กลไกการเข้ารหัสของ Proof-of-Stake

Proof-of-Work (PoW) รักษาความปลอดภัยให้บล็อกเชนด้วยการใช้ทรัพยากรการคำนวณ: นักขุดแข่งขันกันค้นหาแฮชที่ต่ำกว่าค่าเป้าหมาย และผู้ชนะจะต่อบล็อกถัดไปเข้ากับห่วงโซ่ กระบวนการนี้ใช้ไฟฟ้าในสัดส่วนที่สัมพันธ์กับความปลอดภัยของเครือข่าย Proof-of-Stake (PoS) แทนที่การคำนวณด้วยเงินทุนที่นำมาค้ำประกัน — ผู้ตรวจสอบล็อกสกุลเงินดิจิทัลไว้เป็นหลักประกัน และโพรโทคอลจะเลือกผู้เสนอผู้สร้างบล็อกตามสัดส่วนเงินทุนของตน การเปลี่ยนผ่านของ Ethereum จาก PoW ไปเป็น PoS (The Merge, กันยายน 2022) ลดการใช้พลังงานลงมากกว่า 99.9%

ใน PoS ของ Ethereum (ฉันทามติ Gasper) ผู้ตรวจสอบจะวางเงินค้ำประกัน 32 ETH ด้วยการส่งธุรกรรมฝากเงินไปยังสัญญาอัจฉริยะบนชั้นการดำเนินการ เงินฝากนี้ประกอบด้วยกุญแจสาธารณะ BLS ซึ่งเป็นข้อมูลระบุตัวตนของผู้ตรวจสอบ ข้อมูลรับรองการถอน และลายเซ็นที่พิสูจน์ความเป็นเจ้าของกุญแจ สัญญาฝากเงินจะสร้างเหตุการณ์บันทึก ชั้นฉันทามติจะอ่านบันทึกเหล่านี้และจัดคิวผู้ตรวจสอบเพื่อเปิดใช้งานหลังจากมีความล่าช้า (โดยปกติประมาณ 12-24 ชั่วโมง) หลักประกัน 32 ETH จะถูกล็อกไว้จนกว่าจะเปิดให้ถอนเงินได้

ผู้ตรวจสอบของ Ethereum ใช้คู่กุญแจสองชุด ได้แก่ กุญแจลงนาม BLS12-381 สำหรับหน้าที่ด้านฉันทามติ (การรับรอง การเสนอผู้สร้างบล็อก และคณะกรรมการซิงก์) กับกุญแจถอนเงินอีกชุดหนึ่งสำหรับโอนเงิน ลายเซ็น BLS บนเส้นโค้ง BN-254 หรือ BLS12-381 รองรับการรวมลายเซ็นอย่างมีประสิทธิภาพ โดยสามารถรวมลายเซ็นของผู้ตรวจสอบหลายแสนรายการเป็นลายเซ็นเดียวขนาด 96 ไบต์ได้ การรวมนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อความสามารถในการขยายระบบ หากไม่มีการรวม ทุกช่องเวลาจะต้องใช้ข้อมูลลายเซ็นหลายกิกะไบต์

เส้นเวลาฉันทามติของ Ethereum แบ่งออกเป็นช่องเวลา (ช่องละ 12 วินาที) และยุค (32 ช่องเวลา = 6.4 นาที) ในแต่ละช่องเวลา จะมีการเลือกผู้ตรวจสอบหนึ่งคนแบบสุ่มเทียมให้เป็นผู้เสนอผู้สร้างบล็อก ผู้ตรวจสอบที่ทำงานอยู่ทั้งหมดจะถูกแบ่งเป็นคณะกรรมการ (โดยทั่วไปคณะกรรมการละ 512 คน) เพื่อรับรองส่วนหัวของห่วงโซ่ การจัดคณะกรรมการจะหมุนเวียนทุกยุค โดยใช้อัลกอริทึมสับเปลี่ยนที่อาศัย RANDAO (Fisher-Yates โดยใช้ RANDAO เป็นแหล่งเอนโทรปี) เพื่อป้องกันการควบคุมองค์ประกอบของคณะกรรมการ

การคัดเลือกผู้ตรวจสอบใน PoS ต้องอาศัยความสุ่มที่คาดเดาไม่ได้และควบคุมไม่ได้ Ethereum ใช้ RANDAO ซึ่งเป็นโครงร่างการประกาศคำมั่นสัญญาและเปิดเผยที่ฝังอยู่ในโพรโทคอล ผู้เสนอผู้สร้างบล็อกแต่ละคนต้องใส่ลายเซ็น BLS บนหมายเลขยุคปัจจุบัน ลายเซ็นนี้เพิ่มเอนโทรปีใหม่ด้วยการนำไป XOR กับค่า RANDAO ที่สะสมไว้ ผลลัพธ์ของ RANDAO ใช้เลือกผู้เสนอผู้สร้างบล็อกของช่องเวลาถัดไปและสับเปลี่ยนคณะกรรมการ ฝ่ายโจมตีที่ควบคุมผู้เปิดเผยข้อมูลคนสุดท้ายในยุคหนึ่งสามารถทำให้ RANDAO เบี่ยงเบนได้เล็กน้อยด้วยการระงับบล็อกของตน แต่ต้องแลกด้วยรางวัลบล็อกของตนเอง

ความปลอดภัยของ PoS ขึ้นอยู่กับการที่ผู้ตรวจสอบประพฤติตนอย่างซื่อสัตย์ การลงโทษด้วยการตัดเงินค้ำประกันลงโทษพฤติกรรมไม่เหมาะสมสองประเภทโดยเฉพาะ ได้แก่ การลงนามยืนยันสองแบบ (ลงนามในบล็อกที่แตกต่างกันสองบล็อกสำหรับช่องเวลาเดียวกัน) และการลงคะแนนแบบล้อมรอบ (ส่งคำรับรองที่ขัดแย้งกัน) หลักฐานการลงโทษจะถูกส่งขึ้นบล็อกเชนในรูปธุรกรรมที่มีข้อความลงนามสองข้อความซึ่งมีเนื้อหาขัดแย้งกันแต่ใช้กุญแจผู้ตรวจสอบเดียวกัน ผู้ตรวจสอบที่กระทำผิดจะสูญเสียเงินค้ำประกันบางส่วน (อย่างน้อย 1/32 และอาจสูญเสียทั้งหมดหากมีผู้ตรวจสอบจำนวนมากถูกลงโทษพร้อมกัน) และถูกนำออกจากระบบโดยบังคับ

กลไกการยืนยันขั้นสุดท้ายของ Ethereum คือ Casper กลไกการยืนยันขั้นสุดท้ายแบบเป็นมิตร (FFG) ซึ่งทำงานอยู่บนกฎการเลือกสายโซ่ LMD-GHOST ในทุกยุค ตัวตรวจสอบความถูกต้องจะลงคะแนนให้จุดตรวจสอบ (ต้นทาง, เป้าหมาย) โดยต้นทางคือจุดตรวจสอบล่าสุดที่ได้รับการรับรอง และเป้าหมายคือบล็อกขอบเขตของยุคปัจจุบัน จุดตรวจสอบจะได้รับการรับรองเมื่อเงินเดิมพัน 2/3 รับรองจุดนั้น และจุดตรวจสอบที่ได้รับการรับรองจะได้รับการยืนยันขั้นสุดท้ายเมื่อจุดตรวจสอบถัดไปได้รับการรับรองแล้ว เมื่อยืนยันขั้นสุดท้ายแล้ว จะไม่สามารถย้อนบล็อกกลับได้หากไม่ทำลาย ETH ที่นำมาวางเดิมพันอย่างน้อย 1/3 ของทั้งหมด ทำให้การย้อนกลับมีความเสียหายทางเศรษฐกิจอย่างร้ายแรง

ระหว่างจุดตรวจสอบที่ได้รับการยืนยันขั้นสุดท้าย ตัวตรวจสอบความถูกต้องต้องเห็นพ้องกันว่าหัวสายโซ่หลักคือส่วนใด Ethereum ใช้ LMD-GHOST (การเลือก SubTree ที่มีน้ำหนักมากที่สุดจากข้อความล่าสุดที่สังเกตได้) การรับรองล่าสุดของตัวตรวจสอบความถูกต้องแต่ละรายจะนับเป็นหนึ่งคะแนนเสียง อัลกอริทึมการเลือกสายโซ่จะเดินตามแขนงที่มีน้ำหนักเงินเดิมพันสะสมมากที่สุด ณ จุดแยกแต่ละจุด โดยนับเฉพาะข้อความล่าสุดของตัวตรวจสอบความถูกต้องแต่ละราย การผสาน LMD-GHOST ซึ่งให้ความมีชีวิต เข้ากับ Casper FFG ซึ่งให้การยืนยันขั้นสุดท้าย ก่อให้เกิด Gasper โปรโตคอลฉันทามติสมบูรณ์ของ Ethereum

กุญแจของตัวตรวจสอบความถูกต้อง Ethereum ใช้การแยกส่วนด้วยวิทยาการเข้ารหัสอย่างจงใจ กุญแจลงนาม BLS เป็นกุญแจที่ใช้งานอยู่ โดยใช้ในทุกช่องเวลาสำหรับการรับรอง จึงมีความเสี่ยงสูงกว่า ข้อมูลรับรองการถอนคือค่าแฮชของกุญแจอีกชุดหนึ่ง หรือเป็นที่อยู่สำหรับการประมวลผลของ Ethereum หลัง EIP-4895 การแยกส่วนนี้หมายความว่ากุญแจลงนามที่ถูกเจาะไม่สามารถนำ ETH ที่วางเดิมพันไปขโมยได้ ผู้โจมตีทำได้เพียงทำให้กุญแจถูกตัดเงินเดิมพันและสูญเสียเงินเดิมพันของตัวตรวจสอบความถูกต้องเท่านั้น เฉพาะกุญแจถอนเท่านั้นที่เริ่มการโอนเงินได้ และสามารถเก็บไว้แบบออฟไลน์ในอุปกรณ์ฮาร์ดแวร์

เทคโนโลยีตัวตรวจสอบแบบกระจาย (DVT) แก้ปัญหาความเสี่ยงจากจุดล้มเหลวเพียงจุดเดียวในการวางเดิมพันคนเดียว ด้วยการใช้ลายเซ็น BLS แบบเกณฑ์ กุญแจตัวตรวจสอบความถูกต้องหนึ่งชุดจะถูกแบ่งให้ผู้ดำเนินการหลายราย เช่น 3-of-5 การเสนอหรือการรับรองบล็อกต้องได้รับความเห็นพ้องตามเกณฑ์ก่อนจึงจะสร้างลายเซ็น BLS รวมได้ ไม่มีผู้ดำเนินการรายใดถือกุญแจทั้งชุด โครงการอย่าง Obol Network และ SSV Network นำ DVT ไปใช้งาน ช่วยเพิ่มความทนทานต่อข้อผิดพลาดและทำให้สถาบันต่าง ๆ วางเดิมพันได้โดยไม่ต้องให้ศูนย์กลางใดเป็นผู้ดูแลกุญแจ

บล็อกเชนแบบหลักฐานการถือครองแต่ละระบบใช้กลไกการเข้ารหัสแตกต่างกัน Solana ใช้รูปแบบหนึ่งของ Tower BFT ร่วมกับการประทับเวลาแบบคล้าย VDF หรือที่เรียกว่าหลักฐานแห่งประวัติ เพื่อกำหนดลำดับก่อนเข้าสู่ฉันทามติ Cardano ใช้ Ouroboros ซึ่งเป็นโปรโตคอลหลักฐานการถือครองที่พิสูจน์ความปลอดภัยได้ พร้อมหลักฐานความปลอดภัยด้านการเข้ารหัสอย่างเป็นทางการในแบบจำลองการประกอบสากล บล็อกเชนของ Cosmos ใช้ Tendermint BFT ซึ่งเป็นโปรโตคอล BFT แบบดั้งเดิมที่มีการยืนยันขั้นสุดท้ายด้วยองค์ประชุม 2/3 ภายในรอบเดียว การออกแบบแต่ละแบบเลือกจุดแลกเปลี่ยนที่แตกต่างกันระหว่างความปลอดภัย ความมีชีวิต การกระจายศูนย์ และปริมาณงาน

หลักฐานทางวิทยาการเข้ารหัสหลักที่ใช้ตัดเงินเดิมพันของตัวตรวจสอบความถูกต้อง Ethereum คืออะไร

หลักฐานการถือครองแทนที่การคำนวณของหลักฐานการทำงานด้วยหลักประกันทางเศรษฐกิจ ตัวตรวจสอบความถูกต้องของ Ethereum ใช้กุญแจ BLS12-381 เพื่อสร้างการรับรองที่รวมเข้าด้วยกันได้ RANDAO มอบความสุ่มภายในโปรโตคอลสำหรับการเลือกผู้เสนอและการสับเปลี่ยนคณะกรรมการ Casper FFG ให้การยืนยันขั้นสุดท้ายผ่านคะแนนเสียงของจุดตรวจสอบที่มีเสียงข้างมากพิเศษ 2/3 LMD-GHOST ทำหน้าที่เลือกสายโซ่ระหว่างจุดตรวจสอบ การตัดเงินเดิมพันลงโทษการส่งข้อความขัดแย้งและการลงคะแนนแบบล้อมรอบ โดยใช้หลักฐานบนบล็อกเชนของข้อความที่ลงนามขัดแย้งกัน DVT เพิ่มความทนทานด้วยการแบ่งกุญแจ BLS ตามเกณฑ์