The Verge: Віталік Бутерін розповів про цілі та проблеми майбутнього оновлення Ethereum

• Співзасновник Ethereum опублікував чергову статтю про різні етапи модернізації та розвитку блокчейна.
• Цього разу йшлося про майбутнє оновлення під назвою The Verge.
• Бутерін вважає, що згаданий етап стане одним із ключових для проєкту з огляду на важливість спрощення перевірки консенсусу.

Програміст Віталік Бутерін представив громадськості нову статтю з циклу «Можливе майбутнє протоколу Ethereum». Чергову частину він присвятив одному з майбутніх оновлень блокчейна — The Verge. Фахівець вважає цей етап вкрай важливим елементом проєкту в розрізі збереження його децентралізованої ідентичності.

На початку статті Бутерін зазначає, що блокчейн має особливу перевагу. Кожен користувач може запустити на своєму комп’ютері вузол і перевірити цілісність мережі, за його словами. І кожна нода, пише Бутерін, має право орієнтуватися на ті принципи функціонування, які здаються їй більш ефективними.

Ключ до успіху в простоті

Згадана перевага є однією з головних відмінностей між блокчейном і централізованими системами, впевнений програміст. Він зазначив, що спільнота Ethereum прагне зберегти в недоторканності таку властивість і максимально спростити її застосування.

«Однак для того, щоб ця опція зберігалася, запуск вузла, який повністю перевіряє, має бути фактично здійсненним для критичної маси людей. Це стосується як стейкерів, так і звичайних користувачів», — підкреслив Бутерін.

Оновлення The Verge необхідне для того, щоб перевірку можна було виконати за мінімальних обчислювальних потужностей, розповів співзасновник Ethereum. Відповідно до його бачення, процес має бути настільки простим, що його в автоматичному режимі зможе виконати кожен криптогаманець, мобільний телефон або навіть смарт-годинник.

Етап The Verge у дорожній карті Ethereum. Джерело: Віталік Бутерін.

Бутерін зазначив, що спочатку за допомогою The Verge планувалося перемістити сховища стану Ethereum у так звані дерева Verkle. Ця структура дає змогу використовувати більш компактні докази, одночасно забезпечуючи перевірку блоків мережі без збереження стану.

Однак з часом масштаби майбутнього оновлення почали розширюватися, розповів програміст. Розробники поставили перед собою завдання на порядок складніше — забезпечення максимально ефективної з точки зору ресурсів перевірки консенсусу Ethereum. Процес має містити, крім самого аналізу без збереження стану, перевірку всіх виконань блокчейна за допомогою технології SNARK, підкреслив Бутерін.

SNARK розшифровується як «лаконічний не інтерактивний аргумент знання» (Succinct Non-interactive Argument of Knowledge). Це свого роду спеціальна технологія для швидкої та ефективної перевірки стану мережі.

До того ж розробники Ethereum задалися питанням, чи є взагалі дерева Verkle відповідною структурою для блокчейна. За словами співзасновника проєкту, ці «гілки» можуть бути вразливими для квантових комп’ютерів. У разі їх використання мережу з часом доведеться перевести на іншу структуру, визнав Бутерін. Як можливий варіант заміни програміст розглядає технологію STARK.

До ключових цілей The Verge співзасновник Ethereum відніс:

• досягти етапу, коли клієнтам і вузлам стейкінгу, які повністю верифікуються, для перевірки достатньо кількох гігабайт пам’яті;
• у довгостроковій перспективі домогтися перевірки ончейн-послідовності (консенсус і виконання) на смарт-годиннику. Завантажити деякі дані та перевірити за допомогою SNARK.

У разі успішного виконання перерахованих цілей оновлення можна буде вважати завершеним, упевнений Бутерін. При цьому будь-які терміни він озвучувати не став, зважаючи на масштаби майбутньої роботи.

Структурна дилема: Verkle або STARK

Співзасновник Ethereum виділив три основні фронти діяльності розробників у плані підготовки та реалізації The Verge. Однією з них є інтеграція в блокчейн технології перевірки блоків без запиту про повний стан мережі.

Програміст визнає, що зараз для виконання аналізу користувачам необхідно зберігати сотні гігабайт інформації. З кожним роком обсяг даних для повної перевірки збільшується приблизно на 30 ГБ, зазначає Бутерін. Це, на його думку, є серйозною проблемою.

Рішенням має стати Stateless Verification — технологія, що дозволяє вузлам здійснювати перевірку без повного стану. Замість запиту великої кількості даних до блоків прикріплюється так званий «свідок». Він містить у собі різні значення, на кшталт балансу, коду, специфіки сховища та іншої інформації. У комплекті також йде криптографічний доказ того, що ці дані вірні.

Саме інтеграція Stateless Verification вимагає зміни структури станів Ethereum, пише Бутерін. Поточне дерево Merkle Patricia, на його думку, виявляє «крайню недружелюбність» до реалізації будь-якої схеми криптографічного доказу.

«Тому нам потрібно запровадити більш потужну технологію. Для цього є два провідних рішення: дерева Verkle і двійкові хеш-дерева STARK», — підбив підсумок програміст.

Запропонована для Ethereum структура дерев Verkle. Джерело: Віталік Бутерін.

Кожен із варіантів має свої плюси і мінуси, зазначає розробник. Вони криються в таких аспектах, як розмір доказу, час перевірки, стійкість технології до мережевих атак, а також їхня готовність до застосування у великих масштабах, заявив Бутерін.

Крім згаданих дерев, функція «свідків» може використовуватися в інших сценаріях, що вимагають перевірок без збереження стану:

• мемпули;
• перелік включення блоків для валідаторів мережі;
• впровадження полегшених клієнтів.

«Усі ці варіанти використання об’єднує те, що вони вимагають доволі великої кількості доказів, але кожне з них саме по собі невелике. З цієї причини докази STARK насправді не мають для них сенсу; натомість найбільш реалістично просто використовувати гілки Merkle напряму», — зазначив Бутерін.

Розробник підкреслив, що core-команді Ethereum у плані інтеграції Stateless Verification залишилося пройти кілька етапів. До них він відніс аналіз наслідків впровадження пропозиції EIP-4762, тестування процедури переходу на нове дерево станів і детальний розбір безпеки функцій Poseidon, Ajtai та інших «дружніх STARK» хеш-рішень.

Основні показники дерев Verkle і STARK для Ethereum. Джерело: Віталік Бутерін.

Крім цього, розробники повинні сконцентрувати увагу на створенні надефективних протоколів STARK для традиційних хеш-функцій, заявив Бутерін.

Програміст зазначив, що на сьогодні існує багато міркувань на тему можливого переходу на нову структуру станів Ethereum. Маса питань залишаються відкритими і потребують детального аналізу. Core-команда, наприклад, на додаток до всього розглядає концепцію багатовимірного газу, сказав співзасновник проєкту.

«Мати окремі ліміти газу для calldata, computing, state accesss і, можливо, інших окремих ресурсів. […] З багатовимірним газом теоретична максимальна кількість гілок для доказу може істотно скоротитися», — написав розробник.

Докази дійсності виконання EVM

Другим важливим завданням, над яким працює команда Ethereum, є доказ виконання Ethereum Virtual Machine (EVM). За словами Бутеріна, цей елемент є однією зі складових спрощеної перевірки блоку мережі.

Програміст зазначає, що при виконанні певних умов можна отримати полегшений клієнт, який дає змогу здійснити низькоресурсну перевірку виконання EVM. Плюс полягає в тому, що реалізація таких доказів уже застосовуються рішеннями другого рівня, вважає Бутерін. Однак для L1-мереж ще належить зробити подібні технології «життєздатними», визнає він.

Серед головних проблем доказів виконання EVM, що використовуються нині, співзасновник проєкту зазначає два параметри — безпеку і час перевірки.

Для поліпшення першого показника розробник пропонує зробити ставку на багаторазові доказові пристрої та формальну верифікацію.

«Такі пристрої означають наявність кількох незалежно написаних реалізацій доказу дійсності, подібно до того, як є кілька клієнтів, і є прийняття клієнтами блоку, якщо його доведено досить великою підмножиною цих реалізацій», — пояснив програміст із багатовідповідальних пристроїв.

Формальна верифікація, зі свого боку, передбачає застосування інструментів, які підходять для доведення математичних теорем, зазначив розробник. Вони дають змогу переконатися, що рішення приймає тільки вхідні дані, які є правильним виконанням базової специфікації EVM, наголосив він.

Що стосується часу перевірки, то тут, на думку співзасновника Ethereum, необхідно досягти результату, за якого будь-який блок буде доведено за чотири секунди. Програміст визнає віддаленість такої перспективи, але бачить потенціал для успішного просування у вирішенні проблеми.

Для цього розробникам проєкту необхідно рухатися в трьох напрямках:

• розпаралелювання — найшвидший EVM-доказ, здатний перевірити середній блок приблизно за 15 секунд;
• оптимізація системи доказу — нові рішення на кшталт Orion, Binius і GKR, які націлені на скорочення часу перевірки;
• зміна вартості газу та зменшення витрат обчислювальних потужностей на виконання різних операцій.

Допомогти з прискоренням перевірки, за словами Бутеріна, можуть також «два кролики в шапці» — згаданий раніше багатовимірний газ і відкладений стан кореня. Ці пропозиції здатні істотно скоротити час аналізу блоку, але потребують подальшого розроблення, заявив розробник.

Бутерін також вказав на апаратне забезпечення для перевірки за допомогою графічних процесорів. Подібні рішення дають змогу швидше генерувати докази і розробляються компаніями Fabric Cryptography, Cysic і Accseal.

«Це буде надзвичайно цінно для другого рівня, але навряд чи стане вирішальним фактором для L1-рішень, оскільки існує сильне бажання зберегти перший рівень високою мірою децентралізованим», — написав співзасновник Ethereum.

За словами Бутеріна, щодо доказу дійсності виконання EVM належить виконати велику роботу. Це включає як питання технічної реалізації рішень і пропозицій, так і додатковий аналіз щодо зміни ситуації з газом, підсумував експерт.

Докази достовірності консенсусу

Третьою метою майбутнього оновлення The Verge є робота з доказом консенсусу мережі. Це один із двох компонентів перевірки блоку за допомогою технології SNARK, зазначив Бутерін.

Справа стосується частини блокчейна, яка обробляє депозити, зняття, підписи, оновлення балансу валідатора та інші елементи алгоритму Proof-of-Stake в мережі Ethereum.

Співзасновник проєкту впевнений, що хоча ситуація з консенсусом набагато простіша, ніж з EVM, будь-яку реалізацію доказу тут доведеться створювати «з нуля». За його словами, є багато проблем, що потребують розв’язання, і все вказує на необхідність глибокої переробки «ланцюга маяків» — функції переходу стану.

Серед можливих змін Бутерін вказує:

• переформатування хеш-функції;
• зберігання перетасованих записів валідаторів безпосередньо;
• перегляд схеми агрегації підписів;
• використання інших варіантів підпису.

«Реалістично, знадобляться роки, перш ніж у нас з’явиться доказ валідності консенсусу Ethereum. Це приблизно той самий термін, який нам потрібен для впровадження однослотової фіналізації, Orbit, змін в алгоритмі підпису і потенційного аналізу безпеки. […] Отже, має сенс працювати над іншими проблемами, і при цьому пам’ятати про дружелюбність до STARK», — написав розробник.

Говорячи простіше, Віталік Бутерін зазначив, що успішне впровадження The Verge відіграє глобальну роль у подальшому розвитку Ethereum. Однак для підготовки та розгортання цього оновлення будуть потрібні роки активної роботи багатьох програмістів.

Нагадаємо, що раніше співзасновник Ethereum випустив статті про інші етапи дорожньої карти блокчейна: