撰文：Tia，Techub News
在昨日泰國Devcon 的Mainstage 中，以太坊研究員Justin Drake 以演講的形式完成了對Beam Chain 提案的首發。 Beam Chain 是Justin 對以太坊共識層進行重新設計的提案，該提案為對Beacon Chain 的進一步升級，以進一步邁向以太坊最終願景。本文將帶大家速覽Beam Chain 提案改進的目標和與其相關的技術實現。
雖為共識層的重新設計，Beam Chain 將依舊沿用以太坊代幣，不會發行新的代幣也不會發行新的網路。
為什麼提議Beam Chain？
以太坊有三個層級：執行層、blob 資料層、以及共識層。執行層是以太坊中處理交易和執行智慧合約的部分，直接管理應用的狀態和邏輯。 blob 資料層負責儲存大量數據，涉及應用所需的長期資料儲存。這兩層屬於直接和應用互動的層級，任何變更都會直接影響這些層的兼容性。
而共識層主要負責確保整個網路節點間的資料共識，不直接處理應用的狀態或資料。這種間接性使得它相對更容易引入創新和升級，不會對應用程式帶來直接影響。因此，像Beam Chain 提案這樣的共識層改進，能夠提供創新空間，而不會破壞前端應用層的兼容性。
並且，Beacon Chain 是5 年前的設計，已經非常老舊。經過5 年時間，市場對Beacon Chain 的一些錯誤有了充分認識，對於MEV 的理解也進一步深入。恰逢SNARK 技術也有了突破，因此，乘著突破的東風，對以太坊共識層進行一系列修復。
Beam Chain 計畫實現的目標
目標可以分為三個部分：區塊生產、質押、密碼學。
區塊生產的目標有三個，主要和MEV 有關：一是計劃用inclusion list 等增加抗審查性；二是採用Attester Proposer Seperation 以及執行拍賣等方式將驗證者從區塊生產中隔離出來；三是實現更快速的slot，將slot 時間縮短至4 秒。
質押部分的目標為對目前的發行曲線進行改進、將質押門檻從32 ETH 降低到1 ETH、實現快速最終性single slot finality。
密碼學部分的目標是，使用zkVM 等實現鏈的snarkification；維護以太坊密碼學的安全性，使其能夠延續數十年甚至數百年；以及使用MinRoot VDF 等保持強隨機性。
對於這些目標的實現方式，Justin 將這類目標進行了兩類劃分。綠色的部分，以逐步分叉的形式完成，紅色的部分應該以整體的方式同時完成。
以snarkifacation （使用zk-SNARKs 技術來對資料或計算進行證明）為例，如果想要實現real time proving（即時證明），就必須在系統中做一些結構性調整，包括雜湊函數、簽名方式、以及序列化和默克爾化（Merkleization）等面向的改變。簽章方式需要能夠快速產生並完成驗證，並且需要序列化使得複雜的資料結構能夠在節點之間傳輸並存儲，並將序列化後的資料進行默克爾樹（Merkle Tree）處理，以此滿足零知識證明需要對資料進行可驗證的格式化和轉化，以及對狀態的高效驗證。
ZK 化的Beam Chain
過去，以太坊共識經歷了從POW 到POS 的變更，而在Beam Chain 的機制裡，共識將會有更進一步的更新——完全ZK 化，即把snark 應用到整個共識層。
Chain snarkification
需要強調的是，被snarkified 的部分只存在於狀態轉換，但一些基礎層面的計算（共識機制在處理事務或狀態轉換之前所做的邏輯計算）、網路層（節點之間的通訊和資料傳遞） 、快取管理和效能最佳化則保持不變，不受到ZK 的影響。
Beam Chain 的實作程式碼（例如使用Go 或Rust 編寫的Beam Chain 的核心邏輯和共識演算法程式碼）需要做的工作就是將程式碼轉換為zkVM 能理解的格式。 Beam Chain 的實作程式碼被編譯為zkVM 的程式碼格式後，zkVM 可以執行這些程式碼，讀取區塊鏈外部輸入，驗證狀態轉換過程的合法性，並產生零知識證明。
zkVM 是一個執行零知識虛擬機器的環境，它能理解特定格式的程式碼，以便進行零知識證明的驗證。將程式碼編譯成zkVM 可執行的格式的這個過程可能包括將高層語言（如Go 或Rust）轉換為一個底層的、中間的格式（如RISC-V 指令集），然後在zkVM 中執行。
目前，RISC-V 已成為zkVM 的業界標準。目前有七家公司提供Risc-v zkVM。
Attestation snarkification
另一個使用到snark 的部分是聚合簽名（aggregatable signatures），即將多個驗證者和見證者（attesters）簽名的壓縮過程，把大量簽名聚合成一個單獨的、可驗證的證明。
我們希望有後量子聚合簽章安全性（能抵禦量子攻擊），因此預計在這裡會使用雜湊函數。雜湊函數具備後量子安全級別，可以用它作為密碼學系統的基本組件或基礎模組來建構密碼學。使用hash-based snarks，可以將數以千計的簽名壓縮為一個proof。這就是後量子聚合簽章。而且，這種後量子聚合簽章是無限遞歸的，你可以不斷地疊加，將多個聚合簽章再度聚合，達到更高的壓縮效率，相較於傳統BLS 簽章聚合實現了極大的提升。
去幾個月裡，snark 化的哈希函數技術獲得了顯著提升，透過筆記型電腦就快速產生證明，並且每秒可完成約200 萬次哈希操作的證明。這種性能突破讓後量子安全的聚合簽章方案在現實中變得更實用，為高效的、量子抗性的加密提供了可能。
不僅如此，snark 化後的Beam Chain 讓原本複雜的驗證、儲存、運算過程被壓縮，這使得一系列原本無法直接用於Beacon Chain 的如libp2p、ssz、pyspec、protocolguild 等基礎設施得以實現。
時間軸規劃
在時間軸的規劃上，Justin 計劃在2025 年制定規格，2026 年構建，並在2027 年進行測試。目前，有兩個團隊願意開發Beam Chain 共識客戶端，一家為來自印度的Zeam lambda，另一家為位於南美的Lambda。
