Finalitas Slot Tunggal

Dibutuhkan waktu sekitar 15 menit untuk memfinalisasi blok Ethereum. Namun, kita dapat membuat mekanisme konsensus Ethereum memvalidasi blok dengan lebih efisien dan mengurangi waktu finalitas secara dramatis. Alih-alih menunggu lima belas menit, blok dapat diusulkan dan difinalisasi dalam slot yang sama. Konsep ini dikenal sebagai finalitas slot tunggal (SSF).

Apa itu finalitas?

Dalam mekanisme konsensus proof-of-stake Ethereum, finalitas mengacu pada jaminan bahwa sebuah blok tidak dapat diubah atau dihapus dari blockchain tanpa membakar setidaknya 33% dari total ETH yang dipertaruhkan. Ini adalah keamanan 'kripto-ekonomi' karena kepercayaan berasal dari biaya yang sangat tinggi terkait dengan mengubah urutan atau konten rantai yang akan mencegah setiap pelaku ekonomi rasional untuk mencobanya.

Mengapa mengincar finalitas yang lebih cepat?

Waktu finalitas saat ini ternyata terlalu lama. Sebagian besar pengguna tidak ingin menunggu 15 menit untuk finalitas, dan hal ini tidak nyaman bagi aplikasi dan bursa yang mungkin menginginkan throughput transaksi yang tinggi untuk menunggu selama itu untuk memastikan transaksi mereka bersifat permanen. Adanya penundaan antara proposal blok dan finalisasi juga menciptakan peluang untuk reorganisasi singkat (reorg) yang dapat digunakan oleh penyerang untuk menyensor blok tertentu atau mengekstrak MEV. Mekanisme yang menangani peningkatan blok secara bertahap juga cukup kompleks dan telah beberapa kali ditambal untuk menutup kerentanan keamanan, menjadikannya salah satu bagian dari basis kode Ethereum di mana bug halus lebih mungkin muncul. Masalah-masalah ini semua dapat dihilangkan dengan mengurangi waktu finalitas menjadi satu slot.

Trade-off desentralisasi / waktu / overhead

Jaminan finalitas bukanlah properti langsung dari blok baru; butuh waktu bagi blok baru untuk difinalisasi. Alasannya adalah validator yang mewakili setidaknya 2/3 dari total ETH yang dipertaruhkan di jaringan harus memilih blok ('bersaksi') agar blok tersebut dianggap final. Setiap node validasi di jaringan harus memproses kesaksian dari node lain untuk mengetahui bahwa sebuah blok telah mencapai ambang 2/3 atau tidak.

Semakin pendek waktu yang diberikan untuk mencapai finalisasi, semakin banyak daya komputasi yang diperlukan di setiap node karena pemrosesan kesaksian harus dilakukan lebih cepat. Juga, semakin banyak node validasi yang ada di jaringan, semakin banyak kesaksian yang harus diproses untuk setiap blok, yang juga menambah daya komputasi yang diperlukan. Semakin banyak daya komputasi yang diperlukan, semakin sedikit orang yang dapat berpartisipasi karena perangkat keras yang lebih mahal diperlukan untuk menjalankan setiap node validasi. Meningkatkan waktu antar blok mengurangi daya komputasi yang diperlukan di setiap node tetapi juga memperpanjang waktu finalitas, karena kesaksian diproses lebih lambat.

Oleh karena itu, ada trade-off antara overhead (daya komputasi), desentralisasi (jumlah node yang dapat berpartisipasi dalam validasi rantai), dan waktu finalitas. Sistem yang ideal menyeimbangkan daya komputasi minimum, desentralisasi maksimum, dan waktu finalitas minimum.

Mekanisme konsensus Ethereum saat ini menyeimbangkan ketiga parameter ini dengan:

• Menetapkan setoran minimum sebesar 32 ETH. Ini menetapkan batas atas pada jumlah kesaksian validator yang harus diproses oleh node individu, dan oleh karena itu batas atas pada persyaratan komputasi untuk setiap node.
• Menetapkan waktu finalitas pada ~15 menit. Ini memberikan waktu yang cukup bagi validator yang berjalan di komputer rumah biasa untuk memproses kesaksian untuk setiap blok dengan aman.

Dengan desain mekanisme saat ini, untuk mengurangi waktu finalitas, perlu mengurangi jumlah validator di jaringan atau meningkatkan persyaratan perangkat keras untuk setiap node. Namun, ada perbaikan yang dapat dilakukan pada cara pemrosesan kesaksian yang memungkinkan lebih banyak kesaksian dihitung tanpa menambah overhead di setiap node. Pemrosesan yang lebih efisien akan memungkinkan finalitas ditentukan dalam satu slot, bukan di dua epoch.

Jalur menuju SSF

Mekanisme konsensus saat ini menggabungkan kesaksian dari banyak validator, yang dikenal sebagai komite, untuk mengurangi jumlah pesan yang harus diproses setiap validator untuk memvalidasi blok. Setiap validator memiliki kesempatan untuk bersaksi di setiap epoch (32 slot) tetapi di setiap slot, hanya sebagian validator, yang dikenal sebagai 'komite', yang bersaksi. Mereka melakukannya dengan membagi ke dalam subjaringan di mana beberapa validator dipilih sebagai 'aggregator'. Aggregator tersebut masing-masing menggabungkan semua tanda tangan yang mereka lihat dari validator lain di subjaringan mereka menjadi satu tanda tangan agregat. Aggregator yang mencakup jumlah kontribusi individu terbesar meneruskan tanda tangan agregat mereka ke pengusul blok, yang memasukkannya ke dalam blok bersama dengan tanda tangan agregat dari komite lainnya.

Proses ini menyediakan kapasitas yang cukup bagi setiap validator untuk memilih di setiap epoch, karena 32 slot * 64 komite * 256 validator per komite = 524.288 validator per epoch. Pada saat penulisan (Februari 2023) ada sekitar ~513.000 validator aktif.

Dalam skema ini, hanya mungkin bagi setiap validator untuk memilih pada sebuah blok dengan mendistribusikan kesaksian mereka di seluruh epoch. Namun, ada potensi cara untuk meningkatkan mekanisme sehingga setiap validator memiliki kesempatan untuk bersaksi di setiap slot.

Sejak mekanisme konsensus Ethereum dirancang, skema agregasi tanda tangan (BLS) telah ditemukan jauh lebih skalabel daripada yang diperkirakan sebelumnya, sementara kemampuan klien untuk memproses dan memverifikasi tanda tangan juga telah meningkat. Ternyata memproses kesaksian dari sejumlah besar validator sebenarnya mungkin dalam satu slot. Misalnya, dengan satu juta validator masing-masing memilih dua kali di setiap slot, dan waktu slot disesuaikan menjadi 16 detik, node akan diminta untuk memverifikasi tanda tangan pada tingkat minimum 125.000 agregasi per detik untuk memproses semua 1 juta kesaksian dalam slot tersebut. Pada kenyataannya, komputer normal membutuhkan sekitar 500 nanodetik untuk melakukan satu verifikasi tanda tangan, yang berarti 125.000 dapat dilakukan dalam ~62,5 ms - jauh di bawah ambang satu detik.

Keuntungan efisiensi lebih lanjut dapat dibuat dengan membuat superkomite dari misalnya 125.000 validator yang dipilih secara acak per slot. Hanya validator ini yang mendapatkan hak untuk memilih pada sebuah blok dan oleh karena itu hanya subset validator ini yang memutuskan apakah sebuah blok difinalisasi. Apakah ini ide yang baik atau tidak tergantung pada seberapa mahal komunitas lebih memilih serangan yang berhasil terhadap Ethereum. Ini karena alih-alih membutuhkan 2/3 dari total ether yang dipertaruhkan, seorang penyerang dapat memfinalisasi blok yang tidak jujur dengan 2/3 dari ether yang dipertaruhkan di superkomite tersebut. Ini masih merupakan area penelitian aktif, tetapi tampaknya masuk akal bahwa untuk set validator yang cukup besar untuk membutuhkan superkomite pada awalnya, biaya menyerang salah satu subkomite tersebut akan sangat tinggi (misalnya, biaya serangan dalam denominasi ETH akan menjadi 2/3 * 125.000 * 32 = ~2,6 juta ETH). Biaya serangan dapat disesuaikan dengan meningkatkan ukuran set validator (misalnya, menyesuaikan ukuran validator sehingga biaya serangan sama dengan 1 juta ether, 4 juta ether, 10 juta ether, dll.). Jajak pendapat awal dari komunitas tampaknya menunjukkan bahwa 1-2 juta ether adalah biaya serangan yang dapat diterima, yang berarti ~65.536 - 97.152 validator per superkomite.

Namun, verifikasi bukanlah hambatan sebenarnya - agregasi tanda tangan yang benar-benar menantang node validator. Untuk menskalakan agregasi tanda tangan mungkin perlu meningkatkan jumlah validator di setiap subjaringan, meningkatkan jumlah subjaringan, atau menambahkan lapisan agregasi tambahan (yaitu, menerapkan komite dari komite). Bagian dari solusi mungkin mengizinkan aggregator khusus - mirip dengan bagaimana pembangunan blok dan menghasilkan komitmen untuk data rollup akan dialihdayakan ke pembangun blok khusus di bawah pemisahan pengusul-pembangun (PBS) dan Danksharding.

Apa peran aturan pemilihan cabang dalam SSF?

Mekanisme konsensus saat ini bergantung pada hubungan erat antara gadget finalitas (algoritma yang menentukan apakah 2/3 validator telah bersaksi untuk rantai tertentu) dan aturan pemilihan cabang (algoritma yang memutuskan rantai mana yang benar ketika ada beberapa opsi). Algoritma pemilihan cabang hanya mempertimbangkan blok sejak blok final terakhir. Di bawah SSF tidak akan ada blok untuk dipertimbangkan oleh aturan pemilihan cabang, karena finalitas terjadi di slot yang sama dengan saat blok diusulkan. Ini berarti bahwa di bawah SSF baik algoritma pemilihan cabang atau gadget finalitas akan aktif setiap saat. Gadget finalitas akan memfinalisasi blok di mana 2/3 validator online dan bersaksi dengan jujur. Jika sebuah blok tidak dapat melebihi ambang 2/3, aturan pemilihan cabang akan berlaku untuk menentukan rantai mana yang harus diikuti. Ini juga menciptakan kesempatan untuk mempertahankan mekanisme kebocoran ketidakaktifan yang memulihkan rantai di mana >1/3 validator offline, meskipun dengan beberapa nuansa tambahan.

Isu yang tersisa

Masalah dengan menskalakan agregasi dengan menumbuhkan jumlah validator per subjaringan adalah bahwa hal itu menyebabkan beban yang lebih besar pada jaringan peer-to-peer. Masalah dengan menambahkan lapisan agregasi adalah bahwa hal itu cukup kompleks untuk direkayasa dan menambah latensi (misalnya, bisa memakan waktu lebih lama bagi pengusul blok untuk mendengar dari semua aggregator subjaringan). Juga tidak jelas bagaimana menangani skenario di mana ada lebih banyak validator aktif di jaringan daripada yang dapat diproses secara layak di setiap slot, bahkan dengan agregasi tanda tangan BLS. Salah satu solusi potensial adalah bahwa, karena semua validator bersaksi di setiap slot dan tidak ada komite di bawah SSF, batas 32 ETH pada saldo efektif dapat dihapus sepenuhnya, yang berarti operator yang mengelola beberapa validator dapat menggabungkan taruhan mereka dan menjalankan lebih sedikit, mengurangi jumlah pesan yang harus diproses oleh node validasi untuk memperhitungkan seluruh set validator. Ini bergantung pada para pemegang saham besar yang setuju untuk menggabungkan validator mereka. Mungkin juga untuk memberlakukan batas tetap pada jumlah validator atau jumlah ETH yang dipertaruhkan setiap saat. Namun, ini memerlukan beberapa mekanisme untuk memutuskan validator mana yang diizinkan untuk berpartisipasi dan mana yang tidak, yang rentan menciptakan efek sekunder yang tidak diinginkan.

Kemajuan saat ini

SSF berada dalam fase penelitian. Tidak diharapkan untuk diluncurkan dalam beberapa tahun, kemungkinan setelah peningkatan substansial lainnya seperti Pohon Verkle dan Danksharding.