[Paper] SoK: 快速安全的最终性

Source: arXiv - 2512.20715v1

概述

Ethereum 的当前 Gasper 最终性机制大约需要 15 分钟才能使区块不可变，这会产生重组攻击、MEV 提取以及结算速度变慢的窗口。本文 “Systematization of Knowledge”（SoK）调查了新兴的 Speedy Secure Finality (SSF)——这些协议设计在显著降低延迟的同时，仍然保持 Ethereum 的强安全保证。

关键贡献

• 统一分类法 of the theoretical building blocks for fast finality (re‑org resilience, the generalized sleepy model, etc.).
• 历史路线图 tracing the evolution from the early Goldfish protocol to the more recent RLMD‑GHOST construction.
• 瓶颈分析 of single‑slot finality schemes, focusing on communication overhead and signature‑aggregation limits in large validator sets.
• 实用综合 of a 3‑slot finality protocol (3SF) that balances sub‑second confirmation times with the engineering realities of Ethereum’s network and client ecosystem.

方法论

作者采用 比较调查 方法：

1. 形式基础 – 他们定义核心安全概念（例如 重组弹性）以及捕捉验证者 churn 和网络延迟的 广义睡眠模型。
2. 协议谱系 – 将每个协议（Goldfish、RLMD‑GHOST 等）拆解为其组成原语（投票、聚合、分叉选择），并映射到形式模型上。
3. 性能建模 – 使用分析公式和来自测试网的实证数据，量化消息复杂度、带宽以及加密聚合成本，随着验证者数量从几百扩展到数万。
4. 设计权衡探索 – 通过改变槽长度、确认槽数量和聚合策略，识别兼顾安全界限和实际约束的最佳点。

该方法论保持足够的高层次，使开发者能够跟进，同时仍以严格的定义为讨论提供基础。

结果与发现

• 单槽最终性（在一个区块后实现最终性）在理论上是可能的，但会产生巨大的通信成本（≈ O(N²) 条消息）和沉重的聚合负载，使其不适用于以太坊超过 10k 验证者的集合。
• 三槽最终性 (3SF) 在 1 秒槽链上实现约 3 秒 的确认延迟，同时保持消息复杂度为线性 (O(N))，且仅需适度的签名聚合（例如 BLS 多重聚合）。
• 安全保证 与 Gasper 相匹配：在广义的 sleepy 模型下，即使有高达 30% 的验证者离线，成功的重组攻击概率仍然可以忽略不计 (< 2⁻⁶⁰)。
• 实现可行性：作者展示了现有的以太坊客户端代码库（例如 Lighthouse、Prysm）可以通过对网络栈和共识状态机进行最小的修改来加入 3SF。

实际影响

• Reduced MEV surface – Faster finality narrows the window for front‑running and sandwich attacks, potentially lowering the economic incentives for malicious bots.

• Reduced MEV surface – 更快的最终性缩小了前置交易和三明治攻击的时间窗口，可能降低恶意机器人经济激励。

• Faster settlement for DeFi – Applications like atomic swaps, cross‑chain bridges, and payment channels can finalize state transitions in seconds rather than minutes, improving user experience and capital efficiency.

• Faster settlement for DeFi – 原子交换、跨链桥和支付通道等应用可以在秒级而非分钟级完成状态转移，提升用户体验和资本效率。

• Lower validator churn impact – The 3‑slot design tolerates higher validator offline rates without sacrificing security, easing the operational burden on staking providers.

• Lower validator churn impact – 3槽设计容忍更高的验证者离线率而不牺牲安全性，减轻质押提供者的运营负担。

• Network bandwidth savings – Linear communication complexity means existing peer‑to‑peer bandwidth allocations remain sufficient, avoiding costly network upgrades.

• Network bandwidth savings – 线性通信复杂度意味着现有点对点带宽分配仍足够，避免昂贵的网络升级。

• Roadmap for Ethereum upgrades – The SoK provides a concrete, vetted blueprint that Ethereum’s core developers can adopt in upcoming hard‑forks (e.g., “Shanghai‑2” or “Future‑Finality” proposals).

• Roadmap for Ethereum upgrades – 该综述提供了具体、经过审查的蓝图，以太坊核心开发者可在即将到来的硬分叉中采用（例如 “Shanghai‑2” 或 “Future‑Finality” 提案）。

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Speedy Secure Finality is more than an academic curiosity; it offers a clear, implementable path for Ethereum and other proof‑of‑stake networks to deliver near‑instant finality without compromising safety. For developers building the next generation of DeFi, NFTs, or cross‑chain bridges, keeping an eye on these protocols could be the key to unlocking faster, more secure user experiences.

Speedy Secure Finality 不仅是学术好奇心；它为以太坊及其他权益证明网络提供了一条明确、可实现的路径，以在不牺牲安全性的前提下实现近乎即时的最终性。对于构建下一代 DeFi、NFT 或跨链桥的开发者来说，关注这些协议可能是实现更快、更安全用户体验的关键。

作者

• Yash Saraswat
• Abhimanyu Nag

论文信息

• arXiv ID: 2512.20715v1
• 类别: cs.CR, cs.DC
• 出版日期: 2025年12月23日
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