COL:干貨 | 以太坊分片：overview and finality

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在EthereumCasper101中，JonChoi對Casper做了一個很棒很清晰的綜述，并解釋了為什么顯式最終確定性對于可擴展性大有裨益。本文旨在給出一個以太坊分片的設計概覽，并闡釋顯式最終確定性如何有助于區塊鏈分片。為了完全理解以太坊分片機制提案的技術規范，我強烈推薦深入研究Vitalik寫的shardingdoc.區塊鏈可擴展性問題

不斷增長的交易。目前的塊生成過程導致可擴展性受限。區塊的gaslimit束縛了區塊的計算容量。無論是提高區塊的gas上限，還是大大降低區塊時間，都會導致高陳腐率，并削弱網絡對抗攻擊的能力。并行不足。首先，現有的EVM按先后順序依次處理交易。其次，出于安全和去中心化的考慮，每個全節點會執行每一筆交易，并存儲整個的狀態樹。進階閱讀：并行執行交易EIP648?—?Easyparallelizability術語

首先，讓我們來看一下在主鏈和分片鏈上不同層次的對象區別：

-表格1.術語-可以簡單地這么認為，交易都會被裝入“collation”。與區塊類似，一個collation也會指向它在鏈上的parentcollation。成為一個“collator”，就意味著你有資格在POS分片鏈上提名一個新的collation。

礦企Argo Blockchain通過發行新股籌集了750萬美元:金色財經報道，加密貨幣礦企Argo Blockchain通過發行新股籌集了570萬英鎊（750萬美元）。這家在倫敦證券交易所上市的公司周三表示，此次出售包括籌集513.4萬英鎊的私募和籌集61.6萬英鎊的公開發售。該資金將用于減少公司的未償債務。[2023/7/19 11:04:52]

-圖片1.Collation基本數據結構一瞥-基本的二次分片

分片鏈的共識依賴于主鏈

與側鏈類似，collation只有一小部分的證明必須記錄在主鏈上--這也是我們如何擴展區塊鏈的基本想法：分片鏈上的交易處于自己獨立的空間中，分片驗證人只需要驗證他們所關注的分片。分片鏈也通過POS機制依附于主鏈，以獲得更高層次的共識。驗證人管理員合約

為了將分片鏈加入到主鏈中，在主鏈上需要有一個叫做驗證人管理員合約的特殊合約。VMC是這個分片機制的核心。VMC的目的可以概括如下：權益證明系統。如果驗證者表現不端，其權益將會被剝削。偽隨機采樣。通過將當前塊哈希作為種子，采樣出合格的collator。基本上，驗證者將它們的保證金存入VMC，然后他們的驗證代碼地址將會被記錄在一個VMC內部的全局驗證人列表。系統將會從驗證人列表中采樣出一個分片鏈的驗證人，并將其指定為指定“時期”內，指定分片的驗證人。這種方式使得驗證者無法提前預測他們何時會成為驗證者，也無法預測會成為哪個分片的驗證人。Collationheader驗證。VMC有一個addHeader(bytescollationHeader)函數，該函數用=來驗證collationheader，并記錄有效的collationheaderhash。這個函數提供了即時的鏈上驗證。跨分片通信。利用UTXO模型，并通過在主鏈上進行交易和創建一個receipt，用戶可以將以太存入一個指定分片。分片鏈上的用戶可以給定receiptID創建一個消費receipt的交易，來花費該receipt。鏈上治理。將VMC作為議會，使得驗證人可以在鏈上進行投票。如何在分片內提名Collation？

Coinbase：正在調查XLM、STX、Polygon、LiteCoin延遲交易和延遲發送的問題:5月14日消息，據 Coinbase Status，Coinbase 團隊目前正在調查 XLM、STX、Polygon 延遲交易，LiteCoin 延遲發送的問題，Coinbase 稱用戶資金是安全的。此外， Coinbase 于北京時間 8:59 表示，其新加坡銀行合作伙伴正在進行定期維護，在維護完成之前，存款和取款可能會延遲。[2023/5/14 15:02:04]

在階段1，VMC將會維護100個分片。每個分片并行執行，分片i的客戶端只需要驗證分片i上的交易。“時期”被定義為一個區塊時間的準備窗口，比如PERIOD_LENGTH=5意味著每個周期有5個塊。這表明在每個周期內，對于每個分片只有不超過1個有效的collation。

-圖片2(a).二次分片。分片狀態的證明將被記錄在主鏈VMC上。-一旦驗證人被采樣為合格的collator來提案一個新的collation，collator必須對最近的collation進行驗證，并發送一筆交易來調用addHeader函數。注意，如果collator周期10被采樣到提交一個新的collation，這意味著addHeader交易必須被包含在周期10里面，也就是說，交易必須在區塊號10*PERIOD_LENGTH到區塊號(10+1)*PERIOD_LENGTH-1之間.

NFT市場Blur交易額超越Rarible:金色財經報道，據 Dapprader 最新數據顯示，NFT 市場 Blur 交易額已達到 3.427 億美元，超越 Rarible 位列 NFT 市場交易總額排名第 13 位，當前 Rarible 交易額約為 3.0175 億美元。[2023/1/6 10:58:16]

-圖片2(b).對于一個片來說，一個period只有一個collation；一個區塊可以包含不同片的多個addHeader交易-collationheaderhash必須被記錄在VMC上，以證明它的header全局有效。此外，分片的所有其他驗證人必須時刻檢測VMC以獲得最新狀態，然后驗證交易是否也有效。分片鏈的分叉選擇規則

在基本分片中，分叉選擇規則依賴于最長主鏈。給定一個分片，它的有效headcollation不是簡單的“最長有效分片鏈”的headcollation，而是“在最長有效主鏈里面的最長有效分片鏈”。Figure3(a)中有個例子，主鏈上有兩個分叉，在下圖中第二條鏈是最長有效主鏈。因為blockB3是headblock，很容易看出collationC3是headcollation。

-圖片3(a)-然后Figure3(b)中blockB3'到了。假設blockB3的得分高于blockB3'，那么上面的鏈仍然是最長主鏈：

數據：持有超過1枚ETH地址數量達歷史最高值:7月25日消息，據Glassnode數據顯示，持有超過1枚ETH的地址數量達歷史最高值，數值為1,563,326。[2022/7/25 2:35:43]

-圖片3(b)-最后Figure3(c)到了block4。注意到，對于這個分片，雖然collationC3的得分比collationC2更高，但是下方的鏈是最長有效主鏈，所有現在collationC2是headcollation：

-圖片3(c)-更多內容：另一個設計--VladZamfir的shardedforkchoicerule

-一個精巧的設計，保證區塊鏈可以在它們被最終化(finalized)之前原子化-可擴展性與安全性之權衡對于去中心化，可擴展性和安全性這三個屬性，區塊鏈系統最多只能三選其二。—BlockchainTrilemmainShardingFAQ出于對系統安全的保證導致了可擴展性受限3。當為了提高TPS將交易分配到各分片的同時，我們隨之也減少了每筆交易的計算資源。分片的其中一個重要機制就是，如何在鏈上生成隨機數。collator被選中的幾率，應該僅與驗證者的保證金相關，且成比例。如果驗證人能夠預測，或是任意選擇他們想要參與的分片，那么不誠實的驗證人既可以相互共謀，展開一個適應性攻擊。如果采樣不能以較高的隨機性進行選擇，那么攻擊者很可能在分片中展開1%攻擊：如果有100個分片，攻擊者可以專注于攻擊某一個分片，他們只需要1%的hashrate(POW)/deposit(POS)就可以控制分片.

比特幣挖礦難度下調5.01%至27.69T，創一年以來最大跌幅:7月22日消息，據BTC.com數據顯示，比特幣于區塊高度處745920處迎來挖礦難度調整，挖礦難度下調5.01%至27.69T。此次比特幣挖礦難度調整創下一年以來最大跌幅，也是一年以來首次出現連續三次挖礦難度下調，目前比特幣挖礦難度較歷史最高點已下跌近11.4%。[2022/7/22 2:30:29]

-圖片4.傳統的多數攻擊-

-圖片5.分片上的1%攻擊-分片的區塊鏈顯式最終確定性隱式最終確定性v.s.顯式最終確定性

首先，我必須聲明，分片機制應該同時能夠應用于POW與POS的鏈。即使如此，顯式最終確定性這個小物件也跟Casper一樣，可以使得分片更加健壯。在一般的POW鏈中，最終確定性是概率性，隱式的。簡單來說，即使區塊獲得了數以千次的確認，仍有可能對鏈進行重寫。相反，將CaspertheFriendlyFinalityGadget(“FFG”)加密經濟機制應用于POS，顯式地在協議內強制保證對我們來說，是否是最終確定(we-can-check-if-its-finalized-for-us)。協議內顯式最終確定性閾值有個經濟風險：它在2/3+1和1/3+1之間創造了一個理想的卡特爾大小。相應地，任何不在2/3+1同盟節點，其最終確定性的邊際貢獻就將為0。主鏈最終確定性依賴

在基本分片中，分片鏈錨定與主鏈之上。對于分片驗證人，我們希望分片，區塊鏈容量在階段1擴容100倍，因此這100個分片的所有驗證人，都將需要監測VMC狀態來獲得正確有效的headcollation。對于驗證人來說，重要的一點是，要盡快確信他們是否是collator。對于普通用戶而言，如果我們在階段2應用跨分片交易，普通用戶也將需要在VMC上檢索他們的保證金信息。顯式最終確定性，將會有助于緩解主鏈與大量分片鏈之間同步的不確定性。顯式最終確定性有助于無狀態客戶端

無狀態客戶端的基本原則是，它不存儲整個狀態樹，相反，無狀態客戶端只存儲狀態樹根。歸檔客戶端存儲整個狀態樹，并提供給定collation所需的Merkle分支。有了這些Merkle分支，無狀態客戶端就能夠構建部分的狀態樹，并驗證collation。一旦完成驗證人采樣并再混洗，就會立刻觸發同步。有了無狀態客戶端機制，再混洗的成本低至0，因為它們只需要驗證最新的collation來同步分片。

-圖片6.無狀態客戶端模型Figure6.Statelessclientmodel-因為同步過程可能非常快，無狀態客戶端模型就可能在每個collation之間再混洗成。這不僅會減輕存儲壓力和開銷，也會使系統更安全，因為頻繁采樣能夠獲得適應性攻擊的抵抗能力。CasperFFG將會提供顯式最終確定性閾值afterabout2.5“epochtimes”，也就是說，125個區塊時間。如果在再混洗期間，驗證人能夠驗證超過125/PERIOD_LENGTH=25collation，分片系統能夠從顯式最終確定性中受益，確信從現在起的前25個collation可以最終確定。當然了，如果在同步時有更多collation得到驗證，就會更加安全。結束語

希望我已經對當前以太坊的分片設計概念作出了簡單介紹，以及顯式最終確定性如何有益于分片機制。如果想要深入了解協議設計，請訪問ETHResear.ch和shardingdoc。如有任何錯誤，或是表述不清，歡迎指正！特別感謝VitalikButerin的杰出工作，JonChoi督促我寫下這篇文章，Dr.Chang-WuChen修繕，BrianChen給予反饋以及VladZamfir的分享。

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