精简共识:2026计划

tcoratger 发布于 2025-11-28 阅读 39

Lean Consensus是以太坊共识层的大规模重构提案,旨在通过一次硬分叉整合后量子密码学、零知识证明和新的共识机制,以解决技术债务并加速协议稳定。

引言与愿景

该项目最初由 Justin Drake 在 Devcon 2024 上作为 Beam Chain 提出,现已更名为 Lean Consensus。它代表了对以太坊共识层的一项重新设计提议。主要目标是实现从目前的信标链(五年前设计)到现代化最终设计的过渡,该设计融入了最大可提取价值(MEV)、零知识(ZK)技术和共识机制方面的最新研究成果。

最终目标是将这些重大升级打包成一个硬分叉。这种做法旨在消除累积的技术债务,并加速以太坊走向 ossification(协议稳定状态,共识层进入维护模式)的进程。

升级路线图

该提案根据优先级将升级分为三个具体类别。这一结构为我们的工程工作提供了指导方向:

优先级 区块生产 质押 密码学
P0 抗审查<br>例如 FOCIL 更智能的发行<br>例如质押上限 链的 SNARK 化<br>例如 Poseidon + zkVM
P1 独立验证者<br>例如执行拍卖 更小的验证者<br>例如 1 ETH Orbit 质押 量子安全<br>例如基于哈希的签名
P2 更快的Slot<br>例如 4 秒 更快的最终性<br>例如 3 Slot FFG 强随机性<br>例如 MinRoot VDF

2025 年回顾:研究与规范

2025 年致力于验证密码学层的可行性、探索社会协调层,并为快速最终性建立理论界限。

社会协调

2025 年初的重点是社区建设和技术对齐。我们建立了一系列 Lean Consensus 电话会议,用于介绍具体的工作类别(密码学、快速最终性、彩虹质押、P2P 等)。这些会议成功地将以太坊基金会内外的贡献者整合在一起。

密码学与零知识基础设施

我们在 2025 年初优先处理了密码学层,将其确定为主要的工程瓶颈,因为该层依赖于 SNARK 和 zkVM 等新兴技术。该领域的工作通过五个不同的阶段推进:

  1. XMSS 方案设计: 密码学团队设计并发布了一种专门为以太坊量身定制的新 XMSS 变体。

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  1. 实现与聚合: 工程工作随后转向该方案的实际实现以及签名聚合机制的分析。

  2. 聚合策略: 这一年中很大一部分时间用于设计聚合方法。底层方案的选择(无论是依赖自定义电路设计、特定的 zkVM 还是折叠方案)至关重要,因为它决定了共识层的简洁性、安全性和可扩展性。这仍然是一个活跃且敏感的研究领域。

  3. LeanVM 设计: 为了支持高吞吐量的聚合,我们开始开发一个专用的最小化 zkVM。这项工作包括 Emile 全职从事 VM 架构(LeanVM)以及底层原语(特别是 WHIR 多项式承诺方案和 Plonky3)的优化。

  4. 规范: 最近的工作重点也稍微扩展到了正式规范。我们正在起草一份干净、可执行的 Python 规范,以弥合实验研究与客户端实现之间的差距。

挑战与成功

我们遇到了特定的技术难题,特别是在 XMSS 编码方案方面——它需要进一步优化以支持 zk 友好性——以及 LeanVM 的聚合性能。

然而,这些挑战被显著的协作成功所平衡。与客户端团队的合作富有成效,获得了积极的规范审查和错误识别。此外,我们的密码学工作得到了与外部人才的合作支持,最终在剑桥 PQ 研讨会上,最优秀的专家齐聚一堂,准备为这一巨大努力贡献力量。

快速最终性研究

在整个 2025 年,以太坊基金会的共识研究团队加强了对快速最终性的关注。这项研究最终形成了与原始 Lean Consensus 提案架构目标相一致的新颖设计,特别针对更低的延迟和更高的容错性。关键举措包括:

  • 异步弹性最终性组件(ARFG): 团队探索了将可用性与最终性分离的架构,特别是将 ARFG 与高吞吐量的可用链集成。这种分离使得网络即使在不稳定期间也能保持响应迅速的用户体验。

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  • 偏向活跃性的拜占庭容错协议: 包括 Yann Vonlanthen 在内的研究人员提出了针对不利场景的协议优化,即实际故障数(t)超过理论安全阈值(f)的情况。这些设计优先考虑链的进展和活跃性,确保网络即使在最终性暂时停止时也能继续运行。

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技术架构参考

2025 年的研究阶段为以太坊共识层确立了一个新的架构标准。这一蓝图通过严格的分析和原型设计建立,构成了我们 2026 年工程计划的基础。

密码学:后量子迁移

我们正在将共识层从权益证明时代过渡到零知识时代。核心架构变化是用基于哈希的签名取代 BLS 签名,同时实现量子抗性和 SNARK 友好性。

XMSS(扩展默克尔签名方案)

  • 通用框架: 我们使用一个通用的 XMSS 框架,而不是一个固定的实例。这采用了一种多次签名结构,其中一棵默克尔树承诺一系列一次性公钥(Winternitz 链)。默克尔根充当验证者的持久公钥。
  • Poseidon2 集成: 为了优化聚合层中的电路效率,该设计专门使用 Poseidon2 哈希函数。这取代了 SHA-256,以最小化 zkVM 中的约束开销。
  • 标准模型安全性: 我们旨在基于明确的标准模型属性(如多目标碰撞抗性)来证明安全性,从而提供更严格的安全保证。

聚合引擎:LeanVM

聚合数千个后量子签名需要一个专门的执行环境。我们正在开发 LeanVM,这是一个专为高吞吐量递归聚合而构建的最小化 zkVM。

设计规范:

  • KoalaBear 域: VM 在 KoalaBear 素数域(p=2^31−2^24+1)上运行。这种小域大小使得元素可以放入标准的 32 位整数中,并为 Poseidon2 实现高效的 S 盒。
  • 确定性架构: 该架构是一个简化的指令集,具有只读内存模型。
  • 预编译总线: 为了实现每秒 1000 个签名的目标吞吐量,VM 通过 Logup* 集成总线将繁重的密码学操作卸载出去。关键的预编译包括:
    • POSEIDON_16 / POSEIDON_24:原生置换。
    • DOT_PRODUCT:用于向量运算的加速线性代数。
    • MULTILINEAR_EVAL:支持 WHIR 多项式承诺方案的多项式求值。

共识:解耦协议

最近的共识讨论演变为一个层次化的解耦协议(事情可能继续演变)。该架构将链分为三个不同的层次,在顶端优化速度,在底层优化绝对安全性。

Layer1:ChFast(可用链)

  • 协议: Goldfish(基于 GHOST-Eph)。
  • 角色: 高吞吐量、低延迟的区块生产。
  • 逻辑: 使用一个临时性分叉选择规则,该规则仅考虑紧邻前一个Slot(ΔAC)中的投票,并锚定到Layer2的最新稳定检查点。

Layer2:ChMaj(多数链)

  • 协议: RLMD
  • 角色: 使用多数投票(>50%)将概率性的 ChFast 过滤为一个经过验证的链。

第 3 层:ChFin(最终链)

  • 协议: 拜占庭容错(BFT)
  • 角色: 提供经济最终性和问责制。

ARFG 与同步器

Layer2和第 3 层共同构成了异步弹性最终性组件(ARFG)。这一层的一个关键创新是用同步器取代传统的区块提议者。

  • 角色: 同步器不产生区块(该功能隔离在 ChFast 中)。
  • 功能: 其唯一职责是网络对齐——广播一个视图以确保诚实的验证者收敛到相同的数据集,从而在异步时期之后促进快速“愈合”。

偏向活跃性的变体

为了应对不利的网络条件,以太坊基金会的研究人员正在考虑偏向活跃性的协议(例如 Live-Simplex、Live-Minimmit)。这些变体允许系统在活跃副本数量低于标准最终化阈值(t>f)的情况下,只要至少有 2f+1 个副本在线,仍然可以推进视图并维持非活跃性泄漏。

2026 年工程路线图:实现与集成

2026 年的主要目标是从研究可行性过渡到生产级实现。今年的重点将是具体化密码学方案、优化聚合环境,并通过严格的 Multi-Client 互操作性测试来验证共识架构。

后量子密码学与聚合

优先任务是充分降低 XMSS 签名方案和 LeanVM 聚合管道的风险,确保它们满足严格的安全和性能标准。

  • XMSS 安全性分析: 对所选 XMSS 参数的已知最佳攻击与可证明安全界限之间进行全面的差距分析。目标是验证编码和调整机制的安全性,而无需依赖过于保守的参数。
  • LeanVM 性能目标: 实现最小化 zkVM 的特定吞吐量指标:
    • 每秒聚合 1000 个 XMSS 签名
    • 在大约 200ms 内执行一次 2-to-1 递归证明聚合。
  • 架构简洁性: 降低 LeanVM 架构的复杂性。其逻辑应像 XMSS 方案本身一样易于理解(例如,能在 30 分钟内向初学者解释清楚),以方便审计和正确性检查。
  • 可靠性与测试: 为 VM 建立一套健壮的测试套件,包括单元测试、模糊测试和形式化验证工作,目标是达到 128 位的可证明安全性。

密码学原语的优化

我们将优化底层密码学原语,以确保证明系统足够高效,能够满足主网约束。

  • Plonky3 增强: 在 Plonky3 中实现底层优化,包括 SIMD 向量化、矩阵运算改进和 FFT 优化。
  • WHIR 稳定化: 最终确定 WHIR 多项式承诺方案。我们旨在实现已识别的优化(例如 sumcheck、Fiat-Shamir 改进),以得到一个稳定、高性能的版本,并可以上游合并到 Plonky3。

共识逻辑与快速最终性

我们将把快速最终性研究形式化为可执行规范和模拟工具。

  • 规范集成: 将选定的快速最终性设计(例如 Live-Simplex、Live-Minimmit 或 ARFG)纳入官方的 Lean Consensus 规范。
  • 模拟环境: 开发一个基于 Python 的模拟平台。该工具将允许研究人员对各种提案(例如 2 Slot最终性与 3 Slot最终性)进行建模,并生成关于复杂性、延迟和容错性的经验数据,超越理论模型。

Devnet 里程碑与互操作性

工程周期将以长期运行的开发者网络作为终点,这些网络在实际网络条件下验证可用链与最终性组件之间的交互。

  • Multi-Client 互操作性: 实现一个稳定的 devnet,至少包含 5 个不同的客户端实现(例如 Lantern、Qlean、Ream、Zeam)。
  • 规模测试: 部署一个长期运行的 devnet(持续时间 >1 个月),支持 10000 个验证者,以测试系统稳定性和大规模下的 epoch 处理。
  • 网络性能: 验证 P2P 拓扑和传播延迟,目标是 256KB 的 SNARK 在不到一秒内传播。
  • 发布节奏: 建立每月发布 devnet 的目标,逐步集成新功能。

规范与工具

我们将继续完善 Python 可执行规范,使其作为客户端团队的参考实现。

  • 规范质量: 对代码库进行现代化改造,确保其轻量、模块化并具有详尽的文档。
  • 客户端接入: 将规范作为现有以太坊客户端团队的主要接入工具。重点将是代码的清晰性和可审查性,以最小化实现摩擦,并在开发周期早期发现共识错误。
  • 原文链接: hackmd.io/@tcoratger/ryS...
  • 登链社区 AI 助手,为大家转译优秀英文文章,如有翻译不通的地方,还请包涵~

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