ALI:以太坊2.0：如何實現最終性？

作者|Bruno?kvorc

編譯|Summer

前言

如果你在了解有關以太坊2.0的過程中遇到過justification(證明)和fnalization(最終性)這兩個術語，但卻不知道它們是什么意思，希望本文能給你一些啟示。

首先，我們試著來理解什么是finality(最終性)。

你一定已經注意到，加密貨幣平臺和Dapps(去中心化應用)通常都會等待幾個區塊被敲定之后才會將你的交易視為“confirmed(已確認)”狀態。這是一種確保某筆交易已經是“近乎”確定的，或者說該筆交易“幾乎”是不可逆轉的方式，也就是說，這筆交易已經被“finalized(敲定了)”。

以太坊2.0能夠提供finality(最終性)的保證，這是以太坊區塊鏈奉為神圣的客觀事實，而不是一種“近乎”的狀態。這是非常重要的，因為這能夠帶來更快的鏈上通信，即如果某個區塊剛剛被敲定了，那該區塊將無需等待多次確認。

也就是說，基于工作量證明的區塊鏈(比如比特幣)從未包含讓交易真正實現最終性的特性；而以太坊2.0鏈旨在提供比工作量證明更強大的最終性保證。

報告：美國擁有45.3%以太坊節點，全球排名第一:11月29日消息，據CV VC Labs最新發布的區塊鏈報告顯示，美國擁有45.3%的以太坊節點，全球排名第一，相比2021年增長8.38%；歐洲的以太坊節點份額占比為22.8%，排名第二。

此外，德國區塊鏈行業在2022年融資約80億美元，占到全球區塊鏈VC融資總量的2.4%，德國獲得融資的區塊鏈項目數量達到220個，增長10%，其中含34個獨角獸。（Cryptoslate）[2022/11/29 21:09:40]

我們來更加具體地加以說明。首先來看幾個定義：

LMDGHOST是以太坊2.0使用的分叉選擇規則(即用于決定哪條鏈是“權威鏈”的規則)，全稱是“LastMessageDrivenGreediestHeaviestObservedSubTree(由最新消息驅動的GHOST)”

CasperFFG是以太坊2.0使用的權益證明(PoS)機制，全稱是“CaspertheFriendlyFinalityGadget(Casper友好的最終性小工具)”

在以太坊2.0鏈中，每生成64個區塊(大約需要6.4分鐘)稱為一個epoch；

數據：以太坊盈利地址百分比的七日平均值跌至55%，創22個月來新低:6月12日消息，Glassnode 數據顯示，以太坊盈利地址百分比（7d MA）跌至 55.667%，創 22 個月來新低。[2022/6/12 4:19:51]

在以太坊2.0系統中，slot是生成一個新區塊所需的時間，即一個新區塊被提議及證明其正確性所需的時間。每個slot被設定為6秒，但不是每個Slot期間都會產生新的區塊。每個epoch期間的最后一個slot被稱為checkpoint(檢查點)。

Committee(委員會)是由信標鏈在每個slot期間隨機選擇的驗證者集合(每個委員會的目標驗證者數量是128名)，每個委員會中第一名被隨機選擇的驗證者將有機會在該slot期間提議新區塊，該委員會的其他驗證者將對這個被提議的區塊進行證明(attest)。

基于上面這些信息，我們繼續探討Justification(證明)和Finalization(最終性)。

CasperFFG

Casper是一種用于證明和敲定區塊(不管是一般的區塊鏈平臺還是以太坊2.0鏈中的epoch期間產生的區塊)的方式。Casper是一種通用的“小工具”，可以添加到任何需要實現最終性的區塊鏈中，但Casper在PoS區塊鏈中最為有用。

ETH2.0上質押的以太坊最早或在2021年一季度可取款:根據質押服務商Rocket Pool的一篇博客文章，質押在Ethereum 2.0上的ETH最早可能在2021年第一季度就可以取款。雖然Eth2推出的第0階段是在12月1日與信標鏈一起啟動的，但質押者的90萬以太坊在1.5階段（預計2022年初到達）之前無法提取。然而，上周以太坊開發者Danny Ryan提出了一項新的“取款合約（withdrawal contract）”，如果該方案實現，他估計80%的取款合約用例將得到滿足，用戶可以提取他們的以太坊。[2020/12/2 22:50:31]

以太坊2.0中的最終性是這樣一種概念，即系統確定將不會存在兩個相互競爭的、敲定的檢查點(checkpoints)，而當這種情況發生時，至少三分之一的活躍驗證者將被被罰沒(slashing)。我們稱之為經濟最終性(economicfinality)。

你也許想問，為何是三分之一的驗證者將被罰沒？我們知道，在以太坊2.0系統中，必須保證有三分之二的驗證者是誠實驗證者來參與驗證(也即進行投票)，因此如果系統出現兩個相互競爭的、敲定的檢查點，則意味著有三分之二的驗證者對其中一個檢查點進行投票，同時也有三分之二的驗證者對另一個檢查點見投票，也就是說，至少有三分之一的驗證者對這兩個檢查點都進行了投票，這部分驗證者就會被系統認為是惡意驗證者，因此會受到罰沒懲罰。

路印Loopring：已經開放二層以太坊DEX交易:去中心化交易協議路印Loopring今日發推表示，用戶已經可以在其二層以太坊DEX上進行交易，該DEX也采用zkRollup擴容技術，免gas費用，代幣交換界面簡單，增加了訂單簿，做到對用戶更友好。[2020/9/14]

對于驗證者來說，最大的利益來源于正確地對信標狀態進行敲定，而不是進行不當的惡意操作。

那么“敲定的檢查點”中的“敲定”是什么意思呢？在對此進行解釋之前，我們需要解釋一下什么是“justification(證明)”。

證明就是驗證者通過對檢查點進行投票，從而決定哪個檢查點才是信標鏈的頂端區塊。如果三分之二的驗證者(也即絕大多數驗證者)對兩個連續的epoch達成共識，這樣這兩個連續的epoch被證明了(justified)，前一個epoch就被認為是敲定了(finalized)。

注意：上述定義在很大程度上進行簡化了，目的是為了方便理解。一些其他的因素也會參與其中，但這超出了本文的范圍。因此，一個“敲定了的”epoch實際上就是一個已經被“證明了的”epoch，但其中存在一個關鍵的區別——當某件事被“證明了”，你仍然可以把時間倒流回去重新證明；但當你“敲定了”某件事，那重寫歷史就變得非常困難。

數據：以太坊巨鯨購買價值約1400萬美元的NXM代幣，目前持有代幣總量3.6%:根據Etherscan數據顯示，一位以太坊巨鯨在幾天內購買價值約1400萬美元的以太坊互助保險NexusMutual代幣NXM。根據其賬戶顯示，該名巨鯨擁有約26萬枚NXM代幣，目前持有NXM代幣總量約3.6%。[2020/8/20]

也就是說，某件事“敲定了”就一定意味著這件事已經被“證明了”，而某件事被“證明了”不一定意味著這件事已經“敲定了”。

應該注意的是，當驗證者對epoch進行證明或敲定時，并不是說驗證者正在對epoch本身進行投票，而應該說驗證者正在對epoch期間的“內容”進行投票/驗證，這個“內容”就是每個epoch期間的最后一個slot(即檢查點)的狀態根(stateroot)。

因此，驗證者是通過投票的方式來對epoch進行證明/敲定，這就是驗證者對以太坊區塊鏈的最新已知有效狀態進行投票的方式。

LMDGHOST

這就是分叉選擇規則發揮作用的地方。

GHOST實際上是一種在PoW(工作量證明)和其他區塊鏈平臺非常受歡迎的協議。GHOST協議遵循“最重的”子樹(the“heaviest”subtree)，也就是最長的那條鏈。

在比特幣區塊鏈中，“最重的”分支就是那條在其區塊中投入了最多算力的鏈，這條鏈也就是最長的鏈。顯然最長的鏈就是我們所說的“權威鏈(canonicalchain)”，但這條鏈依舊有可能切換為另一條分叉鏈(雖然可能性很小)，因此最長鏈的最終性是概率性的。

LMD讓“消息(messages)”發揮了作用，即以太坊2.0鏈上的最終性是“由最新消息驅動的”。消息就是證明(attestation)，所有這一切歸結起來就是，擁有最多投票的分叉鏈將被認為是“權威鏈”。

上圖中體現了由最新消息驅動的分叉選擇規則：綠色區塊表示經由LMDGHOST分叉選擇規則證明了的區塊，笑臉符號表示最新的驗證者證明(attestations)，某個區塊中的證明總量(笑臉總數)就是該區塊的權重，用區塊中的數字表示。

在上圖中，盡管位于上方的那條分叉鏈是最長的鏈，但下方的那條由綠色區塊組成的鏈才是“權威鏈”，因為綠色區塊包含了最多的證明，也就是擁有最多的驗證者投票。

Gasper

在以太坊2.0鏈中，Casper和LMDGHOST一起就構成了驅動以太坊2.0系統的共識協議。

讓我們看看這張來自以太坊研究者JustinDrake在EthCC會議上演講有關Eth2.0時使用的幻燈片。

幻燈片1

上圖中，兩個虛線框展現了在分叉選擇中的非法情況。上方靠左的虛線框展現的是，如果在同一時間投票給兩個不同的狀態根，那就是非法的投票，也就是說，你不可以在同一時間投票給兩個包含不同內容(狀態根)的epoch。

上方靠右的虛線框展現的是，你不可以跳過某些epoch而對之后的epoch進行投票，換句話說，你在投票給當前的候選epoch之前，不可以投片給將來的epoch。

上圖的下方部分展現的是兩條被敲定了的分叉鏈。第一個和第二個以紅色圓點表示的epoch是已經被敲定了的“權威鏈”，因為這兩個epoch之后緊跟了第三個和第四個(以紅色圓點表示的)epoch。但是，第三個和第四個epoch在兩條平行的分叉鏈中都存在，那這兩條分叉鏈哪條才是屬于“權威鏈”呢？

我們看第二張幻燈片。

幻燈片2

根據上文所述，在同一時間投票給兩個包含不同內容的epoch是非法的。在幻燈片2中的下半部分包含兩條分叉鏈的情況下，上面的分叉鏈中的兩個epoch(紅色圓點)已經被敲定了(finalized)，因此似乎上面的這條分叉鏈是有效的；但位于下面的那條分叉鏈也包含了兩個已經被敲定的epoch，但這兩個epoch被敲定的時間更晚一些！

幻燈片3

這就意味著位于下面的分叉鏈是無效的分叉，因為如果跟隨下方那兩個被敲定的epoch繼續進行投票，這將意味著一個最新被投票的epoch將跟隨一個來自于另一條分叉鏈的epoch。這是非法的，因為敲定的檢查點是必須按時間順序排列的。如果發生了這種情況，那大量的驗證者將受到很嚴重的懲罰，因為大多數的驗證者把票投給了一條“非法鏈”上的epoch。因此，這些驗證者必須被懲罰。

就是這樣了！如果你是驗證者，請確保每個slot期間只投一次票，并且確保你投的是也是其他人正在投的。要避免被罰沒！(別擔心，這些都將內置到你使用的以太坊2.0客戶端中)

希望本文能讓你更加清楚地了解justification和finalization。如果你還有不清楚的對方，請告知我(推特@bitfalls)！非常感謝DustinBrody、MamyRatsimbazafy、JustinDrake以及DannyRyan對撰寫本文的幫助！

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