ETH:Eth2 Staking 指南：分片化的共識_BSPT

Sharding（“分片”）是 Eth2 對比 Eth1 的許多升級之一。這個名詞來源于數據庫研究，就是將一個大的數據庫切分為許多部分，而一個分片就是一個部分。那么放到 Eth2 和數據庫的語境下，分片就意味著要把整個系統的存儲和計算切分開來、相互獨立地處理各分片，然后隨實際需要組成最終結果。具體來說，Eth2 系統中包含了許多分片鏈，而每一個條分片鏈的功能（capability）都與 Eth1 區塊鏈相似，這就能帶來大幅度的可擴展性提升。

不過，在 Eth2 中還有一種不那么為人所知的分片類型，而且從協議設計的角度來看，這個類型可能更為激動人心：分片化的共識（sharded consensus）。

就像網絡中最慢節點的處理能力限制了網絡的吞吐量，單個驗證者的計算資源也決定了能夠參與共識的驗證者總數量。因為每新增一個驗證者，都會給系統中的所有其他驗證者帶來額外的工作量，那么隨著驗證者數量的增加，最終會達到一個狀態：資源最少的那個驗證者將不再能夠參與共識（因為它不再能夠全程追蹤所有其他驗證者的投票）。那么 Eth2 處理這個問題的方案就是 分片化的共識。

Beosin：ETH鏈上COPE代幣項目存在后門:金色財經報道，區塊鏈安全審計公司Beosin旗下Beosin?EagleEye安全風險監控、預警與阻斷平臺監測顯示，ETH鏈上COPE 代幣項目存在后門，特權地址可以調用偽造的Approve銷毀任意地址的余額。提醒用戶注意資金安全。[2023/7/21 15:50:29]

Eth2 的系統中有兩種基本的時間單位，時隙（slot）和時段（epoch）。

一個時隙是 12 秒，這是我們預期可出一個區塊的時間；區塊其實是一種讓驗證者的投票能集合發布到鏈上的機制，不止于包含交易讓鏈變得有用。

一個時段由 32 個時隙組成（因此是 6.4 分鐘），在一個時段中，信標鏈要執行所有跟鏈的維護相關的計算，包括：合理化及敲定新區塊、給驗證者發放獎勵和懲罰。

數據：ETH交易所余額近1500萬個，達3個月高點:2月24日消息，據Glassnode數據顯示，ETH交易所余額達3個月高點，數額為14,784,573.039 ETH。[2022/2/24 10:13:26]

我們在本系列的第一篇文章中提到，驗證者會被分配到不同的委員會中執行工作。那么在任一時刻，都有驗證者同時既是信標鏈委員會成員、也是某一個分片鏈委員會的成員；每個驗證者在一個時段中都要發出見證消息一次 —— 為已經提出的信標鏈區塊投票。

Eth2 的分片化共識的安全模型，基于這樣一個觀念：讓委員會在某種程度上就是整個驗證者集合的準確統計學代表。

舉例而言，如果整個驗證者集合中有 33% 的驗證者是惡意的，那么他們可能就會進入到同一個委員會中。那就完蛋了。

以太坊開發者：以目前以太坊2.0合約質押ETH數量計算，對合并后進行重組攻擊需銷毀超100億美元:12月1日消息，以太坊開發者Tim Beiko發文解釋Eth1和Eth2合并對以太坊應用層的影響，合并旨在對以太坊為最終用戶、智能合約和dapps的運作方式產生最小的影響，但有一些小的變化值得強調。

1. 區塊結構：信標鏈塊將包含ExecutionPayloads，它是當前工作證明鏈上區塊的合并后等價物。ExecutionPayloads是與以太坊進行交互的地方。

2. 挖礦和叔塊：工作量證明區塊頭中的幾個字段不再使用，被設置為0或者它們的數據結構的等效項。因為權益證明自然不會像工作證明那樣生成叔塊，叔塊的列表將是空的，并且該列表的哈希將成為空列表的RLP編碼哈希。

3. BLOCKHASH和DIFFICULTY操作碼更改：BLOCKHASH操作碼偽隨機性將變弱，DIFFICULTY操作碼 將被更新并重命名為RANDOM。

4. 平均出塊時間：目前約為13秒，合并后降為12秒。

5. 安全頭和最終區塊：在工作量證明下，有可能進行重組。最終確定的區塊是被超過2/3的驗證節點接受為規范的區塊。要創建沖??突區塊，攻擊者必須至少銷毀總質押的1/3（目前約250萬ETH，價值約100億美元）。安全頭區塊是在正常網絡條件下，期望包含在規范鏈中的區塊。假設網絡延遲小于4秒，大多數驗證節點都是誠實的，并且沒有對分叉選擇規則的攻擊，安全頭將永遠不會成為孤塊。[2021/12/1 12:43:48]

ETH 24小時資金凈流入14.63億元人民幣:金色財經監測數據顯示，加密貨幣市場24小時資金凈流入排名前三分別為[2021/4/15 20:24:31]

所以，我們需要確保事情不至于如此。換句話來說，我們需要保證的是，如果 33% 的驗證者是惡意的，那么在一個委員會中只有約 33% 的驗證者是惡意的。

我們需要兩個舉措來實現這一點：

1.保證驗證者的委員會分配是隨機的

2.組成委員會有數量下限要求

舉個例子，如果單個委員會由 128 個隨機選出的驗證者組成，那么一個控制了全網 1/3 驗證者的攻擊者能夠控制單個委員會的 2/3 驗證力量的概率是非常非常小的（概率低于 2^-40）。

驗證者提交的投票叫做 “見證消息”。見證消息由幾個部分組成：

V神：沒說PoS是共識機制 只是說ETH2是共識升級:剛剛，針對推特網友所說“PoS不是一種共識機制，以太坊共識機制是中本聰共識”，V神回復稱，并沒有說PoS是一種共識機制，只是說ETH2是共識升級。的確，ETH2是基于Nakamoto中本鏈的PoW升級到Casper FFG共識算法+分叉規則LMD GHOST。[2020/11/12 12:24:24]

1.對信標鏈頂端區塊的投票

2.對合理化信標區塊/確定化信標鏈區塊 的投票

3.對分片鏈最新狀態的投票

4.所有同意該投票的驗證者的簽名

把盡可能多的部分都組合到一條見證消息中，系統的整體效率便得以提升，因為，在檢查驗證者的簽名時，不再需要分別驗證對信標鏈區塊的投票和對分片鏈區塊的投票，節點只需基于見證消息做運算，即可得知信標鏈區塊的狀態和每一條分片鏈的狀態。

如果每一個驗證者都提交了自己的見證消息，而每一條見證消息都需要被所有其它節點單獨驗證一次，那么 Eth2 的節點的開銷可能會變得很大。這就是為什么我們需要 “聚合技術”。

見證消息被設計成容易組合的形式，因此，如果有兩個乃至更多驗證者做了同樣的投票，那就可以用一條見證消息把他們的投票都匯總起來，只需把簽名字段放在一起即可。這就是 “聚合” 和含義。

委員會的投票在根本上來說也是易于聚合的，因為這些驗證者都被分配到了同一個分片上，因此分片狀態的投票和對信標鏈區塊的投票很可能是相同的。這就是 Eth2 能隨著驗證者數量的增加而擴展吞吐量的機制。通過把驗證者打散到委員會內，驗證者將只需關心自己所在委員會的成員，也只需檢查極少數從其它委員會處傳來的、已經聚合過的見證消息。

簽名聚合

Eth2 使用了 BLS 簽名方案 —— 一種在多條橢圓曲線上得到定義、對簽名聚合較為友好的方案。在方案所選定的曲線上，單個簽名的大小是 96 字節。

如果占總量 10% 的 ETH 參與了質押，則 Eth2 會擁有約 35 萬個驗證者。這就意味著，單個 epoch 產生的簽名數據量大小可能會達到 33.6 MB，那么一天就是 7.6 GB。那么，只要 133 天，簽名數據就會超過 1 TB。

解決方案是，BLS 簽名是可以聚合的。如果 Alice 提交了簽名 A，而 Bob 所提交的簽名 B 是對相同數據簽的名，那么只需存儲 C = A+B，就能驗證 Alice 和 Bob 的簽名。使用了簽名聚合技術，整個委員會的驗證者前面都可以聚合成一個簽名。這樣就能將簽名數據的存儲需求降低到每天 2 MB。

把驗證者分配到不同委員會中的設計，讓驗證 Eth2 所需付出的工作量降低了幾個數量級。

對于一個想要驗證信標鏈和所有分片鏈的節點來說，它要做的僅僅是監測來自每一個委員會的聚合見證消息，只需如此便可知道每條分片鏈的狀態，以及各驗證者對哪些區塊 屬于/不屬于 信標鏈主鏈的看法。

因此，委員會機制幫助 Eth2 實現了兩大設計目標：只需消費者級別的筆記本即可參與 Eth2 網絡、支持盡可能多的驗證者來實現盡可能的去中心化。

用數字來說明：大多數拜占庭容錯式的權益證明協議只能支持數十位驗證者（在某些案例中可支持數百位驗證者），但 Eth2 可以支持數十萬驗證者同時為系統安全性作貢獻，又不犧牲執行時延和吞吐量。

特別感謝 Sacha Yves -Leger 和 Joseph Schweitzer 的指正。

作者: Carl Beekhuizen

翻譯: 阿劍

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