科普 | Eth 2 Staking 指南：分片化的共識_區塊鏈

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

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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。

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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。

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。

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。

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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。

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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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