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了解以太坊 2.0 得先理解这么名词

2020-12-10 ·2904次阅读 ·读完需要19分钟

原文标题:《以太坊 2.0 术语库》
整理:ETH 中文网

Attestation 证明

证明是指验证者所发起的投票,由验证者的签名聚合而成,用以证明区块的有效性,投票通过验证者的余额进行加权。

Attester 证明者

信标链上的验证者可以充当区块提议者和证明者,证明者对区块发起投票。

Beacon Chain 信标链

以太坊 2.0 阶段 0 中实现,将引进权益证明 (PoS) 共识机制。也被认为是 Eth2 的「协调层」。

职能:

  • 为验证者分配职责

  • 对检查点进行最终确定

  • 在协议层上执行随机数生成

  • 巩固信标链

  • 对链头进行投票,作为分叉选择的基础

  • 针对分片链的过渡 / 数据进行连接和投票

Block proposer 区块提议者

由信标链通过 RANDAO 机制随机选择出来的验证者,对下一个区块进行提议。每个 slot 中仅有一个区块提议者。

Casper FFG

Casper FFG 是基于 PoS 共识机制的区块最终确定系统,其规定了区块最终确定的规则,并对已确定的区块进行检测。Casper FFG 融合了 PoS 算法技术及拜占庭容错共识原理,其与链增长过程脱钩,可以作为一个独立的叠加层,为任何有效区块链协议提供最终确定区块的服务。与 PoW 共识机制相比,FFG 可以为区块链带来更高的安全性,防止区块被篡改。

Casper FFG vote 指验证者为最近一个 epoch 的检查点即 「目标检查点」 和前一个检查点即 「来源检查点」 发起投票,证明投票由验证者广播到 p2p 网络,最终再由区块生产者打包进区块。

Committees 委员会

信标链和分片里每个 slot 中的委员会至少由 128 位验证者组成,根据伪随机过程 RANDAO,验证者们被随机分配到委员会中,对区块发起投票,确定其有效性。

Checkpoint 检查点

检查点指位于每个 epoch 第一个 slot 里的区块,如果该 slot 内没有产生区块,则最近的前一个区块为检查点。每个 epoch 都会有一个检查点区块;一个区块可能同时是多个 epoch 的检查点。

Chain head 链头

链头是指信标链或分片链末端的一个区块,每个 slot 中的区块都要发起一次 LMD GHOST 投票,对信标链头进行验证。

Current Balance & Effective Balance 现存余额 & 有效余额

现存余额指验证者当前持有的 ETH 总数,而有效余额指根据现存余额计算出来的 ETH 数量。有效余额规定了验证者获得的 ETH 赏金或者罚没数量的范围。有效余额最多为 32 个 ETH。

验证者若想要扩大有效余额数量,需要持有的现存余额为「有效余额+1.25 个 ETH」。换句话说,如果验证者原本持有有效余额 20 个 ETH,想要增加到 21 个 ETH,验证者的现存余额必须增加到 21.25 个 ETH。如下文第三个例子所示,倘若现存余额减少了 0.25 个 ETH,低于阈值,有效余额也会随之调整。

以下举例说明了如何计算有效余额:

  • 如果现存余额为 32 个 ETH — 有效余额为 32 个 ETH;

  • 如果现存余额由 22 个 ETH 减少到 21.76 个 ETH — 有效余额将为 22 个 ETH;

  • 如果现存余额由 22 个 ETH 减少到 21.749 个 ETH — 有效余额将为 21 个 ETH;

  • 如果现存余额增加到 19.25 个 ETH,且原有有效余额为 18 个 ETH,那么有效余额将增加到 19 个 ETH;

  • 如果现存余额增加到 22.25 个 ETH,且原有有效余额为 21 个 ETH,那么有效余额将增加到 22 个 ETH。

Deposit Contract 存款合约

部署在以太坊 PoW 链上的智能合约。要成为 Eth2 的 PoS 验证者,需要首先向存款合约发送一笔交易,包含一定量的 ETH 作为质押金。存款合约记录了质押历史纪录,并且将所有质押金锁定在 PoW 链上,之后可以转移至 Eth2 信标链上。请注意,在 Eth2 早期阶段,存款合约只支持单向转移,不能将质押金从 Eth2 转回 PoW 链。

Double proposal 双重提议

一名区块提议者在他所分配到的 slot 里提议一个以上的区块。

Double vote 双重投票

一名验证者针对同一个目标检查点 (target),不同的源检查点 (source) 发起的两次 FFG 投票。双重投票可以被看做是 PoS 版本的双花攻击 (double-spend attack)。

信标链、PoS、分片……接触以太坊 2.0 得先理解这些术语双重投票及环绕投票示例,图源 Justin Drake

Epochs 时段

每个 epoch 由 32 个 slots (时隙) 组成,每个 slot 为 12 秒,一个 epoch 即 6.4 分钟。

EBB 时段边界区块

时段边界区块 (EBB, epoch boundary block) 是一些文献中用到的术语,可以理解为「检查点」(checkpoint) 的同义词。

Fork choice rule 分叉选择规则

Eth2 中的分叉选择规则是 LMD GHOST (Latest Message Driven GHOST, 由最新消息驱动的 GHOST)。在该协议中,获得投票数最高的分叉将被选为链头。与最长链规则相比, GHOST 的优点在于能够在网络延迟较高时降低攻击效率,同时最小化链重组的深度。即使攻击者能够高效地在其分叉链上继续产生区块,尝试使该链成为最长链,协议也会选择另一条票数更高的分叉链。

Finalization 最终确定

最终确定性指两个相冲突的区块 (检查点) 无法同时被最终确定,也可以称之为经济确定性 (economic finality)。在 Eth2 中,一旦两个相冲突的检查点被最终确定,那么系统中至少三分之一的活跃验证者将受到罚没。如果连续两个 epoch 被证明 (或跳过一个 epoch 的连续两个 epoch),则第一个 epoch 被认为获得最终确定。

Justification 证明

证明指验证者对检查点进行投票并确定信标链头的行为。如果 2/3 的验证者 (即绝对多数) 对两个 epoches 达成共识,例如源检查点 (source) 和目标检查点 (target),那么这两个检查点都被证明了。如果连续两个 epoch 被证明 (或跳过一个 epoch 的连续两个 epoch),则第一个 epoch 被认为获得最终确定。

LMD GHOST

LMD GHOST 是 Eth2 中的分叉选择规则。GHOST (Greediest Heaviest Observed SubTree) 实际上是一种较早的协议,在 PoW 和其他区块链中应用颇广。协议仅遵循「最重」子树,即最长链。在比特币语境中,最重分支是哈希算力最高的链,并且被视作是最长链 (规范链)。LMD (Last Message Driven) 通过「最新消息驱动」来发挥「消息」 (message) 的作用。消息是一则证明 (attestation),其不同之处在于获得最多票数的分叉将被视为规范链。

Proof of Stake (PoS) 权益证明

权益证明 (PoS) 是一种用于公共区块链的共识算法,该算法取决于验证者在网络中的经济权益。在基于工作量证明 (PoW) 的公共区块链中,通过奖励解决密码难题的参与者,以验证交易并创建新区块 (即挖矿)。而在基于 PoS 链中,一组验证者轮流对下一个区块进行提议和投票,每个验证者的投票权重取决于其押金 (即权益) 的多少。PoS 的显着优势包括提高安全性、降低中心化风险和节省能耗。

在以太坊 2.0 上,激活一名验证者需要在网络中质押 32 ETH。

Phase 0 阶段 0

阶段 0 作为以太坊 2.0 的首个阶段,也即启动信标链(信标链已于北京时间 2020 年 12 月 1 日创世)。阶段 0 通过管理协调验证者来实现 PoW 到 PoS 共识机制的转变。此阶段不会提供分片链或执行等功能,也就是说,参与者在此阶段无法在 Eth2 网络中进行交易或是调用智能合约。

*Phase 1 阶段 1

阶段 1 是以太坊 2.0 继阶段 0 之后的第二次网络升级,主要目标是启动分片链,并将数据写入分片链。分片是提升以太坊可扩展性的关键,因为其允许并行处理交易而大大提升了吞吐量,目前最新方案是在阶段 1 中部署 64 个数据分片(将来或许会更多)。

Phase 1.5 阶段 1.5

阶段 1.5 指以太坊 1.0 和 2.0 区块链的合并时期。在阶段 1.5,以太坊 1.0 链将合并到具备执行功能的 Eth2 信标链上。彼时,1.0 链的全部功能 (包括 ETH 的使用) 将在 2.0 链上实现,而不会破坏数据一致性。

Phase 2 阶段 2

阶段 2 是以太坊 2.0 的第三个阶段。在之前的路线图中,阶段 2 的计划是整合整个 2.0 系统的功能性,并引入基于 eWASM 的虚拟机,为分片提供执行环境,以便基于 Eth2 构建可扩展的应用,并且将 1.0 链完全引入 2.0,最终弃用工作量证明机制。在最新的「可执行信标链+数据分片+Layer2」路线图中,阶段 2 暂时被搁置,但仍然保留内置虚拟机的可能性。

Sharding 分片

分片概念原本指数据库的横向分割,将大型数据库分割为更小、更快、更易于管理的部分。为了保证去中心化,区块链需要采取类似的横向扩容方式。每条分片链都拥有一个节点子集在该链上进行工作。虚拟矿工和验证者被分配到不同的分片中,并且只处理和验证自己所在分片链上的交易。Eth2 的短期计划是启用 64 个分片,预计在阶段 1 实现分片与信标链的交联。

Shuffling 「混洗」机制

验证者「混洗」的主要目的在于确保分片的安全性。由于验证者分散在不同的分片中,有的节点可能会恶意控制某个分片。对验证者进行混洗 (shuffling),使得每个分片区块都有一个委员会,其中的验证者都经由随机挑选。经数学计算,如果攻击者控制的验证者少于总数的三分之一,就难以对某个分片发起攻击。

Slots 时隙

12 秒的时间段,其中随机选择的验证者将提议一个区块。在每个 slot 中,在信标链和分片中都可能新增一个区块,但是 slot 中也可以没有产生区块。每个 epoch 中,验证者被随机分配到一个 slot 和分片中组成委员会,除了一名区块提议者,其他委员会成员负责对该区块进行证明 (attest)。每个委员会最少有 128 名验证者。

Surround vote 环绕投票

一名验证者发起的 FFG 投票环绕之前的 FFG 投票,或是被之前的 FFG 投票所环绕。

举个例子,假设一名验证者在 epoch 5 内,为 slot 32 处的源检查点和 slot 128 处的目标检查点发起了一次 FFG 投票:

  • 在 epoch 6 内,为 slot 64 处的源检查点和 slot 96 处的目标检查点发起的 FFG 投票,被其在 epoch 5 中的投票环绕。

  • 在 epoch 6 内,为 slot 0 处的源检查点和 slot 160 处的目标检查点发起的 FFG 投票,则环绕了其在 epoch 5 中的 FFG 投票。

Slashing 罚没

对验证者进行罚没,是指如果验证者被证实存在破坏行为,其 (部分) 质押金将被销毁。在 Eth2 阶段 0 时期,验证者主要会因为三种恶意行为被罚没:双重投票 (double voting)、环绕投票 (surround voting)、双重提议 (double proposal)。被罚没的验证者将被停止继续参与协议,并且会被强制退出。

被销毁的质押金会与同时段被罚没的验证者数量成一定比例,以避免验证者因无心之举而受到超额惩罚。因为攻击需要大量验证者参与,被罚没的验证者越多,说明被攻击的可能性越大,惩罚力度也就越强。最低罚没金额为 1 ETH,最高罚没金额为验证者全部余额。

Validator 验证者

验证者可以看作是权益证明 (PoS) 共识机制中的「虚拟矿工」。用户通过质押 ETH 来激活和管理验证者,每质押 32 个 ETH,就会激活一名验证者。

验证者通过验证者客户端进行工作,而客户端借助信标(链)节点来运行。每个信标节点都有跟踪和读取信标链的功能。而每个验证客户端都可以执行信标节点的功能,或者调用信标节点。一个客户端允许一个或以上验证者执行验证职能。

验证者生命周期:

1. 质押:已将 32 ETH 存入 ETH1 存款合约,此状态将保留约 7 个小时。这可以在 ETH1 链遭遇攻击时保障安全性。

2. 等待在 Eth2 激活

  • 在网络中有 327680 个有效验证者之前,每个 epoch 可以激活 4 个验证者 (每天 900 个)。在此之后,每个 epoch 可以激活 5 个验证者。并且每增加 6.4 万个活跃验证者,每个 epoch 可以激活的验证者数量+1

  • 激活数量与活跃验证者的数量成比例,上限是有效验证者集除以 64,000

活跃验证者(参与证明 & 提议区块):

出现以下情况任一,验证者停止工作

  • 余额低于 16 个 ETH (被驱逐)

  • 自愿退出

  • 受到罚没

以太坊

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