ETH:Eth2 Staking 指南：分片化的共識

Sharding（“分片”）是 Eth2 對比 Eth1 的許多升級之一。這個名詞來源于數據庫研究，就是將一個大的數據庫切分為許多部分，而一個分片就是一個部分。那么放到 Eth2 和數據庫的語境下，分片就意味著要把整個系統的存儲和計算切分開來、相互獨立地處理各分片，然后隨實際需要組成最終結果。具體來說，Eth2 系統中包含了許多分片鏈，而每一個條分片鏈的功能（capability）都與 Eth1 區塊鏈相似，這就能帶來大幅度的可擴展性提升。

不過，在 Eth2 中還有一種不那么為人所知的分片類型，而且從協議設計的角度來看，這個類型可能更為激動人心：分片化的共識（sharded consensus）。

就像網絡中最慢節點的處理能力限制了網絡的吞吐量，單個驗證者的計算資源也決定了能夠參與共識的驗證者總數量。因為每新增一個驗證者，都會給系統中的所有其他驗證者帶來額外的工作量，那么隨著驗證者數量的增加，最終會達到一個狀態：資源最少的那個驗證者將不再能夠參與共識（因為它不再能夠全程追蹤所有其他驗證者的投票）。那么 Eth2 處理這個問題的方案就是 分片化的共識。

數據：本周ETH地址活躍度和討論熱度有所回升:金色財經消息，Santiment發推表示，ETH的地址活躍度在本周有所回升，周三ETH活躍地址達59.2萬個，是一個多月以來唯一互動次數最多的一天。與此同時，關于ETH的社交討論度也達到了兩個多月以來的最高水平。[2022/4/22 14:41:17]

Eth2 的系統中有兩種基本的時間單位，時隙（slot）和時段（epoch）。

一個時隙是 12 秒，這是我們預期可出一個區塊的時間；區塊其實是一種讓驗證者的投票能集合發布到鏈上的機制，不止于包含交易讓鏈變得有用。

一個時段由 32 個時隙組成（因此是 6.4 分鐘），在一個時段中，信標鏈要執行所有跟鏈的維護相關的計算，包括：合理化及敲定新區塊、給驗證者發放獎勵和懲罰。

數據：第13大ETH巨鯨購買超過340億枚SHIB:12月20日消息，WhaleStats發推稱，排名第13的ETH巨鯨“Tsunade”購買超過340億枚Shiba Inu（SHIB），價值1002526美元。

在過去的一個月里，該錢包地址進行了幾次交易，從Coinex交易所購買1632億Shiba Inu代幣。截至目前，該錢包總共擁有價值61928352美元的SHIB，占其加密貨幣持有總量的5.05%。（U.Today）[2021/12/21 7:54:41]

我們在本系列的第一篇文章中提到，驗證者會被分配到不同的委員會中執行工作。那么在任一時刻，都有驗證者同時既是信標鏈委員會成員、也是某一個分片鏈委員會的成員；每個驗證者在一個時段中都要發出見證消息一次 —— 為已經提出的信標鏈區塊投票。

Vitalik Buterin將出鏡的以太坊紀錄片3天內超額募資1035.96枚ETH:7月19日消息，Vitalik Buterin將出鏡的一部以太坊的紀錄片“Ethereum:TheInfiniteGarden”在3天的時間內超額募資1035.96枚ETH（約197萬美元），該紀錄片的籌資目標為750枚ETH。募資金額的95%將用于電影的制作預算，約984.16枚ETH；2%通過捐贈至Carbonfund進行碳抵消，約20.72枚ETH；3%捐贈給GitcoinGrants用來支持開源以太坊項目，約31.08枚ETH。根據該紀錄片預計的時間表，該影片將于2023年冬季推出。[2021/7/19 1:02:38]

Eth2 的分片化共識的安全模型，基于這樣一個觀念：讓委員會在某種程度上就是整個驗證者集合的準確統計學代表。

行情 | ETH在一小時內下跌近2%:據Huobi數據顯示，ETH持續下跌，在一小時內下跌近2%，當前報價為103.80USDT，24小時跌幅擴大至8.46%，行情波動較大，請注意控制風險。[2019/1/28]

舉例而言，如果整個驗證者集合中有 33% 的驗證者是惡意的，那么他們可能就會進入到同一個委員會中。那就完蛋了。

所以，我們需要確保事情不至于如此。換句話來說，我們需要保證的是，如果 33% 的驗證者是惡意的，那么在一個委員會中只有約 33% 的驗證者是惡意的。

我們需要兩個舉措來實現這一點：

動態 | 昨日ETH活躍地址數較上周同期減少 8.41%:據Searchain.io數據顯示：昨日ETH新增地址數是45,050，較前日增長24.50%，較上周同期新增地址減少17.94%；昨日ETH活躍地址數是296,204，較前日增長3.61%，較上周同期活躍地址減少 8.41%。近7天日均新增地址數為40,207，日均活躍地址數為276,345。昨日新增地址數較日均升高12.05%，活躍地址數較日均升高7.19%。[2018/10/16]

1.保證驗證者的委員會分配是隨機的

2.組成委員會有數量下限要求

舉個例子，如果單個委員會由 128 個隨機選出的驗證者組成，那么一個控制了全網 1/3 驗證者的攻擊者能夠控制單個委員會的 2/3 驗證力量的概率是非常非常小的（概率低于 2^-40）。

驗證者提交的投票叫做 “見證消息”。見證消息由幾個部分組成：

1.對信標鏈頂端區塊的投票

2.對合理化信標區塊/確定化信標鏈區塊 的投票

3.對分片鏈最新狀態的投票

4.所有同意該投票的驗證者的簽名

把盡可能多的部分都組合到一條見證消息中，系統的整體效率便得以提升，因為，在檢查驗證者的簽名時，不再需要分別驗證對信標鏈區塊的投票和對分片鏈區塊的投票，節點只需基于見證消息做運算，即可得知信標鏈區塊的狀態和每一條分片鏈的狀態。

如果每一個驗證者都提交了自己的見證消息，而每一條見證消息都需要被所有其它節點單獨驗證一次，那么 Eth2 的節點的開銷可能會變得很大。這就是為什么我們需要 “聚合技術”。

見證消息被設計成容易組合的形式，因此，如果有兩個乃至更多驗證者做了同樣的投票，那就可以用一條見證消息把他們的投票都匯總起來，只需把簽名字段放在一起即可。這就是 “聚合” 和含義。

委員會的投票在根本上來說也是易于聚合的，因為這些驗證者都被分配到了同一個分片上，因此分片狀態的投票和對信標鏈區塊的投票很可能是相同的。這就是 Eth2 能隨著驗證者數量的增加而擴展吞吐量的機制。通過把驗證者打散到委員會內，驗證者將只需關心自己所在委員會的成員，也只需檢查極少數從其它委員會處傳來的、已經聚合過的見證消息。

簽名聚合

Eth2 使用了 BLS 簽名方案 —— 一種在多條橢圓曲線上得到定義、對簽名聚合較為友好的方案。在方案所選定的曲線上，單個簽名的大小是 96 字節。

如果占總量 10% 的 ETH 參與了質押，則 Eth2 會擁有約 35 萬個驗證者。這就意味著，單個 epoch 產生的簽名數據量大小可能會達到 33.6 MB，那么一天就是 7.6 GB。那么，只要 133 天，簽名數據就會超過 1 TB。

解決方案是，BLS 簽名是可以聚合的。如果 Alice 提交了簽名 A，而 Bob 所提交的簽名 B 是對相同數據簽的名，那么只需存儲 C = A+B，就能驗證 Alice 和 Bob 的簽名。使用了簽名聚合技術，整個委員會的驗證者前面都可以聚合成一個簽名。這樣就能將簽名數據的存儲需求降低到每天 2 MB。

把驗證者分配到不同委員會中的設計，讓驗證 Eth2 所需付出的工作量降低了幾個數量級。

對于一個想要驗證信標鏈和所有分片鏈的節點來說，它要做的僅僅是監測來自每一個委員會的聚合見證消息，只需如此便可知道每條分片鏈的狀態，以及各驗證者對哪些區塊 屬于/不屬于 信標鏈主鏈的看法。

因此，委員會機制幫助 Eth2 實現了兩大設計目標：只需消費者級別的筆記本即可參與 Eth2 網絡、支持盡可能多的驗證者來實現盡可能的去中心化。

用數字來說明：大多數拜占庭容錯式的權益證明協議只能支持數十位驗證者（在某些案例中可支持數百位驗證者），但 Eth2 可以支持數十萬驗證者同時為系統安全性作貢獻，又不犧牲執行時延和吞吐量。

特別感謝 Sacha Yves -Leger 和 Joseph Schweitzer 的指正。

作者: Carl Beekhuizen

翻譯: 阿劍

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