DVT分布式验证技术:以太坊合并后的下一个关键

2022 年 9 月 15 日,以太坊区块链完成了 7 年以来最重要的合并,即从PoW过渡到权益证明PoS共识机制。除去减少能耗、降低门槛,人们也在担心 PoS 的共识机制会带来更大范围的网络集中控制,因为 PoS 会赋予持有大量股份的人更多的投票权。故而,合并完成后,开发者需要参与开发、测试,尽可能减少潜在的网络故障、提高去中心化程度,扩展网络。

以太坊路线图显示,分布式验证技术将是以太坊合并后的下一个关键。根据Messari的最新报告,DVT 能够提高验证器的安全性,DVT 或会是以太坊网络的主要发展之一。

DVT分布式验证技术:以太坊合并后的下一个关键

DVT 是什么?

分布式验证技术,Distributed Validator Technology(简称 DVT)类似于共识投票的多重签名,它能允许以太坊 PoS 验证器在多个节点或机器进行,从而验证者可以在多个节点进行投票,支持以太坊验证其分布式操作是该技术的核心目的。这一技术最早出现在以太坊基金会成员的研究论文中,原被称为 SSV。通过 3-of-4 设置(概念见下),DVT 允许个人、团体或者社区的节点共同组成单个验证器。DVT 通过为验证者增加容错层,提高容错率,在验证过程中,某一节点出现故障,验证器依旧可以继续运行,从而消除了单点故障、双重签名惩罚、分叉惩罚的可能性。

DVT分布式验证技术:以太坊合并后的下一个关键

相关概念

  • 共识(Consensus):单个验证者的职责被分配给多个共同验证者,签署消息需要共同验证者就投票达成一致。

  • M-of-N 阈值签名:验证者的私钥将会分为 N 份,每位验证者持 1/N,当 M 个验证者投票达成一致签署后,即可完成签名。

工作原理

DVT 由 4 个关键部分组成:分布式密钥生成、BLS 签名的 Shamir 密钥共享、安全多方计算和 DVT BFT 共识层。

  • 分布式密钥生成(DKG):由所有参与者分配加密私钥,从而防止一方直接控制整个私钥。

  • Shamir 的私钥共享:私钥共享指的是私钥被拆分并被分配给不同参与者,如果需要重设私钥,则需要需要组合预定义的份额阈值(例如,4 份中的 3 份)。

  • 多方计算(MPC):多方计算在分布式验证器技术中最为关键。通过缩放计算,运营商可以使用他们的私钥共享来签署消息和执行计算,而无需在任何单个设备上重建;多方计算能够让运营商在不同机器上以分布式的方式、安全地协调密钥生成和重建。

  • 共识达成:容错是通过阈值签名方案 Beacon 节点间的共识算法达成的,ETH验证器 与 Beacon 节点连接后,即可达成共识。

DVT分布式验证技术:以太坊合并后的下一个关键

如上图所示,首先由 DVT 运营商计算得出生成共享公钥和私钥加密的过程;再将被拆分后的私钥共享给不同参与者,与此同时,私钥份额会分发给运营商;接下来,由运营商进行多方计算随机选择验证节点(该节点会与其他节点共享信息),参与的验证者通过预定义阈值认证后,即可达成共识。

为什么需要 DVT?

DVT 是为了解决合并后出现的诸多问题,其中中心化是需要应对的核心威胁。除此之外,协议规则影响下,验证者资产受损、以太坊生态稳定性下降也是亟需解决的问题。

中心化风险

以太坊规则规定持有不足 ETH 数量小于 32 的用户将被限制维护验证器,对于这些用户而言,质押服务是唯一解决方案,这进一步导致大量加密资产被储存在中心化交易所。以太坊最大的质押服务商LidoFinance 存入了超过 400 万个以太币,占质押加密资产总量的 32%。当大量加密资产被存入交易所时,黑客攻击、不合理的审查制度、技术错误都会威胁以太坊生态,造成集中化风险。

DVT分布式验证技术:以太坊合并后的下一个关键

单点故障

私钥对于独立的验证器至关重要,因为一旦丢失或忘记私钥,资产将无法访问。合并后,PoS 禁止冗余的协议规则使得每个验证者只能签署一台验证器,这意味着如果节点宕机、黑客攻击等问题出现后,缺乏故障保护的单节点验证器会导致验证者资产的直接受损,并进一步影响以太坊整体稳定性。

双重签名惩罚

如果验证者使用相同的密钥多次签署,网络故障、云故障等问题导致离线,用户将失去部分质押额度。

分叉惩罚

在 PoS 制度下,验证器连接的 Beacon 节点出现故障后,会建立一个分叉。但在这样的情况下,验证者受到影响导致被认定为离线,验证者依旧会被处罚。

集中和中心化的后果与区块链目的背道而驰,安全威胁和资产处罚则会产生消极影响。为了解决上述困境,分布式验证器技术应运而生。

DVT 有什么发展潜力?

提高以太坊去中心化程度、安全性和运行效率,DVT 被业界人士寄予厚望。

优势

DVT 作为节点集群运行的验证器弹性较高,风险较小,所以能够提高质押的稳定性。

  • 对于大型验证器,DVT 能够保障高可用性,降低基础设施成本:改进的冗余和更低的削减风险能够让更少的验证者运营更多的节点,从而降低硬件成本;通过允许客户端配置和地址在多个节点运行,DVT 能够降低单个地址或客户端的故障风险。

  • 对于小型验证器,DVT 能够提供与较大验证器相当的保护级别:使用 DVT小型验证器能够提供与大型验证其媲美的效率;通过降低运行节点的 ETH 要求,DVT 能够使得用它用户使用社区质押池或家庭验证器实现验证。

  • 对于流动性质押协议,DVT 能提高效率,降低风险,允许运营商参与:通过在网络中提供冗余,DVT 不再依赖可能导致离线停机的任一运营商;此外,运营商能够通过组织成不同集群,提高了质押者协议的性能。

用例

  • 在去中心化质押池中的应用:使用 DVT,质押池可以切换到去中心化模型,通过减少停机时间来减少处罚和削减。

  • 质押基础设施提供商:通过 DVT,基础设施供应商能够启用主动-主动集群冗余,实现部署和配置的动态性。以前,为了满足个人或机构质押,基础设施供应商需要为主动-被动配置的机构提供冗余解决方案。现在,主动-主动冗余能以保障冗余系统能够始终运营为目标,将验证器分散在多台机器上从而创建容错。

  • 设置独立验证者:通过 DVT,验证器可以在主动-主动集群冗余中跨多个节点分配签名权力,故而能够最大限度地减少由于停机、双重签名等原因导致的签名失败和处罚风险。

相关项目

自 DVT 提出以来,Obol Network 和 SSV Network 都已经开发了基于 DVT 的项目。

1. Obol Network

Obol Network 推出了插件客户端 Charon 来启用 DVT,能够以容错的分布式方式运行。通过调整 DVT 技术,Obol 引入主动-主动冗余来解决运行主动-被动系统的缺点。验证器不是在一台机器上运行,而是在多台机器上运行以创建容错,承受部分节点故障。通过沟通并达成共识,多个 Charon 客户端一起行动,模拟一个统一的验证者。在这一过程中,Charon 使验证器得以任何支持信标链标准的 HTTP API 的客户端,并能够维护现有的远程签名基础设施。所以,对于验证者而言,Charon 提供了更轻松的采用途径。

在未来发展方向上,Obol Labs 将持续关注 DVT,推动其在应用密码学和密码经济学的应用。

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2. SSV Network

SSV Network 已发布用于去中心化质押的网络基础设施层,在 SSV 的模型中,每个验证者需要从运营者网络中选择 4 个节点进行多重签名投票。SSV Network 有两个不同层,SSV 点对点 (P2P) 网络层和用于网络治理的以太坊合约层:前者主要从智能合约中读取操作者列表和验证者股权分配,从而操作验证器;后者主要根据 DVT 运营商排名和评估,添加操作员、创建其和分配资产。

目前,SSV Network 已经资助多个项目应用 DVT,未来它将继续致力于使用去中心化的以太坊质押基础设施搭建应用程序的构建块。

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结语

对于用户而言,DVT 解决了质押的诸多挑战,降低了普通人的进入门槛。对于开发者而言,DVT 同样大有裨益。借助 DVT,机构或独立验证者能够享受协议的安全性和灵活性,享有双活冗余配置,根据多种因素实现操作多样化。可以期待在不久的未来,DVT 能够赋能质押,实现互补验证节点配置和协同工作,实现一个真正的去中心化的以太坊。

参考文献

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