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

2024-11-16 00:11:15

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愿景。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絡。

為什么提議 Beam Chain？

以太坊有三個層級：執行層、blob 數據層、以及共識層。執行層是以太坊中處理交易和執行智能合約的部分，直接管理應用的狀態和邏輯。blob 數據層負責存儲大量數據，涉及到應用所需的長期數據存儲。這兩層屬於直接和應用交互的層級，任何更改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絡節點間的數據共識，不直接處理應用的狀態或數據。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，乘着突破的東風，對以太坊共識層進行一系列修復。

Beam Chain 計劃實現的目標

可以將目標分為三個部分：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线進行改進、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 技術來對數據或計算進行證明）為例，如果想實現 real time proving（實時證明），就必須在系統中做一些結構性調整，包括哈希函數、籤名方式、以及序列化和默克爾化（Merkleization）等方面的改變。籤名方式需要能夠快速生成並完成驗證，並且需要序列化使得復雜的數據結構能夠在節點之間傳輸並存儲，並將將序列化後的數據進行默克爾樹（Merkle Tree）處理，以此滿足零知識證明需要對數據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 的機制裏，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）、網絡層（節點之間的通信和數據傳遞）、緩存管理和性能優化則保持不變，不受到 ZK 的影響。

Beam Chain 的實現代碼（例如使用 Go 或 Rust 編寫的 Beam Chain 的核心邏輯和共識算法代碼）需要做的工作就是將代碼轉換為 zkVM 能理解的格式。Beam Chain 的實現代碼被編譯為 zkVM 的代碼格式後，zkVM 可以執行這些代碼，讀取區塊鏈外部輸入，驗證狀態轉換過程的合法性，並生成零知識證明。

zkVM 是一個執行零知識虛擬機的環境，它能理解特定格式的代碼，以便進行零知識證明的驗證。將代碼編譯成 zkVM 可執行的格式的這一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 的行業標准。目前有七家公司提供 Risc-v zkVM。

Attestation snarkification

另一個使用到 snark 的部分是聚合籤名（aggregatable signatures），即將多個驗證者和見證者（attesters）籤名的壓縮過程，把大量籤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籤名安全性（能抵御量子攻擊），因此預計在這裏會使用哈希函數。哈希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塊來構建密碼學。使用 hash-based snarks，可以將數以千計的籤名壓縮為一個 proof。這就是後量子聚合籤名。並且，這種後量子聚合籤名是無限遞歸的，你可以不斷地疊加，將多個聚合籤名再度聚合，達到更高的壓縮效率，相較於傳統 BLS 籤名聚合實現了極大的提升。

去幾個月裏，snark 化的哈希函數技術獲得了顯著提升，通過筆記本電腦就可快速生成證明，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籤名方案在現實中變得更為實用，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 讓原本復雜的驗證、存儲、計算過程得到壓縮，這使得一系列原本不能直接用於 Beacon Chain 的如 libp2p、ssz、pyspec、protocolguild 等基礎設施得以實現。

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