ETH:科普 | Eth 2 Staking 指南：分片化的共識_BLS

作者:CarlBeekhuizen

翻譯:阿劍

來源：以太坊愛好者

特別感謝SachaYves-Leger和JosephSchweitzer的指正。

Sharding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。

分片化的共識

動態 | 鏈客社區聯合北京交通廣播推出區塊鏈技術科普節目:12月11日15:15—16:00，區塊鏈技術社區——鏈客區塊鏈技術社區將聯合北京交通廣播FM103.9從零開始為大眾科普解碼區塊鏈技術，蜻蜓FM及北京廣播網同期進行全球直播。首期做客嘉賓為鏈客區塊鏈技術社區創始人郄建軍和百度區塊鏈產品負責人于雅楠。[2019/12/11]

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。那么Eth2處理這個問題的方案就是?分片化的共識。

分析

Eth2的系統中有兩種基本的時間單位，時隙和時段。

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。

現場 | 火幣中國推出數字經濟及區塊鏈產業科普新書:金色財經現場報道，12月6日，由海南省工業和信息化廳主辦，南南合作金融中心協辦，海南生態軟件園、火幣中國承辦的“海南自貿港數字經濟和區塊鏈國際合作論壇”在海口舉行，這是全球首次區塊鏈部長級論壇。

在本次論壇上，火幣中國舉行了“數字經濟及區塊鏈產業科普系列新書發布”儀式，希望通過教材、專業教育、培訓等多種方式，幫助從業者、高校、研究機構深入了解區塊鏈，從而建立起區塊鏈全局性知識模型，真正推動區塊鏈應用落地。火幣中國CEO袁煜明介紹，將聯合機械工業出版社面向普通高等教育推出《區塊鏈導論》、《區塊鏈系統設計與應用》和《區塊鏈新商業模式分析》系列教材，這是國內最早推動的區塊鏈教材之一；火幣中國還積極參與數字經濟的研究，由中信出版社出版的新書《讀懂Libra》已經上市；由火幣中國負責編寫的區塊鏈技術科普讀物《區塊鏈技術進階指南》將于12月面世；首本行業內最全的區塊鏈應用案例集《區塊鏈產業應用100例》在本次論壇進行了首次刊印。[2019/12/6]

一個時段由32個時隙組成，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。

動態 | 區塊鏈技術入選科普雜志《科學美國人》2019十大突破性技術榜單:據新浪網今日新聞報道，美國科普雜志《科學美國人》公布 2019 十大突破性技術榜單。區塊鏈技術因在保障食品安全中的作用而上榜。 入選榜單具體原因：區塊鏈技術的發展應用將顯著改善食品污染源數據追蹤的困境。利用區塊鏈云端系統，食品制造商可以依次在計算機儲存各類過程的信息。[2019/9/29]

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。

財政部副部長朱光耀：數字經濟還處在發展的過程中，要以科普、推動的態度來推進數字經濟發展:今日，在中國發展高層論壇2018年會上，財政部副部長朱光耀表示：“數字經濟還處在發展的過程中，要以科普、推動的態度來推進數字經濟發展。也要關注數字經濟的其他影響，包括稅收征管、反洗錢監管措施等要跟上。”[2018/3/25]

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：

保證驗證者的委員會分配是隨機的

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。

綜合

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：

對信標鏈頂端區塊的投票

對合理化信標區塊/確定化信標鏈區塊的投票

對分片鏈最新狀態的投票

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33.6MB，那么一天就是7.6GB。那么，只要133天，簽名數據就會超過1TB。

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2MB。

總結

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，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。

原文鏈接：https://blog.ethereum.org/2020/03/27/sharding-consensus/

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