TTE:以太坊：Safe Head 機制介紹（二）

作者：NicLin，imTokenLabs資深區塊鏈工程師

本文受眾：區塊鏈開發者

上一篇介紹了SafeHead機制，這一篇將介紹imToken嘗試實踐的SafeHead版本以及除了SafeHead之外能做的事，最后會介紹CasperFFG以及該怎么使用Checkpoint和SafeHead。

上一篇最后有提到SafeHead算法還沒落地，雖然目前PoS運作都正常，但我們在imToken仍嘗試設計出自己的SafeHead版本，希望在過渡期能獲得比BlockConfirmationRule更可靠的區塊參考，讓使用者的體驗比較不會受到網絡波動所影響。

過渡期及SafeHead之外能做的事

imToken在嘗試自己的SafeHead版本

目前的版本是由BlockConfirmationRule加上得票率的篩選，例如未來三個區塊得票率都大于90%，或是未來四個區塊得票率都大于70%。如此雖然比單純BlockConfirmationRule還可靠，但只單純看未來X個區塊存在無法反映實時投票率變化的缺點。未來還需要更多的迭代和改進。

那除了SafeHead，還有什么是現在我們能做的呢？

監控區塊及epoch投票率

PoS的優點之一是我們能透過觀察投票狀況來提前察覺網絡是否有問題、攻擊是否正在發生等等，能夠有一個監控系統來監測可以讓我們提前做出反應，不管是送出警報、拉高SafeHead門檻，或是將SafeHead設回一個更保守的區塊。

以太坊側鏈SKALE上dApps可向驗證者支付費用補貼以實現用戶免gas交互:據官方推特，以太坊側鏈SKALE宣布該網絡的dApps可以通過直接向驗證者支付費用以補貼用戶gas費。用戶由此可實現免gas交互。[2023/1/9 11:01:43]

而這些都只需要算出區塊投票率即可，也就是第一篇提到的步驟

查詢新的區塊并記錄區塊，包含分叉鏈的區塊也要能查詢得到獲取區塊里的Attestation并記錄Attestation針對每個區塊，搜尋所有Attestation.beaconBlockRoot==Block.blockRoot的Attestation，去掉重復的Validator得出該區塊得票數算出每一個slot的總Validator數量，除上得票數，算出得票率注：計算epoch投票率會在第三步和區塊投票率不太一樣，在后面會再補充解釋。

其中第二步、第三步及第四步在實踐上有一些需要注意的地方：

第二步：獲取區塊里的Attestation

同一個slot且同一個committee的Validator所產生的Attestation不會總是被完美合并成一個，所以會常常出現同一個slot同一個committee的Validator的Attestation在不同區塊被收錄。如果你透過beaconcha.in來查詢一個區塊的話，你會看到投給它的Attestation分散在不同區塊，以區塊4835000為例，你可以看到雖然大多數的committee的Attestation都在下一個slot4835001被收錄，但仍有些投票是在后面的slot才被收錄：

以太坊波動率指數交易平臺volmex.finance v1版本已上線Arbitrum:10月15日消息，以太坊波動率指數交易平臺volmex.finance v1版本已上線以太坊擴容網絡Arbitrum，用戶可以在Web端應用中將網絡切換至Arbitrum進行使用。volmex.finance是一個建立在以太坊上的波動性代幣化協議，用戶可通過抵押穩定幣鑄造波動率指數代幣來看多或看空比特幣和以太坊等加密貨幣價格。[2021/10/15 20:31:07]

?Committee10其中一個Validator的Attestation在slot4835010才被收錄

所以在資料庫里要唯一識別「同一個slot且同一個committee的Validator所產生的Attestation」會有點麻煩，要不(1)遇到同樣的Attestation但在不同區塊收錄時，將Validator合并起來，但如此就沒辦法呈現像上圖那樣的資訊，也分辨不出合并過哪些Attestation；要不(2)用Attestation被收錄的區塊號碼及Attestation被收錄的排序來識別Attestation，如此就能分得出同樣的Attestation在不同區塊被收錄的情況。

區塊4835000收錄的65個Attestation中的第一個Attestation

第三步：AggregationBits

每個Attestation會有一項叫做AggregationBits，這是一個bit陣列，用來記錄這個Attestation是由committee中的哪幾個Validator的Attestation所合并而來。

韋氏評級：數據顯示以太坊市場疲軟:據韋氏評級推文表示：以太坊的交易量/未平倉合約低于歷史高點（ATH），這表明以太坊牛市疲軟了。[2021/4/28 21:08:13]

以slot4823390的區塊里所含的第一個Attestation為例，其CommitteeIndex為42，代表這個Attestation是由committee42的Validator的Attestation所合并而成。另外其AggregationBits為214個bits，其中只有4個bit是1，代表這個Attestation是由committee42一共214個Validator中第28、第58、第84及第147位Validator的Attestation所合并而成。

這四位Validator的編號分別是218385、32675、220759及323143

另外需要注意的是你從節點要回來的Attestation，里面的AggregationBits會是經過SSZ編碼過后的值，不是你在上圖中看到的格式，所以需要自己先用SSZ解碼。以下是解碼上面這個Attestation的AggregationBits的范例：

import{BitArray,BitListType}from"//DeserializebytearraytobitlistwithSSZlibraryconstCommitteeBits=newBitListType(byteArraySize*8)constaggregationBitList=??????CommitteeBits.deserialize(byteArray)????????.toBoolArray()????????.map((v)=>(v?1:0))

外媒：中國以太坊礦工破解英偉達GPU算力限制并非事實:一個匿名科技推特賬戶在3月10日發布的一張截圖顯示，中國的以太坊礦工找到一種使用自定義mod繞過“GeForce RTX 30系列顯卡限制以太坊挖礦”的方法。截圖顯示，RTX 3060 GPU達到了45 MH/s的正常算力，遠高于英偉達上個月宣布的50%算力限制。對此，The Block發文稱這并非事實，與其交談的中國以太坊礦工或礦池運營商都表示，沒有看到一個真正可以繞過RTX 3060 GPU限制的解決方案可提供超過40 MH/s的哈希率性能。此前消息，芯片巨頭英偉達（Nvidia）的高端顯卡RTX 3080 Ti和RTX 3070 Ti將配有以太坊挖礦限制功能，即顯卡算力不能全部用于挖礦。同時，英偉達未來生產的所有30系列高端顯卡，都將配置以太坊挖礦限制功能。（The Block）[2021/3/13 18:40:44]

第四步：算出Slot的Validator數量

實際上要獲取每一個slot確切的Validator數量會需要用eth/v1/beacon/states/{slot}/committees這個API，回傳的資料會包含該slot每一個committee所有的Validator的編號，加總所有committee的Validator數量就能得到該slot確切的Validator數量。但如果不要求精準的話其實也可以直接將當前Validator總數除以32個slot。

計算epoch投票率

以太坊未確認交易為128,494筆:金色財經消息，據OKLink數據顯示，以太坊未確認交易128,494筆，當前全網算力為399.03TH/s，全網難度為5.31P，當前持幣地址為55,852,829個，同比增加148,674個，24h鏈上交易量為3,036,505.35ETH，當前平均出塊時間為13s。[2021/3/5 18:19:36]

前面有提到epoch投票率和區塊投票率在計算上不太一樣。計算區塊得票率時，要找的是投給該區塊的Attestation，也就是Attestation.beaconBlockRoot==Block.blockRoot，但epoch的投票目標則會是epoch第一個區塊的blockRoot。

計算epoch得票數：搜尋所有Attestation.epochTargetRoot==getEpochFirstBlock(epoch).blockRoot的Attestation，去掉重復的Validator得出該epoch得票數。

epoch總投票數則是加總該epoch每個slot的Validator數量，再除上得票數即能得到epoch得票率。

注：如果epoch第一個slot是空區塊，則往前從過去的slot中找到最近一個非空區塊。

Epoch10第一個區塊是空區塊，則投給epoch10的票要填入epoch9最后一個區塊

第一篇及以上部分算是介紹完了SafeHead的機制，最后這邊再搭配CasperFFG的介紹，讓DApp開發者或使用者能知道如何來利用這兩個工具。

CasperFFG

CasperFFG是以epoch為單位的共識機制，一個epoch要先獲得超過2/3Validator投票成為JustifiedCheckpoint，接著再獲得一次超過2/3投票才會變成FinalizedCheckpoint。

JustifiedCheckpoint

一個epoch要變成Justified最快要經過一輪的投票，也就是一個epoch，6.4分鐘。但變成Justified后還不代表是真的安全的，攻擊者還是能讓兩條分叉鏈上的epoch輪流變成Justified，導致一直沒有新的epoch能變成Finalized。雖然新的區塊還是會一直被propose出來，但從CasperFFG的角度來看，共識機制基本上停擺了，即共識機制的liveness被破壞。

不過要能攻擊成功需要攻擊者占有一定的Validator數量，以及網絡要出現問題導致Validator的投票無法實時傳遞到網絡的另一端。

更多介紹可以參考BouncingAttack。

FinalizedCheckpoint

一個epoch要變成Finalized最快要經過兩輪的投票，也就是兩個epoch，12.8分鐘。雖然比較久但是安全非常非常多，攻擊者要能成功讓兩條分叉鏈上的epoch被Finalized不只需要攻擊者占有超過1/3的Validator，以及網絡出現問題，攻擊者在事后更會被slash至少1/3的Validator，1/3Validator抵押的Ether目前約等價于72億美元。這樣的攻擊破壞的是共識機制的安全性。

要怎么使用Checkpoints及SafeHead？

用Checkpoint來當作Finality

在PoW里，每個DApp都只能自己主觀預估一個BlockConfirmationNumber來確保Finality，但在PoS里，協議本身就提供一個客觀的Finality，雖然等待的時間可能比BlockConfirmationRule還久，但安全性會遠勝于BlockConfirmationRule。

當你在查詢某個鏈上狀態時，你可以透過指定BlockTag為finalized，節點就會回傳給你FinalizedCheckpoint那當下的狀態：

awaitprovider.getBalance("vitalik.eth","finalized")

用SafeHead呈現即時資訊

DApp需要Finality的話可以使用Checkpoint，那在平時前端顯示畫面給使用者時，數據要參考什么時間點的呢？總不可能顯示久久才更新一次的Checkpoint時間點的信息吧？

在PoW中DApp都是拉latest區塊的資訊來顯示，也就是節點看到的最新區塊。但PoS中latest區塊不再那么可靠，這時就可以用safe區塊的信息來顯示，雖然會延遲四秒，但是比latest區塊可靠許多。

參考資料

BalancingAttack:LMDEdition-Consensus-EthereumResearchAnalysisofbouncingattackonFFG-Proof-of-Stake-EthereumResearchUpgradingEthereum|OnePageAnnotatedSpecEthBeaconNodeAPIv2.3.0-Eth2Specv1.1.0OAS3https://beaconcha.in@chainsafe/ssz-npm特別感謝Chih-ChengLiang，Chang-WuChen，StevenWu和doublespending校對本文并提供改進建議。

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