Ethereum. В соответствии с его виденьем, процесс должен быть настолько простым, что его в автоматическом режиме сможет выполнить каждый криптокошелек, мобильный телефон или даже смарт-часы.

Бутерин отметил, что изначально посредством The Verge планировалось переместить хранилища состояния Ethereum в так называемые деревья Verkle. Это структура позволяет использовать более компактные доказательства, одновременно обеспечивая проверку блоков сети без сохранения состояния.

Однако со временем масштабы будущего обновления начали расширяться, рассказал программист. Разработчики поставили перед собой задачу на порядок сложней  — обеспечение максимально эффективной с точки зрения ресурсов проверки консенсуса Ethereum. Процесс должен включать в себя, помимо самого анализа без сохранения состояния, проверку всех исполнений блокчейна посредством технологии SNARK, подчеркнул Бутерин.

SNARK расшифровывается как «лаконичный не интерактивный аргумент знания» (Succinct Non-interactive Argument of Knowledge). Это своего рода специальная технология для быстрой и эффективной проверки состояния сети.

Вдобавок разработчики Ethereum задались вопросом, являются ли вообще деревья Verkle подходящей структурой для блокчейна. По словам соучредителя проекта, эти «ветви» могут быть уязвимы для квантовых компьютеров. В случае их использования сеть со временем придется перевести на другую структуру, признал Бутерин. В качестве возможного варианта замены программист рассматривает технологию STARK.

К ключевым целям The Verge сооснователь Ethereum отнес:

• достичь этапа, когда полностью верифицируемым клиентам и узлам стейкинга для проверки достаточно нескольких гигабайт памяти;
• в долгосрочной перспективе добиться проверки ончейн-последовательности (консенсус и исполнение) на смарт-часах. Загрузить некоторые данные и проверить с помощью SNARK.

В случае успешного выполнения перечисленных целей обновление можно будет считать завершенным, уверен Бутерин. При этом какие-либо сроки он озвучивать не стал ввиду масштабов предстоящей работы.

Структурная дилемма: Verkle или STARK   

Сооснователь Ethereum выделил три основных фронта деятельности разработчиков в плане подготовки и реализации The Verge. Одной из них является интеграция в блокчейн технологии проверки блоков без запроса о полном состоянии сети.

Программист признает, что сейчас для выполнения анализа пользователям необходимо хранить сотни гигабайт информации. С каждым годом объем данных для полной проверки увеличивается примерно на 30 ГБ, отмечает Бутерин. Это, по его мнению, является серьезной проблемой.

Решением должна стать Stateless Verification — технология, позволяющая узлам осуществлять проверку без полного состояния. Вместо запроса большого количества данных к блокам прикрепляется так называемый «свидетель». Он содержит в себе различные значения, вроде баланса, кода, специфики хранилища и прочей информации. В комплекте также идет криптографическое доказательство того, что эти данные верны.

Именно интеграция Stateless Verification требует изменения структуры состояний Ethereum, пишет Бутерин. Текущее дерево Merkle Patricia, по его мнению, проявляет «крайнюю недружелюбность» к реализации любой схемы криптографического доказательства. 

«Поэтому нам нужно ввести более мощную технологию. Для этого есть два ведущих решения: деревья Verkle и двоичные хеш-деревья STARK», — подвел итог программист.

Каждый из вариантов имеет свои плюсы и минусы, отмечает разработчик. Они кроются в таких аспектах, как размер доказательства, время проверки, устойчивость технологии к сетевым атакам, а также их готовность к применению в больших масштабах, заявил Бутерин.

Помимо упомянутых деревьев, функция «свидетелей» может использоваться в других сценариях, требующих проверок без сохранения состояния:

• мемпулы;
• перечень включения блоков для валидаторов сети;
• внедрение облегченных клиентов.

«Все эти варианты использования объединяет то, что они требуют довольно большого количества доказательств, но каждое из них само по себе невелико. По этой причине доказательства STARK на самом деле не имеют для них смысла; вместо этого наиболее реалистично просто использовать ветви Merkle напрямую», — отметил Бутерин.  

Разработчик подчеркнул, что core-команде Ethereum в плане интеграции Stateless Verification осталось пройти несколько этапов. К ним он отнес анализ последствий внедрения предложения EIP-4762, тестирование процедуры перехода на новое дерево состояний и детальный разбор безопасности функций Poseidon, Ajtai и других «дружественных STARK» хеш-решений.

Помимо этого, разработчики должны сконцентрировать внимание на создании сверхэффективных протоколов STARK для традиционных хеш-функций, заявил Бутерин.

Программист отметил, что на сегодня существуют много соображений на тему возможного перехода на новую структуру состояний Ethereum. Масса вопросов остаются открытыми и требуют детального анализа. Core-команда, к примеру, в дополнение ко всему рассматривает концепцию многомерного газа, сказал сооснователь проекта. 

«Иметь отдельные лимиты газа для calldata, computing, state accesss и, возможно, других отдельных ресурсов. […] С многомерным газом теоретическое максимальное количество ветвей для доказательства может существенно сократиться», — написал разработчик. 

Доказательства действительности исполнения EVM

Второй важной задачей, над которой работает команда Ethereum, является доказательство исполнения Ethereum Virtual Machine (EVM). По словам Бутерина, этот элемент является одной из составляющих упрощенной проверки блока сети. 

Программист отмечает, что при выполнении определенных условий можно получить облегченный клиент, который позволяет осуществить низкоресурсную проверку исполнения EVM. Плюс заключается в том, что реализация таких доказательств уже применяются решениями второго уровня, считает Бутерин. Однако для L1-сетей еще предстоит сделать подобные технологии «жизнеспособными», признает он.

Среди главных проблем используемых ныне доказательств исполнения EVM соучредитель проекта отмечает два параметра — безопасность и время проверки.

Для улучшения первого показателя разработчик предлагает сделать ставку на  многодоказательные устройства и формальную верификацию. 

«Такие устройства означают наличие нескольких независимо написанных реализаций доказательства действительности, подобно тому, как есть несколько клиентов, и принятие клиентами блока, если он доказан достаточно большим подмножеством этих реализаций», — пояснил программист по многодоказательным устройствам.

Формальная верификация, в свою очередь, подразумевает применение инструментов, которые подходят для доказательства математических теорем, отметил разработчик. Они позволяют убедиться, что решение принимает только входящие данные, являющиеся правильным выполнением базовой спецификации EVM, подчеркнул он.

Что касается времени проверки, то здесь, по мнению соучредителя Ethereum, необходимо достичь результата, при котором любой блок будет доказан за четыре секунды. Программист признает отдаленность такой перспективы, но видит потенциал для успешного продвижения в решении проблемы.

Для этого разработчикам проекта необходимо двигаться в трех направлениях:

• распараллеливание — наиболее быстрый EVM-доказатель, способный проверить средний блок примерно за 15 секунд;
• оптимизация системы доказательства — новые решения вроде Orion, Binius и GKR, которые нацелены на сокращение времени проверки;
• изменение стоимости газа и уменьшение затрат вычислительных мощностей на выполнение различных операций.

Помочь с ускорением проверки, по словам Бутерина, могут также «два кролика в шапке» — упомянутый ранее многомерный газ и отложенное состояние корня. Эти предложения способны существенно сократить время анализа блока, но требуют дальнейшей разработки, заявил разработчик.

Бутерин также указал на аппаратное обеспечение для проверки посредством графических процессоров. Подобные решения позволяют быстрее генерировать доказательства и разрабатываются компаниями Fabric Cryptography, Cysic и Accseal.

«Это будет чрезвычайно ценно для второго уровня, но вряд ли станет решающим фактором для L1-решений, поскольку существует сильное желание сохранить первый уровень в высокой степени децентрализованным», — написал соучредитель Ethereum.   

По словам Бутерина, в отношении доказательства действительности исполнения EVM предстоит проделать большую работу. Это включает как вопросы технической реализации решений и предложений, так и дополнительный анализ по изменению ситуации с газом, подвел итог эксперт.

Доказательства достоверности консенсуса

Третьей целью будущего обновления The Verge является работа с доказательством консенсуса сети. Это один из двух компонентов проверки блока посредством технологии SNARK, отметил Бутерин. 

Дело касается части блокчейна, которая обрабатывает депозиты, снятия, подписи, обновления баланса валидатора и другие элементы алгоритма Proof-of-Stake в сети Ethereum. 

Сооснователь проекта уверен, что хотя ситуация с консенсусом намного проще, чем с EVM, любую реализацию доказательства здесь придется создавать «с нуля». По его словам, есть много проблем, требующих решения, и все указывает на необходимость глубокой переделки «цепи маяков» — функции перехода состояния. 

Среди возможных изменений Бутерин указывает:

• переформатирование хеш-функции;
• хранение перетасованных записей валидаторов напрямую;
• пересмотр схемы агрегации подписей;
• использование иных вариантов подписи.

«Реалистично, потребуются годы, прежде чем у нас появится доказательство валидности консенсуса Ethereum. Это примерно тот же срок, который нам нужен для внедрения однослотовой финализации, Orbit, изменений в алгоритме подписи и потенциального анализа безопасности. […] Следовательно, имеет смысл работать над другими проблемами, и при этом помнить о дружелюбии к STARK», — написал  разработчик. 

Говоря проще, Виталик Бутерин отметил, что успешное выполнение The Verge играет глобальную роль в дальнейшем развитии Ethereum. Однако для подготовки и развертывания этого обновления потребуются годы активной работы многих программистов.

Напомним, что ранее соучредитель Ethereum выпустил статьи о других этапах дорожной карты блокчейна: