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Vitalik：以太坊 Serenity 設(shè)計(jì)依據(jù)綜述區(qū)塊鏈

火球財(cái)經(jīng) 2019-02-05 18:42

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導(dǎo)讀

今天我們?yōu)榇蠹曳窒鞻italik撰文闡述以太坊Serenity階段的設(shè)計(jì)依據(jù)，希望讀者們在閱讀本文之后，能夠更進(jìn)一步了解以太坊Serenity背后的開發(fā)者們是如何來設(shè)計(jì)這個(gè)全新的PoS區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)

今天我們?yōu)榇蠹曳窒?Vitalik 撰文闡述以太坊 Serenity 階段的設(shè)計(jì)依據(jù)，希望讀者們在閱讀本文之后，能夠更進(jìn)一步了解以太坊 Serenity 背后的開發(fā)者們是如何來設(shè)計(jì)這個(gè)全新的 PoS 區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)。

● 簡單性：由于與加密經(jīng)濟(jì)學(xué)相關(guān)的權(quán)益證明 (PoS) 和二次分片 (quadratic sharding) 本身就很復(fù)雜，所以協(xié)議本身的決策過程應(yīng)該盡可能簡化。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)樗粌H能夠（i）最小化開發(fā)成本，還能（ii）降低我們無法預(yù)見的安全風(fēng)險(xiǎn)，并（iii）使用戶更容易相信協(xié)議設(shè)計(jì)者，認(rèn)同某種參數(shù)選擇是合理的。如果你想要更詳細(xì)地了解有關(guān)（iii）的哲學(xué)背景，請參見 https://radicalxchange.org/blog/posts/2018-11-26-4m9b8b/。當(dāng)我們在具體的功能實(shí)現(xiàn)中不可避免要引入復(fù)雜性的時(shí)候，這種復(fù)雜性的首選順序會是：第2層協(xié)議>客戶端實(shí)現(xiàn)>協(xié)議規(guī)范。 ● 長期穩(wěn)定性：協(xié)議的底層部件在構(gòu)建時(shí)應(yīng)該盡可能地達(dá)到理想狀態(tài)。如此一來，在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)我們便無需考慮對底層進(jìn)行變動，而是把精力集中在更高的層面（比如客戶端實(shí)現(xiàn)或者第2層協(xié)議）上，去進(jìn)行任意的創(chuàng)新。 ● 充足性：從本質(zhì)上而言，我們應(yīng)該能夠基于協(xié)議去構(gòu)造盡可能多的任意類別的應(yīng)用。 ● 深度防御性：協(xié)議應(yīng)該能夠在各種潛在的安全假設(shè)（比如網(wǎng)絡(luò)延遲、故障計(jì)數(shù)、用戶動機(jī)等）下盡可能地持續(xù)運(yùn)作 ● 完全輕客戶端可驗(yàn)證性：給定某個(gè)假設(shè)（比如網(wǎng)絡(luò)延遲、攻擊者的預(yù)算上限，1/N或者M(jìn)/N的少數(shù)參與者是誠實(shí)的），驗(yàn)證O?數(shù)據(jù)（理想情況下只需驗(yàn)證信標(biāo)鏈的數(shù)據(jù)）的客戶端應(yīng)該能夠間接保證整個(gè)系統(tǒng)中的所有數(shù)據(jù)都是可用且有效的——即使在發(fā)生51％攻擊的情況下也是如此（請注意：這里的51%攻擊案例是“深度防御性”的一個(gè)子集）。

2. 為什么選擇“最終化保證金罰款”模型呢？

對于諸如 Tendermint / Casper FFG / Casper CBC 這類具備傳統(tǒng) BFT (拜占庭容錯(cuò)) 風(fēng)格的權(quán)益證明共識算法來說，它們與其它共識算法的競爭性及差異在于，這些算法使用的都是基于鏈的算法，比如點(diǎn)點(diǎn)幣 (Peercoin) 和未來幣 (NXT) 中都使用了這些算法。這些算法肯定比工作量證明 (PoW) 更好。除此以外，我們認(rèn)為傳統(tǒng)的 BFT 風(fēng)格的系列算法具有更強(qiáng)大的屬性，這同時(shí)也是它們擁有強(qiáng)烈需求的原因。 ● 極其高昂的51%攻擊成本我們希望能夠建立一個(gè)強(qiáng)硬的機(jī)制，即任何對權(quán)益證明區(qū)塊鏈發(fā)起51％攻擊的攻擊者都將要承擔(dān)昂貴的費(fèi)用（比如數(shù)億美元），并且遭受攻擊的鏈條能夠從攻擊中快速恢復(fù)。這將使得攻擊/防御推演的結(jié)果十分不利于攻擊者。事實(shí)上，發(fā)起攻擊的結(jié)果可能適得其反，因?yàn)閮r(jià)格上漲給合法的持幣者所帶來的收益遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了服務(wù)中斷所帶來的損失。在BFT系列算法中，最終化回滾攻擊將產(chǎn)生明確的證據(jù)，該證據(jù)可用于罰沒攻擊者的保證金，從而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。此外，我們還可以通過在社區(qū)中協(xié)調(diào)發(fā)起一次包含誠實(shí)驗(yàn)證者的少數(shù)軟分叉來規(guī)避51％審查攻擊。考慮到 Casper FFG 的運(yùn)作機(jī)制，一旦少數(shù)派對鏈條發(fā)起了軟分叉，多數(shù)派將必須要作出分叉選擇：要么切換到正確的分叉鏈，并且因?yàn)樽陨碓?jīng)的錯(cuò)誤選擇損失一部分保證金，或者堅(jiān)守攻擊鏈，并且為此損失絕大部分的保證金。

不具備最終化特性的共識算法無法實(shí)現(xiàn)這些屬性。

● 驗(yàn)證者在線率超過50%

Serenity 的分片使用了一種機(jī)制，即如果隨機(jī)抽樣的驗(yàn)證者委員會中有2/3的成員對來自某個(gè)分片中的區(qū)塊進(jìn)行簽名，那么我們就認(rèn)為該區(qū)塊已被接受。這種機(jī)制本身要求平均有大于或等于2/3的驗(yàn)證者在線以接受任何分片區(qū)塊。但如果有超過50％的驗(yàn)證者在線，那么我們就可以得知：除非網(wǎng)絡(luò)中存在顯然會違反協(xié)議規(guī)則的驗(yàn)證者，否則我們將得到某種程度的保證，即區(qū)塊不會被回滾。因此，我們沒有理由不添加這么一個(gè)特性。

● 解決驗(yàn)證者的困境

所有區(qū)塊鏈都存在一個(gè)共同的問題，即驗(yàn)證者沒有足夠的動力去實(shí)際驗(yàn)證他們正在構(gòu)建的區(qū)塊。因?yàn)樵谶@個(gè)均衡中，如果（幾乎）每個(gè)人都是誠實(shí)的，那么對于驗(yàn)證者來說，這些交易根本不值得他們浪費(fèi)計(jì)算資源去校驗(yàn)。

而在分片鏈中，這些問題被進(jìn)一步放大了。我們可以通過（利用保管證明 Proofs of Custody）對簽署無效或不可用數(shù)據(jù)的行為實(shí)施大額罰款來緩解這些問題。但是，在實(shí)際執(zhí)行中，實(shí)施罰款不僅需要驗(yàn)證者繳納安全保證金，還要求鎖定期限足夠長，以允許其他用戶校驗(yàn)驗(yàn)證者所聲明的數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)對其發(fā)起質(zhì)詢。

3. Casper激勵(lì)機(jī)制中的每個(gè)參數(shù)的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)是什么？

● 基礎(chǔ)獎(jiǎng)勵(lì)--證明中指明正確的來源，獲得1/4獎(jiǎng)勵(lì)--證明中指明正確的時(shí)期檢查點(diǎn)，獲得1/4獎(jiǎng)勵(lì)--證明中指明正確的鏈頭，獲得1/4獎(jiǎng)勵(lì)--證明中指明正確的分片區(qū)塊，獲得1/4獎(jiǎng)勵(lì)

在不同的情況中，實(shí)際獎(jiǎng)勵(lì)的計(jì)算方式如下：如果 ? 是最大獎(jiǎng)勵(lì)值，并且 ? 是執(zhí)行所需操作的驗(yàn)證者所占的比例，那么任何執(zhí)行所需操作的驗(yàn)證者都將獲得獎(jiǎng)勵(lì) ?*?。此外，任何未執(zhí)行所需操作的驗(yàn)證者將遭受罰款-?。制定這種“集體獎(jiǎng)勵(lì)(即“如果有人表現(xiàn)得更好，那么每個(gè)人都會表現(xiàn)得更好”）”方案的目的是設(shè)定破壞因子的界限(想了解破壞因子的定義及重要性，請參閱：

https://github.com/ethereum/research/raw/master/papers/discouragement/discouragement.pdf)

需要注意的是，我們還要進(jìn)一步解決兩個(gè)難題：

1. 如果該證明被包含在區(qū)塊鏈內(nèi)的時(shí)間延遲了，那么獎(jiǎng)勵(lì)將減少。這是為了激勵(lì)驗(yàn)證者及時(shí)發(fā)布證明。

2. 提議者將獲得他們所包含的任意證明的獎(jiǎng)勵(lì)的1/8。這是為了鼓勵(lì)提議者充分監(jiān)聽消息，并盡可能多地接受這些消息。

● 驗(yàn)證者靜止漏洞

如果鏈條在 ???（time since finality，即達(dá)到最終化以后所經(jīng)歷的時(shí)間。其中，??? > 4 個(gè)時(shí)期內(nèi)未能保持最終化狀態(tài)，那么參與這個(gè)過程的驗(yàn)證者的獎(jiǎng)勵(lì)將降為零，并且第二個(gè)懲罰機(jī)制將被載入，該懲罰與 ??? 成比例。這確保了如果超過1/3的驗(yàn)證者陷入靜止?fàn)顟B(tài)，那么不在線的驗(yàn)證者將會受到更嚴(yán)重的懲罰，并且懲罰隨著時(shí)間的推移呈二次方遞增。

? 如果你的離線行為將阻礙區(qū)塊的最終化進(jìn)程的話，那么你將會因?yàn)殡x線這一行為遭受更嚴(yán)重的懲罰

? 確保一旦發(fā)生超過1/3驗(yàn)證者離線的情況，由于離線驗(yàn)證者的保證金在不斷減少，最終驗(yàn)證者的在線率會回升到2/3。

在當(dāng)前的參數(shù)化條件下，如果區(qū)塊無法被最終敲定，那么驗(yàn)證者在2.6天后將損失1％的保證金，在8.4天后損失10％，在21天后損失50％，以此類推。這意味著，如果發(fā)生50％驗(yàn)證者離線的情況，那么區(qū)塊將在21天后重啟最終化進(jìn)程。

● 罰沒和反相關(guān)懲罰

如果某個(gè)驗(yàn)證者被指證刻意違反 Casper FFG 的罰沒條件，那么該驗(yàn)證者所承擔(dān)的罰款會是在與他們大致相同的時(shí)間內(nèi)受到懲罰的驗(yàn)證者的三倍。這么做是出于以下幾個(gè)理由：

? 單個(gè)驗(yàn)證者作惡只會對網(wǎng)絡(luò)造成不良影響，但如果他們選擇與其他驗(yàn)證者同流合污，那么這些隨波逐流的驗(yàn)證者有必要接受嚴(yán)厲的教訓(xùn)

?這一機(jī)制會對實(shí)際的攻擊行為實(shí)施嚴(yán)厲懲罰，但對那些可能是誠實(shí)的單個(gè)孤立故障節(jié)點(diǎn)只實(shí)施非常輕微的懲罰

?這一機(jī)制確保較小的驗(yàn)證者所承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)要比較大的驗(yàn)證者的風(fēng)險(xiǎn)更少（在正常情況下，大型驗(yàn)證者發(fā)生故障所造成的影響相當(dāng)于一堆小型驗(yàn)證者同時(shí)宕機(jī)的結(jié)果）

?這一機(jī)制能夠有效阻止驗(yàn)證者“跟大隊(duì)走”

● 罰沒和反相關(guān)懲罰

? 這一機(jī)制會對實(shí)際的攻擊行為實(shí)施嚴(yán)厲懲罰，但對那些可能是誠實(shí)的單個(gè)孤立故障節(jié)點(diǎn)只實(shí)施非常輕微的懲罰

? 這一機(jī)制確保較小的驗(yàn)證者所承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)要比較大的驗(yàn)證者的風(fēng)險(xiǎn)更少（在正常情況下，大型驗(yàn)證者發(fā)生故障所造成的影響相當(dāng)于一堆小型驗(yàn)證者同時(shí)宕機(jī)的結(jié)果）

? 這一機(jī)制能夠有效阻止驗(yàn)證者“跟大隊(duì)走”

● 保管證明

當(dāng)驗(yàn)證者需要對某個(gè)數(shù)據(jù)為?，根為?的分片區(qū)塊進(jìn)行證明時(shí)，驗(yàn)證者需要計(jì)算出?'（其中，?'[?] =???(?[?], ????)）以及新數(shù)據(jù)?'的根?'。然后，驗(yàn)證者將發(fā)布一部分?'作為他們所簽署的內(nèi)容的一部分，并通過發(fā)布 ????(????) 的形式來提交種子。在一定時(shí)限內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)中的其它節(jié)點(diǎn)可以對這些信息進(jìn)行質(zhì)詢，并要求驗(yàn)證者提供他們的????參數(shù)、完整的?′值以及 ? 和 ?' 的特定分支，以證明這些數(shù)據(jù)被正確構(gòu)造。如果驗(yàn)證者在質(zhì)詢期開始之前提前發(fā)布????參數(shù)，那么他們將受到罰沒懲罰。

構(gòu)建這種機(jī)制是為了緩解驗(yàn)證者的雙重困境。在該困境中，驗(yàn)證者可能會出于懶惰而拒絕驗(yàn)證數(shù)據(jù)，并假設(shè)所有其他驗(yàn)證者都是誠實(shí)的。如果大多數(shù)驗(yàn)證者都這么想的話，那么很可能會導(dǎo)致公地悲劇，最終導(dǎo)致鏈條接受無效的區(qū)塊。而在這一機(jī)制中，如果驗(yàn)證者試圖提交沒有經(jīng)過他們親自處理的數(shù)據(jù)的話，那么他們將無法計(jì)算出?'（如果他們嘗試外包給別人處理，那么外包方可能會背叛他們，并導(dǎo)致他們遭受罰沒懲罰）。一旦這時(shí)有其它節(jié)點(diǎn)提出質(zhì)詢，那么這些驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)將無法正確回應(yīng)質(zhì)詢。出于效率原因，驗(yàn)證者首先只提交一部分?'。一旦驗(yàn)證者發(fā)布了他們的????參數(shù)，那么任何人都可以重做并檢驗(yàn)他們的計(jì)算結(jié)果。如果該?'值不正確，那么檢驗(yàn)者將會發(fā)動一系列質(zhì)詢來炮轟該數(shù)據(jù)為?′且計(jì)算不正確的區(qū)塊。

4. 為什么規(guī)模是32個(gè)ETH驗(yàn)證者？

任何具備可審計(jì)容錯(cuò)特性（即如果有兩個(gè)相互沖突的區(qū)塊被最終敲定，你可以分辨出是哪1/3節(jié)點(diǎn)作惡）的 BFT 共識算法必須讓所有驗(yàn)證者都參與其中。此外，由于技術(shù)原因，你還需要通過兩輪每個(gè)驗(yàn)證者都參與的流程來最終敲定某條消息。這將使我們不得不考慮去中心化/最終化時(shí)間/開銷三者的權(quán)衡（原文詳見https://medium.com/@VitalikButerin/parametrizing-casper-the-decentralization-finality-time-overhead-tradeoff-3f2011672735）：假設(shè)?是網(wǎng)絡(luò)中驗(yàn)證者的數(shù)量，?是敲定區(qū)塊的時(shí)間，ω是每秒鐘所產(chǎn)生的消息傳遞開銷，那么我們可以得到：

舉個(gè)例子，如果我們能夠容忍每秒鐘發(fā)送10條消息的開銷，那么在一個(gè)擁有10000個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)中，其最終化時(shí)間至少為2000秒（約為33分鐘）在以太坊中，如果我們假設(shè)總 ETH 供應(yīng)量約為 2^27 個(gè)ETH，那么在 32 ETH 保證金規(guī)模的條件下，網(wǎng)絡(luò)中最多有2^22個(gè)驗(yàn)證者（這是在每個(gè)參與者都參與驗(yàn)證的情況下；一般來說，我們認(rèn)為參與驗(yàn)證的 ETH 規(guī)模要減少10倍）。如果最終化時(shí)間為2個(gè)時(shí)期（即2 * 64 * 6 = 768秒），那么這意味著每秒鐘所產(chǎn)生的最大消息開銷將為 (2^22)/768 ≈ 5461。但我們可以容忍如此高的開銷。因?yàn)榻柚贐LS聚合方案，我們可以將每個(gè)簽名的邊際大小減少到1比特，并將邊際驗(yàn)證復(fù)雜度降低到一個(gè) ECADD 操作。出于另一個(gè)原因，64個(gè)時(shí)隙已經(jīng)是安全范圍內(nèi)的最小值：如果攻擊者操縱用于挑選提議者的隨機(jī)性，那么這個(gè)數(shù)字仍然能夠提供足夠的空間以確保每個(gè)時(shí)期中至少存在一個(gè)誠實(shí)的提議者，從而充分確保區(qū)塊能夠?qū)崿F(xiàn)最終化。我們的計(jì)算表明：目前程度的開銷是可以接受的，但更高的開銷將會增加運(yùn)行節(jié)點(diǎn)的難度。最后，當(dāng)前的驗(yàn)證者保證金規(guī)模是實(shí)現(xiàn)分片交聯(lián)的理想選擇（詳見下文）。

5. 隨機(jī)抽樣？

在每個(gè)時(shí)期，每個(gè)分片都會產(chǎn)生新的交聯(lián)。這意味著，在一個(gè)由128個(gè)驗(yàn)證者組成的隨機(jī)選擇池（即“委員會”）中，有2/3驗(yàn)證者簽署了一個(gè)表示自最新的交聯(lián)以來所產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)都被包含在特定分片的哈希。而之所以選擇128，是因?yàn)檫@個(gè)數(shù)是有效防御攻擊的最小規(guī)模。我們需要防止占比小于總驗(yàn)證者集合1/3的攻擊者在隨機(jī)選擇的過程中占據(jù)委員會的2/3（通過二項(xiàng)式定理計(jì)算，其概率為5.55?[10^(?15)]）。由于網(wǎng)絡(luò)中存在1024個(gè)分片，這意味著在每個(gè)時(shí)期獲取一次交聯(lián)，我們就需要有131072個(gè)驗(yàn)證者，或者大約440萬ETH押注（實(shí)際上，如果ETH的押注規(guī)模小于此數(shù)，那么交聯(lián)發(fā)生的概率會降低）。如果我們提高最小保證金規(guī)模，比如提高到1024 ETH，那么這將意味著我們無法獲得足夠的驗(yàn)證者來進(jìn)行交聯(lián)，除非所有的ETH都押注進(jìn)來。

6. LMD GHOST 分叉選擇規(guī)則

信標(biāo)鏈?zhǔn)褂玫氖?LMD GHOST 分叉選擇規(guī)則，具體的細(xì)節(jié)請參閱：https://github.com/ethereum/eth2.0-specs/blob/master/specs/core/0_beacon-chain.md#beacon-chain-fork-choice-ruleLMD GHOST 分叉選擇規(guī)則包含來自所有驗(yàn)證者的信息，這些信息在每個(gè)時(shí)隙內(nèi)有成百上千條。這意味著在正常情況下，哪怕回滾一個(gè)區(qū)塊也幾乎是不可能的。此外，由于分叉選擇取決于所有的驗(yàn)證者，因此，除非攻擊者控制了接近整個(gè)驗(yàn)證者集合的50％比例，否則區(qū)塊根本不可能發(fā)生回滾。再者，攻擊者也無法再通過操縱隨機(jī)性來獲得領(lǐng)先的優(yōu)勢。

7. 信標(biāo)鏈/分片鏈結(jié)構(gòu)

分片系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在于其具有一條能夠協(xié)調(diào)所有活動的中央“信標(biāo)鏈”，以及分別位于1024個(gè)分片內(nèi)的鏈條。分片通過“交聯(lián)”周期性地連接到信標(biāo)鏈中。(1)將分片內(nèi)的所有區(qū)塊直接放入信標(biāo)鏈中，并由委員會進(jìn)行簽署(2)不使用信標(biāo)鏈，而是采用其它結(jié)構(gòu)將分片鏈相互連接第(1)種方案由于效率原因被否決了：我們希望分片內(nèi)的出塊時(shí)間是6秒鐘，但是在信標(biāo)鏈中每6秒進(jìn)行1024個(gè)交聯(lián)將導(dǎo)致信標(biāo)鏈內(nèi)產(chǎn)生不可接受的高負(fù)載。第(2)種方案由于過于復(fù)雜被否決了：具有分層分叉選擇特性的中心輪輻型信標(biāo)鏈結(jié)構(gòu)（先找到信標(biāo)頭，然后基于信標(biāo)鏈來計(jì)算哪些分片區(qū)塊是合格的，并由此確定分片鏈的頭部）在具體實(shí)現(xiàn)和推理上遠(yuǎn)優(yōu)于任何更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

驗(yàn)證區(qū)塊分片最終選擇