Nhà nghiên cứu Justin Drake của Ethereum Foundation cho biết lớp 1 của mạng lưới sẽ ngừng sử dụng Poseidon sau nỗ lực nghiên cứu kéo dài 8 năm, trị giá hàng chục triệu đô la, và sẽ theo đuổi các hàm băm đã được thiết lập như SHA-2 hoặc BLAKE2s.
Justin Drake cho biết trong một bài đăng trên X vào ngày 13 tháng 8 rằng Ethereum Foundation đang từ bỏ Poseidon cho lộ trình L1 của mình và chuyển sang các lựa chọn truyền thống như SHA hoặc BLAKE.
“Tạm biệt, Poseidon!” Drake viết, mô tả quyết định này là kết quả của một “thử nghiệm kéo dài 8 năm, trị giá hàng chục triệu đô la” trong mật mã học hậu lượng tử.
Poseidon xuất hiện vào năm 2019 như một hàm băm được thiết kế cho các hệ thống bằng chứng không kiến thức (zero-knowledge proof systems). Cấu trúc của nó giúp việc xử lý bên trong các Lập luận Không Tương tác Ngắn gọn về Kiến thức (Succinct Non-Interactive Arguments of Knowledge), thường được gọi là SNARKs, ít tốn kém hơn so với các hàm băm truyền thống được xây dựng dựa trên các phép toán nhị phân.
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 sau đó trở thành lựa chọn phổ biến trên các zk-rollup và zkVM, bao gồm các hệ thống bảo mật hàng tỷ đô la tài sản tiền điện tử.
Thông báo của Drake liên quan đến kiến trúc L1 tương lai của Ethereum, chứ không phải là việc loại bỏ ngay lập tức Poseidon khỏi các ứng dụng hiện có. Các rollup, máy ảo và các dự án khác đã sử dụng hàm này không bắt buộc phải thay thế nó vì quyết định lộ trình.
Những tiến bộ trong thiết kế hệ thống chứng minh hiện đã thay đổi sự đánh đổi ban đầu ưu tiên Poseidon. Theo Drake, các hàm đã được thiết lập như SHA-2 và BLAKE2s có thể sánh ngang hiệu suất của nó khi kết hợp với SNARK được thiết kế xung quanh tính toán nhị phân.
“Nhìn lại, mấu chốt không phải là các hàm băm thân thiện với SNARK, mà là các SNARK thân thiện với hàm băm.”
Trường nhị phân (Binary fields) 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 (large prime fields), nơi các phép toán dựa trên bit như XOR có thể tốn kém để biểu diễn.
Làm việc trên số nguyên tố nhỏ nhất, là hai, cho phép các hệ thống trường nhị phân điều chỉnh các phép tính của họ 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 lệnh gọi hàm băm truyền thống mỗi giây trên một máy tính xách tay, với chi phí hoạt động (overhead) khoảng 100 lần so với thực thi CPU nguyên bản.
Các dự án nghiên cứu bao gồm Binius và Flock đã góp phần vào việc tăng hiệu suất, theo bài đăng. Binius áp dụng số học trường nhị phân (binary-field arithmetic) vào các bằng chứng không kiến thức, trong khi Flock tập trung vào việc chứng minh các lô tính toán Boolean lớn, 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 mã nguồn mở sử dụng trí tuệ nhân tạo để cải thiện mã chứng minh. Kết quả mạnh nhất của nó đạt 1,8 triệu phép nén BLAKE3 mỗi giây, thể hiện sự cải thiện 255% so với điểm chuẩn ban đầu.
Việc sử dụng các hàm băm đã được thiết lập có thể giảm sự phụ thuộc của Ethereum vào các hàm mật mã chuyên biệt đòi hỏi 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 bên 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 dựa trên giới hạn của SNARK, các nhà nghiên cứu có thể xây dựng SNARK dựa trên các hàm băm đã có lịch sử bảo mật lâu dài.
Drake liên kết quyết định này với chương trình bảo mật hậu lượng tử của Ethereum, đang chuẩn bị giao thức cho các máy tính có khả năng phá vỡ mật mã đường cong elliptic. Ethereum hiện đang dựa vào các hệ thống như vậy cho tài khoản người dùng và một phần cơ sở hạ tầng đồng thuận và dữ liệu của nó.
Như crypto.news đã báo cáo vào tháng 8, người đồng sáng lập Vitalik Buterin đã đưa bảo mật lượng tử lên ưu tiên cao hơn trong lộ trình cập nhật của Ethereum. Kế hoạch cũng bao gồm quyền riêng tư gốc, xác minh hình thức, khả năng mở rộng hậu lượng tử và các khả năng thay thế cho các phần của Máy ảo Ethereum.
Drake cho biết những tiến bộ gần đây trong phân tích mật mã có sự hỗ trợ của 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 (lattice-based), và SQIsign, dựa vào mật mã học dựa trên đẳng cấu (isogeny-based).
Theo đánh giá của ông, những vấn đề này củng cố lập luận cho việc sử dụng chữ ký dựa trên hàm băm trên các blockchain. Các 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 riêng lẻ có thể quá lớn để sử dụng trực tiếp ở quy mô hiện tại của Ethereum.
Tổng hợp SNARK (SNARK aggregation) đưa ra 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 bằng chứng nhỏ hơn cho mạng lưới, thay vì yêu cầu mỗi chữ ký phải được đặt và kiểm tra riêng biệt.
Cùng một phương pháp có thể hỗ trợ sắp xếp đa chữ ký (multisignature arrangements) và chữ ký ngưỡng k-trong-n (k-of-n threshold signatures), 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.
Các công việc chuẩn bị ở cấp ví đã được thử nghiệm. Vào tháng 6, một nhà nghiên cứu Ethereum đã trình diễn bảo vệ tài khoản bằng cách sử dụng trình xác minh chữ ký dựa trên SPHINCS, với một phiên bản được tối ưu hóa yêu cầu khoảng 127.000 gas và mang chữ ký 3.704 byte. Nhà nghiên cứu ước tính chi phí xác minh vào thời điểm đó là khoảng 0,07 đô la mỗi tài khoản.
Đối với các nhà đầu tư và doanh nghiệp Hoa Kỳ 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 chuyển. Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) đã hoàn tất 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 định hướng các lựa chọn giao thức của Ethereum, và các thuật toán được cơ quan này lựa chọn không tự chúng làm cho mạng lưới trở nên an toàn lượng tử. Tuy nhiên, công việc di chuyển của họ cho thấy rằng các tổ chức Mỹ đang chuẩn bị trước khi các máy tính lượng tử có khả năng phá mã trở nên khả dụng.
Một hội đồng tư vấn độc lập của Coinbase đã đạt được quan điểm tương tự trong một bài báo dài 50 trang được công bố vào tháng 4. Các thành viên của hội đồng bao gồm Drake, nhà mật mã học Stanford Dan Boneh, người sáng lập EigenLayer Sreeram Kannan, trưởng bộ phận mật mã của 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 tấn công trên các mạng lưới, ví và sàn giao dịch có thể mất nhiều năm. Theo báo cáo tư vấn, một số giải pháp thay thế chống lượng tử có thể làm tăng yêu cầu dữ liệu blockchain lên tới 38 lần.
Việc sử dụng tổng hợp bằng chứng của Ethereum nhằm mục đích hạn chế những chi phí đó trong khi thay thế mật mã dễ bị tấn công. Drake cho biết SNARK dựa trên hàm băm có thể nén một số lượng chữ ký hậu lượng tử bất kỳ thành một bằng chứng nhỏ gọn 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 giản (minimal zero-knowledge virtual machine) nhằm xác minh và tổng hợp các bằng chứng mật mã.
Drake cho biết lịch trình hiện tại kêu gọi một leanVM cấp sản xuất vào năm 2027. Các đợt triển khai liên quan đến các lớp đồng thuận, dữ liệu và thực thi của Ethereum được lên kế hoạch vào năm 2028, mặc dù mỗi thay đổi giao thức sẽ vẫn yêu cầu triển khai, thử nghiệm và sự đồng thuận giữa các nhóm phát triển độc lập của Ethereum.
Lịch trình này nằm trong Strawmap của Ethereum, một tài liệu phối hợp kỹ thuật kéo dài đến năm 2029 chứ không phải là một lịch trình kích hoạt đã hoàn thiện. Phạm vi phủ sóng trước đây của Strawmap đã mô tả bảy fork được đề xuất bao gồm các khe thời gian nhanh hơn, tính hoàn tất ngắn hơn (shorter finality), mật mã hậu lượng tử, quyền riêng tư và dung lượng 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 điểm chuẩn leanVM. Drake cho biết công việc dự kiến 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.
ETH