科普 | Eth2 信標鏈：你首先該知道的事（下）_區塊鏈

作者：ethos.dev

翻譯:?阿劍

來源：以太坊愛好者

信標鏈檢查點

檢查點就是位于一個時段的第一個時隙內產生的區塊。如果某個時段的第一個時隙內沒有產生區塊，則將最近的一個符合要求的區塊認定為檢查點區塊。每個時段都會有一個檢查點區塊；一個區塊有可能同時是多個時段的檢查點。

-單時段包含64個時隙時的檢查點示意圖-

注意，從時隙65到時隙128之間都是空塊。時段2的檢查點本來應該是時隙128處產生的區塊，但因為該時隙被跳過了，所以時段2的檢查點仍然是時隙64處產生的區塊。時段3也類似，時隙192被跳過了，因此將時隙180處產生的區塊認作時段3的檢查點。

時段邊界區塊是一些文獻中用到的一個術語，可以認為是檢查點的同義詞。

在發起一次LMDGHOST投票時，驗證者也要為最近時段的檢查點投票，投票者希望確立的新檢查點叫做“目標檢查點”。這種投票叫做?CasperFFG投票，而且投票中也會包含投票者認定的上一個檢查點，叫做“來源檢查點”。在上圖中，時段1中的一個驗證者的投票將創世塊作為來源檢查點，然后推舉時隙64處產生的區塊為目標檢查點。在時段2，同一個驗證者又為相同的檢查點投票了。

只有被分配到某個時隙的驗證者才需要為該時隙的區塊投票，但是，所有驗證者都要為每一個時段的檢查點發起FFG投票。

大多數

由所有活躍驗證者總余額的2/3?所支持的投票內容就是多數票。

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我們舉簡單一點的例子來說明一下，假設有3個活躍驗證者，兩個的余額是8ETH，另一個的驗證者余額為32ETH。那么，只有包含了那個最大驗證者的投票才可能是多數票；雖然另外兩個驗證者可能都投了另一個檢查點，但是他們的余額總和只占50%，形成不了多數。

確定性

一個時段結束的時候，如果其檢查點得到了2/3的總余額支持，那么該檢查點就被合理化了。

如果一個檢查點B已經得到合理化，其下一個時段的檢查點也被合理化了，那么B就被敲定了。一般來說，一個檢查點會在兩個時段內得到敲定，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時段的中間部分；那么距下一個檢查點就還有半個時段的時間，因此，一筆交易經過2.5個時段就可以得到確定性。理想化情況下，超過2/3的見證消息會在一個時段的前22個時隙內完成打包。因此，交易敲定的平均時長是14分鐘。區塊確認則從區塊見證消息，一步步升級到合理化，再到確定性。用戶自己可以覺得他們要不要等到交易確定，還是更低一點的安全性就足夠了。

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]

-時隙64處的檢查點被合理化，同時敲定時隙32處產生的上一個區塊-

為簡化敘述難度，下文假設所有驗證者的余額都相同。

信標鏈的頂端

時隙96處產生了一個時段邊界區塊，而且包含了對時段2檢查點的見證消息。見證消息的數量達到了2/3的多數要求。然后時段2的檢查點就得到了合理化，同時，上一個合理化的檢查點，也就是時段1的檢查點，就被敲定了。時隙32處的區塊得到確定性，會使得之前所有區塊都得到確定性。在敲定檢查點的時候，并沒有對同時得到敲定的區塊在數量上的限制。所以，雖然確定性僅在時段邊界的時候產生，見證消息是逐個逐個區塊累加的，下文的“從創世塊到區塊鏈頂端的歷程”部分提供了另一種描述。

從時隙1到時隙32的信標鏈區塊所包含的所有交聯，也會使分片鏈產生確定性。換句話來說，當一個信標鏈區塊得到確定性時，該塊所包含的交聯所對應的分片鏈區塊也得到敲定。交聯本身不足以使一個分片區塊得到敲定，只是對分片鏈的分叉選擇有所幫助。

從創世塊到信標鏈頂端的歷程

用同樣的辦法，可以觀察到從創世塊開始的一條故事線。所有的提議者，從時隙1到時隙36，一一提議了一個區塊，而且這些區塊都顯現在鏈上。對于時段1的所有區塊來說，其檢查點累積獲得了55%的驗證者的見證。在驗證者提議時隙64處的區塊時，它也納入了對時段1檢查點的見證消息。現在，有70%的驗證者都見證了時段1的檢查點，因此時段1檢查點得到了合理化。完成時段2時，時段2的檢查點累積的見證消息還達不到2/3的多數要求。時隙96處的區塊在提議時，也納入了對區塊2檢查點的見證消息，所以，這時候，時段2的檢查點也達到2/3的多數要求，被合理化了。合理化時段2的檢查點同時也會敲定時段1的檢查點及所有此前的區塊。

動態 | 新浪財經：官媒針對區塊鏈的報道從科普宣傳轉向打假監管:據新浪財經今日消息，“1025新政”滿月，一個月間，官媒對區塊鏈的態度風向已轉。據11月初的一項統計，七家黨媒在新政一周內發布了65篇直接相關報道，當時文章中的關鍵詞是數據、產業、安全、創新等，大量文章偏向于科普區塊鏈的概念以及應用介紹，提醒警惕虛擬貨幣炒作的僅有3篇。近期，官媒的批評焦點則紛紛指向借區塊鏈之名進行的虛擬貨幣發行和炒作行為。據統計，新華網、人民網收錄轉載的，以打擊虛擬貨幣或揭露假借區塊鏈行騙為主題的文章，自10月25日到11月25日午間，共28篇；其中，11月19日至11月25日的一周內就高達15篇。這些文章主要圍繞三個觀點展開：厘清區塊鏈和虛擬貨幣的關系，說明二者概念不等；打擊偽“區塊鏈”騙局，或是虛擬貨幣騙局揭露；提醒民眾，區塊鏈不能成為炒作的噱頭，更不是行騙的招牌，需警惕此類活動，理性投資。[2019/11/26]

有時，合理化一個區塊會敲定兩個甚至多個時段以前的區塊。Gasper論文討論了這種情況，預計只有網絡高延遲、網絡隔離、遭遇強大攻擊者的極端情況下，才會出現這種事。

確定性對于分片及以太坊區塊的用戶來說是重中之重，因為確定性使他們能夠確定，交易已經永遠寫在鏈上，不可更改了。確定性也降低了跨分片通信的復雜性。沒有確定性，分片內部和分片之間交易的回滾會具有破壞性，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LMDGHOST投票和一個FFG投票。理想情況下，所有的驗證者每個時段都會發出一條見證消息。一筆見證消息有32個時隙的機會被打包到鏈上。這就意味著，一個驗證者可能在單個時段內有兩筆見證消息被打包上鏈。見證消息打包上鏈的時間也決定了驗證者可得的獎勵幅度：在自己所在的時隙就打包上鏈可以得到最多的獎勵；要是等到后續時隙才打包上鏈，驗證者得到的獎勵就會下降。為了給驗證者足夠的時間來準備見證消息，他們會在一個時段以前就預先知道自己所在的委員會。區塊提議者則僅在時段開始之時分配一次。此外，隱蔽領袖選舉研究還致力于減輕對區塊提議者的攻擊和賄賂。

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]

委員會機制使得匯總所有的見證人簽名、變成單個聚合簽名在技術上的優化成為可能。如果同一委員會中的所有驗證者都作了同樣的LMDGHOST和FFG投票，則他們的簽名可以聚合起來。

信標鏈驗證者獎懲措施

為避免過度深入，我們僅討論驗證者激勵相關的6種措施：

見證人獎勵

見證人懲罰

對質押者來說典型的貶值風險

罰沒及舉報人獎勵

區塊提議者獎勵

怠惰懲罰

當期見證消息與其它多數驗證者一致時，驗證者可以得到獎勵。在Eth2Phase1階段，驗證者發送交聯也可以得到獎勵。當區塊得到敲定時，驗證者獎勵也就確定下來了。

另一方面，如果驗證者沒有提交見證消息，或者投票支持了一個最終不能得到敲定的區塊，他們也會受到懲罰。

在列舉不太常見的懲罰和獎勵之前，你可能還想知道，成為質押者會面臨怎樣的貶值風險。答案是，你可能失去的ETH，恰好跟你能賺取的ETH數量對稱。如果一個驗證者一年的獎勵回報率是10%，則作惡驗證者在最壞情況下可能會失去10%。舉個例子，如果一個驗證者總是離線，或者總是給那些不能得到敲定的區塊投票，則其損失的ETH數量，恰與一位總是及時提交見證消息，且所支持的區塊總是得到敲定的驗證者所得的獎勵，在數額上相等。

動態 | 美國演說家Anthony Robbins開始科普什么是比特幣:美國演說家安東尼·羅賓（Anthony Robbins）在自己的網站上發布了一篇比特幣的科普文章，并在推特上向自己的粉絲介紹什么是比特幣，目前他的推特賬戶共有粉絲304萬人。[2019/1/1]

罰沒的力度下至0.5ETH，上至一位驗證者的全部權益。如果一位驗證者所提交的見證消息觸犯了協議所定義的罰沒條件，則TA會損失自身權益的至少1/32，并被驅逐出驗證者隊伍。懲罰的力度就像該驗證者離線了8192個時段一樣。協議還會根據相近時間內被罰沒的驗證者數量施加一個額外的懲罰。此種額外懲罰的計算公式是：驗證者余額×3×被罰沒的驗證者占比。那么，如果占全體驗證者1/3數量的驗證者都觸犯了罰沒條件，則他們會失去全部余額。相應地，檢舉這些不軌行為的驗證者將會得到檢舉人獎勵。

區塊提議者在所提議區塊得到敲定之后，也會得到一個成比例獎勵。總是在線，并且提議工作做得很好的驗證者，其總獎勵可增加約1/8。出現罰沒事件的時候，提議者也會因為打包罰沒證據而得到一小筆獎勵。在Eth2Phase0中，所有的檢舉人獎勵都會給予區塊提議者。

以太坊2.0系統中機制眾多，對這些機制的評價應從所有機制的整體效果出發。最末一種獎懲措施是所謂的“怠惰懲罰”。基本上，如果距上一次敲定區塊已過去了4個時段，所有驗證者都會遭受怠惰懲罰，而且懲罰力度會呈平方級上升，直至新的檢查點得到敲定。怠惰懲罰保證了：即使50%的驗證者都離線了，系統也會在21天后重新開始敲定區塊。

罰沒條件

罰沒條件主要有三個，分別是：雙重提議、FFG雙重投票，FFG環繞投票。LMDGHOST投票是不會招致罰沒的。

雙重提議是指區塊提議者于所在時隙提議了多于一個區塊。

雙重投票是指驗證者在提交FFG投票時，多個投票指向同一個目標檢查點，但引用的來源檢查點卻各不相同。

環繞投票指的是驗證者在提交FFG投票時，多個投票所指向的檢查點?恰成環繞形狀。舉個例子，假定一位驗證者在時段5投票時，以時隙32的區塊為來源檢查點，以時隙128的區塊為目標檢查點：

如果該驗證者在時段6的投票以時隙64的區塊為來源檢查點，以時隙96的區塊為目標檢查點，那么該票就被TA自己在時段5的投票給包圍起來了。

如果該驗證者在時段6的投票以時隙0的區塊為來源檢查點，以時隙160的區塊為目標檢查點，則該投票把TA自己在時段5的投票給包圍起來了。

如果這位驗證者在時段6又給時隙128的區塊投票，除非其來源檢查點仍是時隙32的區塊，否則就成了雙重投票，也會被罰沒。相同的FFG投票倒是不會被罰沒的。

擁有相同來源檢查點的FFG投票也不會招致罰沒。這是維持網絡活性的重要條件。舉個例子，如果兩條分叉鏈各自都有50%的驗證者余額支持，協議應該鼓勵驗證者通過投票給相同來源檢查點、不同目標檢查點，在分叉間切換。能夠安全地在分叉間切換，驗證者們就能打破僵局，嘗試形成2/3的多數。

檢舉他人的驗證者需要在見證消息中納入相互沖突的投票，以證明另一個驗證者應該受到懲罰。要高效地從一長段歷史中找出相互沖突的投票，在算法和數據結構上也是一種挑戰。因此，開放工程挑戰·罰沒探測器也在尋找貢獻者。

得到良好控制的驗證者一般是可以避免被罰沒的：只需記得自己曾經簽名過哪些見證消息就好。誠實的驗證者也不會因為其它驗證者的行為而受到波及。只要驗證者不簽名相互沖突的見證消息，不作出雙重提議，就不會被罰沒。

為得到更好的運行體驗、更值得信任的信息來源，乃至更好的DoS保護，驗證者客戶端可能會同時使用多個信標鏈節點。

在這種模式中，包括使用備份的驗證者客戶端的時候，需要小心不要讓驗證者簽署相互沖突的消息。

信標鏈驗證者激活及生命周期

每一個想成為驗證者的用戶都要先有32ETH才能獲得驗證者資格。用戶質押32ETH到以太坊主網上的保證金合約中，就能獲得一個驗證者資格。

另一方面，信標鏈也會勸退所有余額降低到16ETH的驗證者；質押用戶可以取出剩余的驗證者余額，不過在Eth2Phase0還做不到。

驗證者在服務2048個時段之后也可以主動退出。退出時要先走完4個時段，質押用戶才能取出自己的權益。在這4個時段內，該驗證者的余額仍然是可以被罰沒的。因此，誠實驗證者的余額可以在約27小時之后取出。但是，如果驗證者在此時被罰沒，就只有再等8192個時段之后才能取出剩余款項。

更多技術細節可看《以太坊2.0Phase0驗證者生命周期》。下圖亦來自這份資料：

為避免驗證者集合在短時間內出現大規模的變動，單個時段內能激活和退出的驗證者數量是有一個機制限制的。這樣可以讓激活許多驗證者、快速攻擊系統的攻擊更難發動。

信標鏈還使用了一個叫做“有效余額”的概念，這個有效余額回避驗證者余額的變化更小，使得技術上的最優化成為可能。

總結

在每一個時段，驗證者都被均勻分配到不同時隙中，并進一步劃分成相同規模的委員會。驗證者只有1個應召的時隙，也只會存在于1個委員會中。因此：

一個時段中的所有驗證者，通過集體決策嘗試敲定某個檢查點；方法是FFG投票；

各時隙中的所有驗證者，通過集體決策嘗試選出信標鏈的頂端區塊：方法是LMDGHOST投票；

一個委員會中的所有驗證者，通過集體投票嘗試將某個分片交聯到信標鏈上。

最符合協議的行為可以得到最多的獎勵。

信標鏈的啟動需要至少16484名驗證者。驗證者的數量會因為罰沒及資源退出而減少，也會因為質押用戶的投入增加而增加。而且，隨著Eth2Pahse1及后續階段的升級，預計會有更多驗證者參與進來。信標鏈需要至少262144名驗證者才能使得單個信標鏈區塊能包含64個交聯。

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