什么是信標(biāo)鏈區(qū)塊

信標(biāo)鏈檢查點(diǎn)

檢查點(diǎn)就是位于一個(gè)時(shí)段的第一個(gè)時(shí)隙內(nèi)產(chǎn)生的區(qū)塊。如果某個(gè)時(shí)段的第一個(gè)時(shí)隙內(nèi)沒有產(chǎn)生區(qū)塊，則將最近的一個(gè)符合要求的區(qū)塊認(rèn)定為檢查點(diǎn)區(qū)塊。每個(gè)時(shí)段都會(huì)有一個(gè)檢查點(diǎn)區(qū)塊；一個(gè)區(qū)塊有可能同時(shí)是多個(gè)時(shí)段的檢查點(diǎn)。

注意，從時(shí)隙 65 到時(shí)隙 128 之間都是空塊。時(shí)段 2 的檢查點(diǎn)本來應(yīng)該是時(shí)隙 128 處產(chǎn)生的區(qū)塊，但因?yàn)樵摃r(shí)隙被跳過了，所以時(shí)段 2 的檢查點(diǎn)仍然是時(shí)隙 64 處產(chǎn)生的區(qū)塊。時(shí)段 3 也類似，時(shí)隙 192 被跳過了，因此將時(shí)隙 180 處產(chǎn)生的區(qū)塊認(rèn)作時(shí)段 3 的檢查點(diǎn)。

時(shí)段邊界區(qū)塊（epoch boundary block）是一些文獻(xiàn)（比如 Gasper 論文，也是上面這張示意圖的來源）中用到的一個(gè)術(shù)語，可以認(rèn)為是檢查點(diǎn)的同義詞。

在發(fā)起一次 LMD GHOST 投票時(shí)，驗(yàn)證者也要為最近時(shí)段的檢查點(diǎn)投票，投票者希望確立的新檢查點(diǎn)叫做 “目標(biāo)檢查點(diǎn)”（target）。這種投票叫做 Casper FFG 投票，而且投票中也會(huì)包含投票者認(rèn)定的上一個(gè)檢查點(diǎn)，叫做 “來源檢查點(diǎn)”（source）。在上圖中，時(shí)段 1 中的一個(gè)驗(yàn)證者的投票將創(chuàng)世塊作為來源檢查點(diǎn)，然后推舉時(shí)隙 64 處產(chǎn)生的區(qū)塊為目標(biāo)檢查點(diǎn)。在時(shí)段 2，同一個(gè)驗(yàn)證者又為相同的檢查點(diǎn)投票了。

只有被分配到某個(gè)時(shí)隙的驗(yàn)證者才需要為該時(shí)隙的區(qū)塊投票，但是，所有驗(yàn)證者都要為每一個(gè)時(shí)段的檢查點(diǎn)發(fā)起 FFG 投票。

大多數(shù)

由所有活躍驗(yàn)證者總余額的 2/3 所支持的投票內(nèi)容就是多數(shù)票。

我們舉簡單一點(diǎn)的例子來說明一下，假設(shè)有 3 個(gè)活躍驗(yàn)證者，兩個(gè)的余額是 8 ETH，另一個(gè)的驗(yàn)證者余額為 32 ETH。那么，只有包含了那個(gè)最大驗(yàn)證者的投票才可能是多數(shù)票；雖然另外兩個(gè)驗(yàn)證者可能都投了另一個(gè)檢查點(diǎn)，但是他們的余額總和只占 50%，形成不了多數(shù)。

確定性

一個(gè)時(shí)段結(jié)束的時(shí)候，如果其檢查點(diǎn)得到了 2/3 的總余額支持（形成了多數(shù)票），那么該檢查點(diǎn)就被合理化（justified）了。

如果一個(gè)檢查點(diǎn) B 已經(jīng)得到合理化，其下一個(gè)時(shí)段的檢查點(diǎn)也被合理化了，那么 B 就被敲定（finalized）了。一般來說，一個(gè)檢查點(diǎn)會(huì)在兩個(gè)時(shí)段內(nèi)得到敲定，大概就是12.8 分鐘。

從平均的角度來看，用戶的交易總是打包在一個(gè)時(shí)段的中間部分（的區(qū)塊中）；那么距下一個(gè)檢查點(diǎn)就還有半個(gè)時(shí)段的時(shí)間，因此，一筆交易經(jīng)過 2.5 個(gè)時(shí)段（16 分鐘）就可以得到確定性（finality）。理想化情況下，超過 2/3 的見證消息會(huì)在一個(gè)時(shí)段的前 22 個(gè)時(shí)隙內(nèi)完成打包。因此，交易敲定的平均時(shí)長是 14 分鐘（16 + 32 + 22 個(gè)時(shí)隙）。區(qū)塊確認(rèn)則從區(qū)塊見證消息，一步步升級(jí)到合理化，再到確定性。用戶自己可以覺得他們要不要等到交易確定，還是更低一點(diǎn)的安全性就足夠了。

為簡化敘述難度，下文假設(shè)所有驗(yàn)證者的余額都相同。

信標(biāo)鏈的頂端

（上圖中）時(shí)隙 96 處產(chǎn)生了一個(gè)時(shí)段邊界區(qū)塊，而且包含了對(duì)時(shí)段 2 檢查點(diǎn)的見證消息（投票）。見證消息的數(shù)量達(dá)到了 2/3 的多數(shù)要求。然后時(shí)段 2 的檢查點(diǎn)就得到了合理化，同時(shí)，上一個(gè)合理化的檢查點(diǎn)，也就是時(shí)段 1 的檢查點(diǎn)，就被敲定了。時(shí)隙 32 處的區(qū)塊得到確定性，會(huì)使得之前所有區(qū)塊都得到確定性。在敲定檢查點(diǎn)的時(shí)候，并沒有對(duì)同時(shí)得到敲定的區(qū)塊在數(shù)量上的限制。所以，雖然確定性僅在時(shí)段邊界的時(shí)候產(chǎn)生，見證消息是逐個(gè)逐個(gè)區(qū)塊累加的，下文的 “從創(chuàng)世塊到區(qū)塊鏈頂端的歷程” 部分提供了另一種描述。

從時(shí)隙 1 到時(shí)隙 32 的信標(biāo)鏈區(qū)塊所包含的所有交聯(lián)，也會(huì)使分片鏈產(chǎn)生確定性。換句話來說，當(dāng)一個(gè)信標(biāo)鏈區(qū)塊得到確定性時(shí)，該塊所包含的交聯(lián)所對(duì)應(yīng)的分片鏈區(qū)塊也得到敲定。交聯(lián)本身不足以使一個(gè)分片區(qū)塊得到敲定，只是對(duì)分片鏈的分叉選擇有所幫助。

從創(chuàng)世塊到信標(biāo)鏈頂端的歷程

用同樣的辦法，可以觀察到從創(chuàng)世塊開始的一條故事線。所有的提議者，從時(shí)隙 1 到時(shí)隙 36，一一提議了一個(gè)區(qū)塊，而且這些區(qū)塊都顯現(xiàn)在鏈上。對(duì)于時(shí)段 1的所有區(qū)塊來說，其檢查點(diǎn)（時(shí)隙 32 處的區(qū)塊）累積獲得了 55% 的驗(yàn)證者的見證。在驗(yàn)證者提議時(shí)隙 64 處的區(qū)塊時(shí)，它也納入了對(duì)時(shí)段 1 檢查點(diǎn)的見證消息?，F(xiàn)在，有 70% 的驗(yàn)證者都見證了時(shí)段 1 的檢查點(diǎn)，因此時(shí)段 1 檢查點(diǎn)得到了合理化。完成時(shí)段 2 時(shí)，時(shí)段 2 的檢查點(diǎn)（時(shí)隙 64 處的區(qū)塊）累積的見證消息還達(dá)不到 2/3 的多數(shù)要求。時(shí)隙 96 處的區(qū)塊在提議時(shí)，也納入了對(duì)區(qū)塊 2 檢查點(diǎn)的見證消息，所以，這時(shí)候，時(shí)段 2 的檢查點(diǎn)也達(dá)到 2/3 的多數(shù)要求，被合理化了。合理化時(shí)段 2 的檢查點(diǎn)同時(shí)也會(huì)敲定時(shí)段 1 的檢查點(diǎn)及所有此前的區(qū)塊。

有時(shí)，合理化一個(gè)區(qū)塊會(huì)敲定兩個(gè)甚至多個(gè)時(shí)段以前的區(qū)塊。Gasper 論文討論了這種情況，預(yù)計(jì)只有網(wǎng)絡(luò)高延遲、網(wǎng)絡(luò)隔離、遭遇強(qiáng)大攻擊者的極端情況下，才會(huì)出現(xiàn)這種事。

確定性對(duì)于分片及以太坊區(qū)塊的用戶來說是重中之重，因?yàn)榇_定性使他們能夠確定，交易已經(jīng)永遠(yuǎn)寫在鏈上，不可更改了。確定性也降低了跨分片通信的復(fù)雜性。沒有確定性，分片內(nèi)部和分片之間交易的回滾會(huì)具有破壞性，甚至讓分片的好處蕩然無存。

深入理解見證消息

一條見證消息里面包括了一個(gè) LMD GHOST 投票和一個(gè) FFG 投票。理想情況下，所有的驗(yàn)證者每個(gè)時(shí)段都會(huì)發(fā)出一條見證消息。一筆見證消息有 32 個(gè)時(shí)隙的機(jī)會(huì)被打包到鏈上。這就意味著，一個(gè)驗(yàn)證者可能在單個(gè)時(shí)段內(nèi)有兩筆見證消息被打包上鏈。見證消息打包上鏈的時(shí)間也決定了驗(yàn)證者可得的獎(jiǎng)勵(lì)幅度：在自己所在的時(shí)隙就打包上鏈可以得到最多的獎(jiǎng)勵(lì)；要是等到后續(xù)時(shí)隙才打包上鏈，驗(yàn)證者得到的獎(jiǎng)勵(lì)就會(huì)下降。為了給驗(yàn)證者足夠的時(shí)間來準(zhǔn)備見證消息，他們會(huì)在一個(gè)時(shí)段以前就預(yù)先知道自己所在的委員會(huì)。區(qū)塊提議者則僅在時(shí)段開始之時(shí)分配一次。此外，隱蔽領(lǐng)袖選舉研究還致力于減輕對(duì)區(qū)塊提議者的攻擊和賄賂。

委員會(huì)機(jī)制使得匯總所有的見證人簽名、變成單個(gè)聚合簽名在技術(shù)上的優(yōu)化成為可能。如果同一委員會(huì)中的所有驗(yàn)證者都作了同樣的 LMD GHOST 和 FFG 投票，則他們的簽名可以聚合起來（成為單個(gè)簽名）。

信標(biāo)鏈驗(yàn)證者獎(jiǎng)懲措施

為避免過度深入，我們僅討論驗(yàn)證者激勵(lì)相關(guān)的 6 種措施：

見證人獎(jiǎng)勵(lì)

見證人懲罰

對(duì)質(zhì)押者來說典型的貶值風(fēng)險(xiǎn)

罰沒（slashing）及舉報(bào)人獎(jiǎng)勵(lì)

區(qū)塊提議者獎(jiǎng)勵(lì)

怠惰懲罰（inactivity penalty）

當(dāng)期見證消息（包含 LMD GHOST 投票和 FFG 投票）與其它多數(shù)驗(yàn)證者一致時(shí)，驗(yàn)證者可以得到獎(jiǎng)勵(lì)。在 Eth2 Phase 1 階段，驗(yàn)證者發(fā)送交聯(lián)也可以得到獎(jiǎng)勵(lì)。當(dāng)區(qū)塊得到敲定時(shí)，驗(yàn)證者獎(jiǎng)勵(lì)也就確定下來了。

另一方面，如果驗(yàn)證者沒有提交見證消息，或者投票支持了一個(gè)最終不能得到敲定的區(qū)塊，他們也會(huì)受到懲罰。

在列舉不太常見的懲罰和獎(jiǎng)勵(lì)之前，你可能還想知道，成為質(zhì)押者會(huì)面臨怎樣的貶值風(fēng)險(xiǎn)。答案是，你可能失去的 ETH，恰好跟你能賺取的 ETH 數(shù)量對(duì)稱。如果一個(gè)驗(yàn)證者一年的獎(jiǎng)勵(lì)回報(bào)率是 10%，則作惡驗(yàn)證者在最壞情況下可能會(huì)失去 10%。舉個(gè)例子，如果一個(gè)驗(yàn)證者總是離線，或者總是給那些不能得到敲定的區(qū)塊投票，則其損失的 ETH 數(shù)量，恰與一位總是及時(shí)提交見證消息，且所支持的區(qū)塊總是得到敲定的驗(yàn)證者所得的獎(jiǎng)勵(lì)，在數(shù)額上相等。

罰沒（Slashing）的力度下至 0.5 ETH，上至一位驗(yàn)證者的全部權(quán)益。如果一位驗(yàn)證者所提交的見證消息觸犯了協(xié)議所定義的罰沒條件，則 TA 會(huì)損失自身權(quán)益的至少 1/32，并被驅(qū)逐出驗(yàn)證者隊(duì)伍。懲罰的力度就像該驗(yàn)證者離線了 8192 個(gè)時(shí)段一樣。協(xié)議還會(huì)根據(jù)相近時(shí)間內(nèi)被罰沒的驗(yàn)證者數(shù)量施加一個(gè)額外的懲罰。此種額外懲罰的計(jì)算公式是：驗(yàn)證者余額 × 3 × 被罰沒的驗(yàn)證者占比。那么，如果占全體驗(yàn)證者 1/3 數(shù)量的驗(yàn)證者都觸犯了罰沒條件，則他們會(huì)失去全部余額。相應(yīng)地，檢舉這些不軌行為的驗(yàn)證者將會(huì)得到檢舉人獎(jiǎng)勵(lì)。

區(qū)塊提議者在所提議區(qū)塊得到敲定之后，也會(huì)得到一個(gè)成比例獎(jiǎng)勵(lì)?？偸窃诰€，并且提議工作做得很好的驗(yàn)證者，其總獎(jiǎng)勵(lì)可增加約 1/8。出現(xiàn)罰沒事件的時(shí)候，提議者也會(huì)因?yàn)榇虬P沒證據(jù)而得到一小筆獎(jiǎng)勵(lì)。在 Eth2 Phase 0 中，所有的檢舉人獎(jiǎng)勵(lì)都會(huì)給予區(qū)塊提議者。

以太坊 2.0 系統(tǒng)中機(jī)制眾多，對(duì)這些機(jī)制的評(píng)價(jià)應(yīng)從所有機(jī)制的整體效果出發(fā)。最末一種獎(jiǎng)懲措施是所謂的 “怠惰懲罰”。基本上，如果距上一次敲定區(qū)塊已過去了 4 個(gè)時(shí)段（還沒有新檢查點(diǎn)得到敲定），所有驗(yàn)證者都會(huì)遭受怠惰懲罰，而且懲罰力度會(huì)呈平方級(jí)上升，直至新的檢查點(diǎn)得到敲定。怠惰懲罰保證了：即使 50% 的驗(yàn)證者都離線了，系統(tǒng)也會(huì)在 21 天后重新開始敲定區(qū)塊。

罰沒條件

罰沒條件主要有三個(gè)，分別是：雙重提議、FFG 雙重投票，F(xiàn)FG 環(huán)繞投票。LMD GHOST 投票是不會(huì)招致罰沒的。

雙重提議是指區(qū)塊提議者于所在時(shí)隙提議了多于一個(gè)區(qū)塊。

雙重投票是指驗(yàn)證者在提交 FFG 投票時(shí)，多個(gè)投票指向同一個(gè)目標(biāo)檢查點(diǎn)，但引用的來源檢查點(diǎn)卻各不相同。

環(huán)繞投票指的是驗(yàn)證者在提交 FFG 投票時(shí)，多個(gè)投票所指向的檢查點(diǎn) 恰成環(huán)繞形狀。舉個(gè)例子，假定一位驗(yàn)證者在時(shí)段 5 投票時(shí)，以時(shí)隙 32 的區(qū)塊為來源檢查點(diǎn)，以時(shí)隙 128 的區(qū)塊為目標(biāo)檢查點(diǎn)：

· 如果該驗(yàn)證者在時(shí)段 6 的投票以時(shí)隙 64 的區(qū)塊為來源檢查點(diǎn)，以時(shí)隙 96 的區(qū)塊為目標(biāo)檢查點(diǎn)，那么該票就被 TA 自己在時(shí)段 5 的投票給包圍（環(huán)繞）起來了。

· 如果該驗(yàn)證者在時(shí)段 6 的投票以時(shí)隙 0 的區(qū)塊為來源檢查點(diǎn)，以時(shí)隙 160 的區(qū)塊為目標(biāo)檢查點(diǎn)，則該投票把 TA 自己在時(shí)段 5 的投票給包圍起來了。

如果這位驗(yàn)證者在時(shí)段 6 又給時(shí)隙 128 的區(qū)塊投票，除非其來源檢查點(diǎn)仍是時(shí)隙 32 的區(qū)塊，否則就成了雙重投票，也會(huì)被罰沒。相同的 FFG 投票倒是不會(huì)被罰沒的。

擁有相同來源檢查點(diǎn)的 FFG 投票也不會(huì)招致罰沒。這是維持網(wǎng)絡(luò)活性的重要條件。舉個(gè)例子，如果兩條分叉鏈各自都有 50% 的驗(yàn)證者余額支持，協(xié)議應(yīng)該鼓勵(lì)驗(yàn)證者通過投票給相同來源檢查點(diǎn)、不同目標(biāo)檢查點(diǎn)，在分叉間切換（而不是懲罰他們切換分叉，這樣會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)分裂）。能夠安全地在分叉間切換，驗(yàn)證者們就能打破僵局，嘗試形成 2/3 的多數(shù)。

檢舉他人的驗(yàn)證者需要在見證消息中納入相互沖突的投票，以證明另一個(gè)驗(yàn)證者應(yīng)該受到懲罰。要高效地從一長段歷史中找出相互沖突的投票，在算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上也是一種挑戰(zhàn)。因此，開放工程挑戰(zhàn)·罰沒探測器也在尋找貢獻(xiàn)者。

得到良好控制的驗(yàn)證者一般是可以避免被罰沒的：只需記得自己曾經(jīng)簽名過哪些見證消息就好。誠實(shí)的驗(yàn)證者也不會(huì)因?yàn)槠渌?yàn)證者的行為而受到波及。只要驗(yàn)證者不簽名相互沖突的見證消息，不作出雙重提議，就不會(huì)被罰沒。

為得到更好的運(yùn)行體驗(yàn)、更值得信任的信息來源，乃至更好的 DoS 保護(hù)，驗(yàn)證者客戶端可能會(huì)同時(shí)使用多個(gè)信標(biāo)鏈節(jié)點(diǎn)。在這種模式中，包括使用備份的驗(yàn)證者客戶端的時(shí)候，需要小心不要讓驗(yàn)證者簽署相互沖突的消息。

信標(biāo)鏈驗(yàn)證者激活及生命周期

每一個(gè)想成為驗(yàn)證者的用戶都要先有 32 ETH 才能獲得驗(yàn)證者資格。用戶質(zhì)押 32 ETH 到以太坊主網(wǎng)上的保證金合約中，就能獲得一個(gè)驗(yàn)證者資格。

另一方面，信標(biāo)鏈也會(huì)勸退（反激活）所有余額降低到 16ETH 的驗(yàn)證者；質(zhì)押用戶可以取出剩余的驗(yàn)證者余額，不過在 Eth2 Phase 0 還做不到。

驗(yàn)證者在服務(wù) 2048 個(gè)時(shí)段（約 9 天）之后也可以主動(dòng)退出。退出時(shí)要先走完 4 個(gè)時(shí)段，質(zhì)押用戶才能取出自己的權(quán)益。在這 4 個(gè)時(shí)段內(nèi)，該驗(yàn)證者的余額仍然是可以被罰沒的。因此，誠實(shí)驗(yàn)證者的余額可以在約 27 小時(shí)之后取出。但是，如果驗(yàn)證者在此時(shí)被罰沒，就只有再等 8192 個(gè)時(shí)段（約 36 天）之后才能取出剩余款項(xiàng)。

更多技術(shù)細(xì)節(jié)可看《以太坊 2.0 Phase 0 驗(yàn)證者生命周期》。下圖亦來自這份資料：

為避免驗(yàn)證者集合在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)大規(guī)模的變動(dòng)，單個(gè)時(shí)段內(nèi)能激活和退出的驗(yàn)證者數(shù)量是有一個(gè)機(jī)制限制的。這樣可以讓激活許多驗(yàn)證者、快速攻擊系統(tǒng)的攻擊更難發(fā)動(dòng)。

信標(biāo)鏈還使用了一個(gè)叫做 “有效余額” 的概念，這個(gè)有效余額回避驗(yàn)證者余額的變化更小，使得技術(shù)上的最優(yōu)化成為可能。

總結(jié)

在每一個(gè)時(shí)段，驗(yàn)證者都被均勻分配到不同時(shí)隙中，并進(jìn)一步劃分成相同規(guī)模的委員會(huì)。驗(yàn)證者只有 1 個(gè)應(yīng)召的時(shí)隙，也只會(huì)存在于 1 個(gè)委員會(huì)中。因此：

一個(gè)時(shí)段中的所有驗(yàn)證者，通過集體決策嘗試敲定某個(gè)檢查點(diǎn)；方法是 FFG 投票；

各時(shí)隙中的所有驗(yàn)證者，通過集體決策嘗試選出信標(biāo)鏈的頂端區(qū)塊：方法是 LMD GHOST 投票；

一個(gè)委員會(huì)中的所有驗(yàn)證者，通過集體投票嘗試將某個(gè)分片交聯(lián)到信標(biāo)鏈上。

最符合協(xié)議的行為可以得到最多的獎(jiǎng)勵(lì)。

信標(biāo)鏈的啟動(dòng)（創(chuàng)世塊）需要至少 16484 名驗(yàn)證者。驗(yàn)證者的數(shù)量會(huì)因?yàn)榱P沒及資源退出而減少，也會(huì)因?yàn)橘|(zhì)押用戶的投入增加而增加。而且，隨著 Eth2 Pahse 1 及后續(xù)階段的升級(jí)，預(yù)計(jì)會(huì)有更多驗(yàn)證者參與進(jìn)來。信標(biāo)鏈需要至少 262144 名驗(yàn)證者（質(zhì)押的 ETH 數(shù)量超過 800 萬）才能使得單個(gè)信標(biāo)鏈區(qū)塊能包含 64 個(gè)交聯(lián)。

我們還從未擁有過一個(gè) 去中心化 系統(tǒng)和應(yīng)用的可擴(kuò)展平臺(tái)。如果你想更深入地研究以太坊 2.0，權(quán)威的參考來源是 Ethereum 2.0 SpecificaTIons。該技術(shù)規(guī)范包含了信標(biāo)鏈技術(shù)規(guī)范，還提供了其它關(guān)鍵信息源，而且提交 issue 可以獲得獎(jiǎng)金。當(dāng)前，最緊迫的 工程需要是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)功能。

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