區塊鏈
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以太坊2.0協議核心Beacon鏈詳解

譯者前言:關于以太坊的升級路線,密碼貨幣社區的很多參與者所掌握的信息可能已經是過時了,例如以太坊的Casper協議將不會替代現有以太坊PoW機制,而是被轉移到了以太坊2.0系統的Beacon鏈當中,而現有的以太坊PoW鏈,將繼續按原來的規則運行,在這篇文章中,來自以太坊開發公司ConsenSys的區塊鏈協議工程師Ben Edgington將為我們介紹關于以太坊2.0以及Beacon鏈的信息。

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以太坊2.0并不是一個新主意,早在2014年,Vitalik就提到了以太坊2.0的概念,他說:

“我們要么解決可擴展性和共識問題,要么就死于嘗試,” 好吧,我們還活得不錯,而他幾周前發布的最新觀點是:

“對于以太坊2.0來說,理論上已沒有明顯未解決的問題。”

現在正是實現這些理論的時候了,而Beacon鏈正是以太坊2.0交付計劃的第一個組成部分。在這篇文章當中,我們將討論它的作用、它為什么是這樣做的,以及開發者們是如何開發它的。 

關于Beacon鏈的介紹

在之前的一篇文章當中,作者介紹了以太坊2.0的概念,在這里我們通過Hsiao-Wei Wang提供的以太坊2.0系統 架構圖進行展示:

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(圖片:以太坊2.0整體架構 ,來自Hsiao-Wei Wang)

此圖還可作為開發和交付以太坊2.0的分步路線圖,順序為從上到下:

  1. PoW 主鏈是今天以太坊存在的部分:即當前的以太坊主網。在以太坊2.0系統當中,它會繼續像今天那樣運行。而下面的所有東西都是新的。
  2. Beacon鏈目前正在開發當中,它也將成為第一個被交付的組件;
  3. 分片鏈會是下一個交付組件,它也是可擴展性的來源。最初,分片鏈將簡單地聚合交易,并就其排序達成共識,而不會執行它們。這將是對系統基礎設施以及安全性的一個良好測試;
  4. VM層是以太坊2.0系統的最后一個重要組成部分,它將提供合約以及交易的執行;

為什么我們需要一個“Beacon”鏈?

Beacon鏈是一個全新的PoS區塊鏈。它是支撐整個新以太坊2.0系統的脊柱。它的存在,使得整個系統能夠保持活力,其負責指揮以太坊2.0系統所有的組成部分。

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(Beacon鏈指揮整個以太坊2.0系統,圖像來源:wikimedia.org)

Beacon鏈的關鍵功能是管理PoS協議(Casper)以及所有的分片鏈。它有很多方面的工作要做:管理驗證者以及他們的權益(stakes);在每一步為每個分片指定所選的區塊提議者;組織驗證者進入委員會,對擬議的區塊進行投票;應用共識規則;對驗證者實施獎勵和處罰;并且,作為一個錨點,其中分片會注冊它們的狀態,以促進跨分片交易;在我們更深入地研究這些功能之前,請先了解一下術語。Beacon鏈的名字起源于“隨機beacon”的概念,它為系統的其他部分提供隨機性來源,而Dfinity項目在其區塊鏈環境中也采用了隨機beacon的概念。每個參與節點都會維護自己的本地Beacon鏈,努力與其它節點保持同步。也許上面帶有指揮的圖像是有誤導性的,雖然Beacon鏈確實指揮了系統的其余部分,但其指揮者是去中心化的,這就像每個音樂家都有自己的節奏感一樣。

關于Beacon鏈的一些功能

讓我們來看看Beacon鏈的一些功能。

管理驗證者

Beacon鏈的主要工作之一就是維護驗證者集合,這些驗證者節點需通過抵押以太幣申請加入,他們會負責運行以太坊2.0系統。驗證者可以具有多種狀態,但只有那些被標記為“active”的節點才可以參與運行以太坊2.0協議。而想要加入驗證者集的參與者,可通過當前的以太坊PoW主鏈,向一個Beacon鏈合約發送32 以太幣,在經歷一些有效性檢查之后,這些幣會被鎖定,而合約則會發出日志條目(Solidity中的“事件”),它們可被Beacon鏈客戶端所接收。然后被選中的節點就可以導入到Beacon鏈的驗證者集當中。

一旦激活之后,驗證者就可以提出區塊并參與以太坊2.0協議,當這些區塊被選中之后,它們就會同時出現在Beacon鏈以及分片鏈上(一旦它們被實現的情況下)。如下所述,這些驗證者還會加入對區塊進行投票的委員會。

驗證者也可以發出信號,表明他們希望退出系統,并停止參與協議的運行。經過一段時間(目前為97天,但可能會更靈活),他們的押金(32以太幣)加上獎勵再減去罰款,將被退回到一個分片鏈當中。解鎖PoW主網上的初始權益,是不太可能的,除非整個系統失敗,并且社區同意給退出者退款。

以上的所有工作,都是由Beacon鏈在負責管理的。

提供隨機性

在區塊鏈系統中很難產生良好的隨機性,而一個權益證明( proof-of-stake)協議的關鍵要求,就是隨機性的來源,它必須是分布式的、可驗證的、不可預測的,并且是不可剝奪的。而Beacon鏈就是負責向系統的其余部分提供這種隨機性:下面所描述的幾個協議功能就取決于這種隨機性。p4

區塊鏈上的隨機性是一個很棘手的問題 (圖片來源:medium.com

當前的隨機數生成是通過RANDAO結構完成的,驗證者會提供一個“哈希洋蔥”。 而RANDAO結構只是將很多參與者提供的貢獻(單個隨機數)組合成單個輸出數字的一種方式。為了防止任何一個參與者顯著地操縱隨機性,開發者使用了一種提交泄露(commit–reveal)方案。當驗證者注冊時,它會提供一個承諾值,該值是其選擇的原始數字經多次哈希后產生的。每次選擇驗證者作為提議者時,它通過提供最后一個揭示數字的原像來剝離“洋蔥”的一層或多層。其它人都可以檢查這是否是正確完成的,因此提出者不能通過改變其貢獻來欺騙系統。雖然這種方案并不是不可替代的,如果提出者不喜歡這個隨機數,他可以選擇跳過它,但對于當前的協議設計來說,這已經是足夠健壯的。

區塊提出者

Beacon鏈會管理它的PoS協議,以及每個分片鏈。在工作量證明系統當中,礦工節點會負責選出下一個區塊。而在PoS系統當中,是不存在挖礦這個過程的,因此區塊生產者是基于上述協議內的隨機性,隨機地選擇區塊提出者。PoW系統的另一個特性是,區塊時間是不規則的,盡管以太坊的區塊生成時間平均約為15秒。相比之下,我們將Beacon鏈的區塊生成描述為心跳(heartbeat)。以太坊2.0的區塊是每16秒定期生成一次的(如果測試可行,也可能減少到8秒)。這個16秒的周期被稱為“slot”(時隙)

在每個時隙(slot),Beacon鏈所選擇的提出者,會收集來自先前區塊的Beacon鏈驗證者集的所有協議投票(證明),并將它們納入其發布的區塊。

一旦分片鏈準備就緒,每個分片在每個時隙(slot)中都會有自己選擇的提出者,它們將收集該分片的交易,并將它們納入一個由分片委員會投票得出的區塊當中;

委員會

p5驗證者委員會的投票活動,在確保以太坊2.0系統安全性方面起到了關鍵作用 (圖片:來自flickr.com

權益證明(proof-of-stake)區塊鏈的一個重要安全來源是委員會,它們負責對構成區塊鏈真實歷史的區塊進行投票。而 Beacon鏈就依賴于計算來自其委員會的投票,我們將其稱為“證明”,以便同意并最終確定其歷史。在理想的情況下,如果能夠快速收集證明,則該委員會的成員,都可以成為系統中的有效驗證者。此外,Beacon鏈將隨機為每個分片指定較小的子委員會,這將在適當的時候負責確認分片的提出者行為是正確的。

獎勵和懲罰

Beacon鏈的另一個管理角色,是跟蹤和更新驗證者的存款。如果驗證者表現良好,并發揮出了自己的作用,則他們會獲得獎勵:這是驗證者參與以太坊2.0系統的動力。但是,如果驗證者違反了規則。那么他們的32個以太幣存款會減少(被削減),到達一定程度的情況下,這些驗證者會被系統剔除。如果驗證者出現缺席的狀況(不對區塊進行投票),系統也會有小小的懲罰,我們將其稱為“二次泄漏”(quadratic leak)。其原因很微妙,即使在大量驗證器脫機時(例如在發生災難時),系統也能夠繼續處理區塊。

如果驗證者的存款低于16以太幣,則Beacon鏈會把驗證者從驗證者集當中剔除出去;

交聯(Crosslinks)

最后,Beacon鏈會執行交聯的處理。交聯負責將整個分片系統連接在一起,其負責將每個分片錨定在Beacon鏈的脊柱當中。周期性地,每個分片的當前狀態(“組合數據根”)會被記錄到Beacon鏈當中,并作為交聯。當Beacon鏈區塊完成時,相應的分片區塊就被認為是最終確定的,而其它分片則可確信它們可依賴它進行跨分片交易。

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可視化的Beacon鏈(藍色部分),它有8個分片鏈(碧綠色部分)以及相關交聯(淺藍色線)。所有鏈上的完成區塊都是黃色的,時間從左到右增加。 (圖片來自Casey Detrio

構建Beacon鏈

很快,我們就要結束我們的Beacon鏈閃電之旅了!就其本身而言,Beacon鏈可能看起來并不是特別有用。它無法處理任意交易:它沒有智能合約,它沒有 EVM虛擬機。你沒法用它做任何事情。但是,它作為以太坊2.0的第一個組成部分,它是整個系統的基礎。整個壯觀的以太坊2.0建筑都將以此為基礎。所以,它必須是堅實的。

如果你想深入了解細節,那么目前有一份正在進行當中的Beacon鏈規范。這份規范的所有創建和維護過程都是公開進行的:歡迎有興趣的人加入。

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(在開發?Beacon鏈的團隊)

為了運行Beacon鏈,你就需要用到一個Beacon鏈客戶端。而很多大家所熟知的以太坊客戶端(Geth,Parity,Pantheon等)都在進行相關的開發。你可以在此處查看我所知道的列表,其中包含指向其GitHub代碼庫的鏈接。 Prysmatic和Lighthouse正在定期更新它們的客戶端開發進度,也有一些團隊正在向貢獻者提供獎勵。關于進度…… 在撰寫本文時,Beacon鏈的技術規范完成度接近了60%。盡管如此,開發者們預計會在今年年底前合理地完成這份規范,并且可能到2019年第一季度末運行多客戶端的Beacon鏈測試網絡。最近幾周,相關的開發非常迅速,關于以太坊2.0的真正討論正在拉開序幕!

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