Dibutuhkan sekitar 15 menit agar sebuah blok Ethereum difinalisasi. Namun, kita dapat membuat mekanisme konsensus Ethereum memvalidasi blok dengan lebih efisien dan mengurangi waktu menuju finalitas secara drastis. Alih-alih menunggu selama 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 berbasis Bukti Kepemilikan (PoS) Ethereum, finalitas mengacu pada jaminan bahwa sebuah blok tidak dapat diubah atau dihapus dari rantai blok tanpa membakar setidaknya 33% dari total ETH yang di-stake. Ini adalah keamanan 'kripto-ekonomi' karena kepercayaan berasal dari biaya yang sangat tinggi yang terkait dengan mengubah urutan atau konten rantai yang akan mencegah aktor ekonomi rasional mana pun untuk mencobanya.
Mengapa menargetkan finalitas yang lebih cepat?
Waktu menuju 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 laju pemrosesan transaksi yang tinggi karena harus menunggu selama itu untuk memastikan transaksi mereka permanen. Adanya jeda antara proposal blok dan finalisasi juga menciptakan peluang untuk reorganisasi singkat yang dapat digunakan penyerang untuk menyensor blok tertentu atau mengekstraksi MEV. Mekanisme yang menangani peningkatan blok secara bertahap juga cukup kompleks dan telah ditambal beberapa kali untuk menutup kerentanan keamanan, menjadikannya salah satu bagian dari basis kode Ethereum di mana bug yang tidak kentara lebih mungkin muncul. Semua masalah ini dapat dihilangkan dengan mengurangi waktu menuju finalitas menjadi satu slot tunggal.
Pertukaran desentralisasi / waktu / overhead
Jaminan finalitas bukanlah properti langsung dari blok baru; butuh waktu agar blok baru difinalisasi. Alasannya adalah bahwa validator yang mewakili setidaknya 2/3 dari total ETH yang di-stake di jaringan harus memilih blok tersebut ("atestasi") agar dapat dianggap difinalisasi. Setiap node yang memvalidasi di jaringan harus memproses atestasi dari node lain untuk mengetahui bahwa sebuah blok telah, atau belum, mencapai ambang batas 2/3 tersebut.
Semakin singkat waktu yang diizinkan untuk mencapai finalisasi, semakin banyak daya komputasi yang dibutuhkan di setiap node karena pemrosesan atestasi harus dilakukan lebih cepat. Selain itu, semakin banyak node yang memvalidasi di jaringan, semakin banyak atestasi yang harus diproses untuk setiap blok, yang juga menambah daya pemrosesan yang dibutuhkan. Semakin banyak daya pemrosesan yang dibutuhkan, semakin sedikit orang yang dapat berpartisipasi karena perangkat keras yang lebih mahal diperlukan untuk menjalankan setiap node yang memvalidasi. Meningkatkan waktu antar blok mengurangi daya komputasi yang dibutuhkan di setiap node tetapi juga memperpanjang waktu menuju finalitas, karena atestasi diproses lebih lambat.
Oleh karena itu, ada pertukaran (trade-off) antara overhead (daya komputasi), desentralisasi (jumlah node yang dapat berpartisipasi dalam memvalidasi rantai), dan waktu menuju finalitas. Sistem yang ideal menyeimbangkan daya komputasi minimum, desentralisasi maksimum, dan waktu menuju finalitas minimum.
Mekanisme konsensus Ethereum saat ini menyeimbangkan ketiga parameter ini dengan:
- Menetapkan stake minimum sebesar 32 ETH. Ini menetapkan batas atas pada jumlah atestasi validator yang harus diproses oleh masing-masing node, dan karenanya menjadi batas atas pada persyaratan komputasi untuk setiap node.
- Menetapkan waktu menuju finalitas pada ~15 menit. Ini memberikan waktu yang cukup bagi validator yang dijalankan di komputer rumah biasa untuk memproses atestasi dengan aman untuk setiap blok.
Dengan desain mekanisme saat ini, untuk mengurangi waktu menuju finalitas, perlu untuk mengurangi jumlah validator di jaringan atau meningkatkan persyaratan perangkat keras untuk setiap node. Namun, ada peningkatan yang dapat dilakukan pada cara atestasi diproses yang memungkinkan lebih banyak atestasi dihitung tanpa menambah overhead di setiap node. Pemrosesan yang lebih efisien akan memungkinkan finalitas ditentukan dalam satu slot tunggal, alih-alih melintasi dua Epok.
Rute menuju SSF
Mekanisme konsensus saat ini menggabungkan atestasi dari beberapa validator, yang dikenal sebagai komite, untuk mengurangi jumlah pesan yang harus diproses oleh setiap validator untuk memvalidasi sebuah blok. Setiap validator memiliki kesempatan untuk melakukan atestasi di setiap Epok (32 slot) tetapi di setiap slot, hanya sebagian validator, yang dikenal sebagai 'komite' yang melakukan atestasi. Mereka melakukannya dengan membagi diri ke dalam subjaringan (subnet) di mana beberapa validator dipilih menjadi 'agregator'. Masing-masing agregator tersebut menggabungkan semua tanda tangan yang mereka lihat dari validator lain di subnet mereka menjadi satu tanda tangan agregat. Agregator yang menyertakan jumlah kontribusi individu terbanyak meneruskan tanda tangan agregat mereka ke pengusul blok, yang menyertakannya ke dalam blok bersama dengan tanda tangan agregat dari komite lainnya.
Proses ini memberikan kapasitas yang cukup bagi setiap validator untuk memilih di setiap Epok, karena 32 slots * 64 committees * 256 validators per committee = 524,288 validators per epoch. Pada saat penulisan (Februari 2023) terdapat ~513.000 validator aktif.
Dalam skema ini, setiap validator hanya mungkin untuk memilih sebuah blok dengan mendistribusikan atestasi mereka di seluruh Epok. Namun, ada potensi cara untuk meningkatkan mekanisme tersebut sehingga setiap validator memiliki kesempatan untuk melakukan atestasi di setiap slot.
Sejak mekanisme konsensus Ethereum dirancang, skema agregasi tanda tangan (BLS) telah ditemukan jauh lebih terukur daripada yang diperkirakan sebelumnya, sementara kemampuan klien untuk memproses dan memverifikasi tanda tangan juga telah meningkat. Ternyata memproses atestasi dari sejumlah besar validator sebenarnya dimungkinkan dalam satu slot tunggal. Misalnya, dengan satu juta validator yang masing-masing memilih dua kali di setiap slot, dan waktu slot disesuaikan menjadi 16 detik, node akan diwajibkan untuk memverifikasi tanda tangan pada tingkat minimum 125.000 agregasi per detik untuk memproses semua 1 juta atestasi di dalam slot tersebut. Pada kenyataannya, dibutuhkan komputer biasa sekitar 500 nanodetik untuk melakukan satu verifikasi tanda tangan, yang berarti 125.000 dapat dilakukan dalam ~62,5 md - jauh di bawah ambang batas satu detik.
Peningkatan efisiensi lebih lanjut dapat dilakukan dengan membuat komite super (supercommittee) yang terdiri dari mis., 125.000 validator yang dipilih secara acak per slot. Hanya validator ini yang dapat memilih sebuah blok dan oleh karena itu hanya sebagian validator ini yang memutuskan apakah sebuah blok difinalisasi. Apakah ini ide yang bagus atau tidak, bermuara pada seberapa mahal komunitas menginginkan biaya serangan yang berhasil terhadap Ethereum. Hal ini karena alih-alih mewajibkan 2/3 dari total Ether yang di-stake, penyerang dapat memfinalisasi blok yang tidak jujur dengan 2/3 dari Ether yang di-stake di komite super tersebut. Ini masih merupakan area penelitian yang aktif, tetapi tampaknya masuk akal bahwa untuk set validator yang cukup besar sehingga mewajibkan komite super sejak awal, biaya untuk menyerang salah satu subkomite tersebut akan sangat tinggi (mis., biaya serangan dalam denominasi ETH akan menjadi 2/3 * 125,000 * 32 = ~2.6 million ETH). Biaya serangan dapat disesuaikan dengan meningkatkan ukuran set validator (mis., menyesuaikan ukuran validator sehingga biaya serangan sama dengan 1 juta Ether, 4 juta Ether, 10 juta Ether, dll). Jajak pendapat awal (opens in a new tab) dari komunitas tampaknya menunjukkan bahwa 1-2 juta Ether adalah biaya serangan yang dapat diterima, yang menyiratkan ~65.536 - 97.152 validator per komite super.
Namun, verifikasi bukanlah hambatan yang sebenarnya - agregasi tanda tanganlah yang benar-benar menantang node validator. Untuk menskalakan agregasi tanda tangan mungkin akan mewajibkan peningkatan jumlah validator di setiap subnet, meningkatkan jumlah subnet, atau menambahkan lapisan agregasi tambahan (yaitu, mengimplementasikan komite dari komite). Sebagian dari solusinya mungkin dengan mengizinkan agregator khusus - mirip dengan bagaimana pembangunan blok dan pembuatan komitmen untuk data rollup akan dialihdayakan ke pembangun blok khusus di bawah pemisahan pengusul-pembangun (PBS) dan danksharding.
Apa peran aturan pilihan cabang dalam SSF?
Mekanisme konsensus saat ini bergantung pada penggabungan yang erat antara finality gadget (algoritme yang menentukan apakah 2/3 validator telah melakukan atestasi ke rantai tertentu) dan aturan pilihan cabang (algoritme yang memutuskan rantai mana yang benar ketika ada beberapa opsi). Algoritme pilihan cabang hanya mempertimbangkan blok sejak blok terakhir yang difinalisasi. Di bawah SSF tidak akan ada blok yang perlu dipertimbangkan oleh aturan pilihan cabang, karena finalitas terjadi di slot yang sama saat blok diusulkan. Ini berarti bahwa di bawah SSF baik algoritme pilihan cabang maupun finality gadget akan aktif kapan saja. Finality gadget akan memfinalisasi blok di mana 2/3 validator sedang online dan melakukan atestasi secara jujur. Jika sebuah blok tidak mampu melampaui ambang batas 2/3, aturan pilihan cabang akan bekerja untuk menentukan rantai mana yang harus diikuti. Hal ini juga menciptakan peluang untuk mempertahankan mekanisme kebocoran ketidakaktifan yang memulihkan rantai di mana >1/3 validator menjadi offline, meskipun dengan beberapa nuansa tambahan.
Masalah yang belum terselesaikan
Masalah dengan penskalaan agregasi dengan menumbuhkan jumlah validator per subnet adalah hal itu mengarah pada beban yang lebih besar pada jaringan peer-to-peer. Masalah dengan menambahkan lapisan agregasi adalah hal itu cukup kompleks untuk direkayasa dan menambah latensi (yaitu, bisa memakan waktu lebih lama bagi pengusul blok untuk mendengar dari semua agregator subnet). Juga tidak jelas bagaimana menangani skenario di mana terdapat 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, karena semua validator melakukan atestasi 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 mengonsolidasikan stake mereka dan menjalankan lebih sedikit validator, mengurangi jumlah pesan yang harus diproses oleh node yang memvalidasi untuk memperhitungkan seluruh set validator. Hal ini bergantung pada staker besar yang setuju untuk mengonsolidasikan validator mereka. Dimungkinkan juga untuk memberlakukan batas tetap pada jumlah validator atau jumlah ETH yang di-stake kapan saja. Namun, ini mewajibkan 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 sedang dalam fase penelitian. Ini tidak diharapkan untuk diluncurkan selama beberapa tahun, kemungkinan setelah peningkatan substansial lainnya seperti Pohon Verkle dan danksharding.