Thông báo từ Ethereum Foundation
Nhà nghiên cứu của Ethereum Foundation, Justin Drake, đã thông báo rằng lớp 1 của mạng lưới Ethereum sẽ từ bỏ Poseidon sau một nỗ lực nghiên cứu kéo dài tám năm với chi phí lên tới hàng triệu đô la. Thay vào đó, Ethereum sẽ chuyển sang sử dụng các hàm băm đã được thiết lập như SHA-2 hoặc BLAKE2s. Trong một bài đăng trên X vào ngày 13 tháng 8, Justin Drake cho biết:
“Ethereum Foundation đang từ bỏ Poseidon cho lộ trình L1 của mình và chuyển sang các tùy chọn truyền thống như SHA hoặc BLAKE. Tạm biệt, Poseidon!”
Ông mô tả quyết định này là kết quả của một “cái hố thỏ kéo dài 8 năm, 8 con số” trong lĩnh vực mật mã hậu lượng tử.
Về Poseidon và các hàm băm truyền thống
Poseidon được giới thiệu vào năm 2019 như một hàm băm được thiết kế cho các hệ thống chứng minh không kiến thức. Cấu trúc của nó giúp việc xử lý bên trong các Lập luận Không Tương tác Ngắn gọn về Kiến thức (SNARKs) trở nên ít tốn kém hơn so với các hàm băm truyền thống. Kể từ năm 2018, Ethereum Foundation đã đầu tư vào các hàm băm chuyên biệt như một phần trong công việc của mình về công nghệ không kiến thức. Poseidon đã trở thành lựa chọn phổ biến trong các zk-rollups và zkVMs, bao gồm các hệ thống bảo vệ hàng tỷ đô la tài sản tiền điện tử.
Thông báo của Drake liên quan đến kiến trúc L1 tương lai của Ethereum, không có nghĩa là loại bỏ ngay Poseidon khỏi các ứng dụng hiện có. Các rollups, máy ảo và các dự án khác đã sử dụng hàm này không cần phải thay thế nó do quyết định lộ trình. Những tiến bộ trong thiết kế hệ thống chứng minh đã thay đổi sự đánh đổi mà trước đây ưu tiên Poseidon. Theo Drake, các hàm đã được thiết lập như SHA-2 và BLAKE2s có thể đạt được hiệu suất tương đương khi kết hợp với SNARKs được thiết kế xung quanh tính toán nhị phân. Ông nhấn mạnh rằng
“nhìn lại, chìa khóa không phải là các hàm băm thân thiện với SNARK, mà là các SNARK thân thiện với hàm băm.”
Các tiến bộ trong thiết kế hệ thống chứng minh
Các trường nhị phân cho phép các hệ thống chứng minh xử lý logic Boolean được sử dụng bởi các hàm băm tiêu chuẩn một cách tự nhiên hơn. Các thiết kế SNARK trước đây thường dựa vào các trường số nguyên tố lớn, nơi các phép toán dựa trên bit như XOR có thể tốn kém để biểu diễn. Việc làm việc trên số nguyên tố nhỏ nhất, hai, cho phép các hệ thống trường nhị phân căn chỉnh các phép tính của chúng với các số 0 và 1 được sử dụng trong tính toán thông thường. Drake cho biết các thiết kế kết quả có thể chứng minh khoảng 1 triệu cuộc gọi hàm băm truyền thống mỗi giây trên một máy tính xách tay, với chi phí phụ khoảng 100 lần so với việc thực thi CPU gốc.
Các dự án nghiên cứu như Binius và Flock đã góp phần vào những cải tiến về hiệu suất. Binius áp dụng số học trường nhị phân vào các chứng minh không kiến thức, trong khi Flock tập trung vào việc chứng minh các lô lớn các phép tính Boolean, bao gồm các phép tính liên quan đến SHA-256, Keccak và BLAKE3. Drake cũng chỉ ra SNARK.fast, một dự án nghiên cứu tự động sử dụng trí tuệ nhân tạo để cải thiện mã chứng minh, với kết quả mạnh nhất đạt 1,8 triệu lần nén BLAKE3 mỗi giây, tương ứng với mức cải thiện 255% so với tiêu chuẩn ban đầu.
Giảm bớt sự phụ thuộc vào hàm băm chuyên biệt
Việc sử dụng các hàm băm đã được thiết lập có thể giảm bớt sự phụ thuộc của Ethereum vào các hàm mật mã chuyên biệt cần nhiều năm phân tích riêng biệt. SHA và BLAKE đã nhận được nghiên cứu sâu rộng bên ngoài các hệ thống không kiến thức, mặc dù việc triển khai chúng trong Ethereum vẫn sẽ cần nghiên cứu, kiểm toán và thử nghiệm. Quyết định này cũng thay đổi mối quan hệ giữa các hàm băm của Ethereum và cơ sở hạ tầng chứng minh của nó. Thay vì thiết kế một hàm băm mới xung quanh giới hạn của một SNARK, các nhà nghiên cứu có thể xây dựng SNARK xung quanh các hàm băm đã có hồ sơ bảo mật lâu dài.
Chương trình bảo mật hậu lượng tử của Ethereum
Drake liên kết quyết định này với chương trình bảo mật hậu lượng tử của Ethereum, đang chuẩn bị cho giao thức đối phó với các máy tính có khả năng phá vỡ mật mã đường cong elip. Hiện tại, Ethereum phụ thuộc vào các hệ thống như vậy cho tài khoản người dùng và một phần của cơ sở hạ tầng đồng thuận và dữ liệu của nó. Như crypto.news đã báo cáo vào tháng 8, đồng sáng lập Vitalik Buterin đã nâng cao bảo mật lượng tử trong lộ trình cập nhật của Ethereum. Kế hoạch cũng bao gồm quyền riêng tư bản địa, xác minh chính thức, mở rộng hậu lượng tử và các thay thế có thể cho một số phần của Ethereum Virtual Machine.
Drake cho biết những tiến bộ gần đây trong phân tích mật mã hỗ trợ AI đã tạo ra những trở ngại cho các hệ thống hậu lượng tử phức tạp hơn. Ông đặc biệt đề cập đến HAWK, một thiết kế chữ ký dựa trên lưới, và SQIsign, dựa vào mật mã dựa trên isogeny. Theo đánh giá của ông, các vấn đề này củng cố lập luận cho các chữ ký dựa trên hàm băm trên các blockchain. Những thiết kế như vậy sử dụng các giả định tương đối đơn giản và đã được nghiên cứu rộng rãi, mặc dù các chữ ký cá nhân có thể quá lớn để sử dụng trực tiếp ở quy mô hiện tại của Ethereum.
Giải quyết vấn đề kích thước với SNARK
Tập hợp SNARK cung cấp một cách để giải quyết vấn đề kích thước. Một hệ thống chứng minh có thể xác minh nhiều chữ ký dựa trên hàm băm và nén kết quả thành một chứng minh nhỏ hơn cho mạng, thay vì yêu cầu mỗi chữ ký phải được đặt và kiểm tra riêng biệt. Phương pháp tương tự có thể hỗ trợ các sắp xếp chữ ký đa và chữ ký ngưỡng k-of-n, trong đó một giao dịch cần sự chấp thuận từ một số lượng người tham gia nhất định. Drake cho biết sự linh hoạt đến từ việc sử dụng SNARK để chứng minh các quy tắc ủy quyền mà không cần đặt tất cả dữ liệu chữ ký cơ bản lên chuỗi.
Chuẩn bị và thử nghiệm
Các chuẩn bị ở cấp ví đã được thử nghiệm. Vào tháng 6, một nhà nghiên cứu Ethereum đã chứng minh bảo vệ tài khoản bằng cách sử dụng một trình xác minh chữ ký dựa trên SPHINCS, với một phiên bản tối ưu hóa yêu cầu khoảng 127.000 gas và mang theo một chữ ký 3.704 byte. Nhà nghiên cứu ước tính chi phí xác minh khoảng 0,07 đô la cho mỗi tài khoản vào thời điểm đó.
Rủi ro bảo mật và tiêu chuẩn mật mã hậu lượng tử
Đối với các nhà đầu tư và doanh nghiệp Mỹ sử dụng Ethereum, lộ trình này giải quyết một rủi ro bảo mật mà các cơ quan tiêu chuẩn liên bang đã bắt đầu coi là một vấn đề di cư. Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia đã hoàn thiện ba tiêu chuẩn mật mã hậu lượng tử đầu tiên vào tháng 8 năm 2024 và khuyến khích các quản trị viên hệ thống bắt đầu tích hợp chúng. Các tiêu chuẩn của NIST không chỉ đạo các lựa chọn giao thức của Ethereum, và các thuật toán được cơ quan này chọn không tự động làm cho mạng an toàn trước lượng tử. Tuy nhiên, công việc di cư của nó cho thấy rằng các tổ chức Mỹ đang chuẩn bị trước khi các máy tính lượng tử có khả năng phá vỡ mật mã trở nên khả dụng.
Một hội đồng tư vấn độc lập của Coinbase đã đạt được một vị trí tương tự trong một tài liệu dài 50 trang được công bố vào tháng 4. Các thành viên của nó bao gồm Drake, nhà mật mã Stanford Dan Boneh, người sáng lập EigenLayer Sreeram Kannan, người đứng đầu mật mã Coinbase Yehuda Lindell và nhà nghiên cứu hệ thống phân tán Dahlia Malkhi. Hội đồng kết luận rằng các blockchain hiện tại vẫn an toàn trước các cuộc tấn công lượng tử nhưng cảnh báo rằng việc thay thế các chữ ký dễ bị tổn thương trên các mạng, ví và sàn giao dịch có thể mất nhiều năm. Theo tài liệu tư vấn, một số lựa chọn kháng lượng tử có thể làm tăng yêu cầu dữ liệu blockchain lên tới 38 lần. Việc sử dụng tập hợp chứng minh của Ethereum nhằm hạn chế những chi phí như vậy trong khi thay thế mật mã dễ bị tổn thương.
Kế hoạch tương lai của Ethereum
Drake cho biết các SNARK dựa trên hàm băm có thể nén một số lượng chữ ký hậu lượng tử tùy ý thành một chứng minh gọn gàng phù hợp để đưa vào một khối. Nhóm hậu lượng tử của Ethereum Foundation đang làm việc trên cơ sở hạ tầng trường nhị phân như một phần của leanVM, một máy ảo không kiến thức tối thiểu nhằm xác minh và tập hợp các chứng minh mật mã. Drake cho biết lịch trình hiện tại dự kiến một leanVM đạt tiêu chuẩn sản xuất vào năm 2027. Các triển khai liên quan đến các lớp đồng thuận, dữ liệu và thực thi của Ethereum dự kiến sẽ diễn ra vào năm 2028, mặc dù mỗi thay đổi giao thức vẫn sẽ cần thực hiện, thử nghiệm và đồng thuận giữa các nhóm phát triển độc lập của Ethereum. Lịch trình nằm trong Strawmap của Ethereum, một tài liệu phối hợp kỹ thuật kéo dài đến năm 2029 thay vì một lịch trình kích hoạt đã hoàn thiện. Các thông tin trước đó về Strawmap đã mô tả bảy nhánh đề xuất bao gồm các slot nhanh hơn, thời gian hoàn tất ngắn hơn, mật mã hậu lượng tử, quyền riêng tư và khả năng mạng cao hơn. Nhóm hậu lượng tử của Ethereum hiện đang làm việc với Binius, Flock và các hệ thống trường nhị phân liên quan trong khi phát triển các tiêu chuẩn leanVM. Drake cho biết công việc dự kiến vào năm 2028 sẽ áp dụng công nghệ chứng minh kết quả một cách riêng biệt trên lớp đồng thuận, lớp dữ liệu và lớp thực thi.
