VIT:Vitalik：Eth2分片鏈簡化提案

作者：VitalikButerin

來源：ECN以太坊中國

要點提煉

持續性分片鏈的概念將不復存在，相反，每個分片區塊都是直接的交聯。提議人發出提案，交聯委員會負責批準，一錘定音。

分片數量從之前的1024減少到64，分片區塊大小從kB增加到kB。分片總容量為3-2.7MB/s，具體值取決于時隙。如果需要的話，分片數量和區塊大小可隨時間的推移而增加，比方說10年后最終達到1024個分片，以及1MB區塊。

在L1和L2層實施了諸多簡化方案：所需的分片鏈邏輯更少，由于“本地”跨分片通信發生在1個時隙內，無需通過Layer2進行跨分片加速，(iii)無需通過去中心化交易所來促進跨分片交易費的支付，(iv)執行環境能夠進一步簡化，(v)無需再混合序列化和哈希。

主要劣勢：(i)信標鏈成本更高，分片區塊產生時間更長，對“突增性”帶寬需求更高，但對“平均”帶寬的需求更低。

介紹/理念

以太坊2.0目前的架構過于復雜，尤其是在費用市場方面。這個問題由layer2解決方案引起：雖然分片內的區塊時間是非常短的，然而分片間的基礎層通信時間特別長，需要1-16個epoch。這就亟待“樂觀”的解決方案：一個分片內的子系統通過某種中等安全的機制，“假裝”提前知道其它分片的狀態根，并使用這些不確定的狀態根來處理交易，以此來計算自己的狀態。一段時間后，所有的分片都將經歷“后衛”進程，檢查哪些計算使用了其他分片狀態的“正確”信息，并拋棄未使用“正確”信息的所有計算。

Vitalik Buterin登上《時代》周刊封面:金色財經消息，據《時代》周刊雜志官方公布，以太坊創始人Vitalik Buterin成為《時代》周刊封面人物。

此外，《時代》周刊發文表示，以太坊已成為僅次于比特幣的第二大加密貨幣，為與Visa相媲美的萬億美元生態系統提供動力。以太坊已將全球數千名無銀行賬戶的人帶入金融系統，允許資本不受阻礙地跨境流動，并為企業家提供基礎設施，以構建各種新產品。[2022/3/18 14:05:24]

而這個過程是存在問題的，雖然它能夠有效地模擬許多情況下的超高速通信時間，但是“樂觀”ETH和“真實”ETH之間的差距衍生出了其他復雜情況。具體而言，我們不能假設區塊提議者“知道”樂觀的ETH，因此，如果分片A上的用戶向分片B上的用戶發送ETH，則分片B上的用戶在擁有協議層ETH之前，會出現時間延遲。如果想避免延遲，要么需要去中心化交易所，要么需要中繼市場。

此外，目前的交聯機制大大增加了復雜性，實際上它需要一整套區塊鏈邏輯，包括獎懲計算、單獨存儲分片內獎勵的狀態以及分叉選擇規則等，這些都需要被納入分片鏈中作為階段1的組成部分。本文檔提出了一個大膽的替代方案，用以解決所有這些問題，使以太坊2.0能夠更快地投入使用，同時降低風險，其中還有一些折中方案。

方案細節

我們把SHARD_COUNT從1024減少到64，并將每個時隙的分片數上限從16增加到64。這意味著“最優”工作流現在處于每個信標鏈區塊之間，每個分片會產生一個交聯一詞，因為并沒有“連接”到分片鏈，直接使用“分片區塊”更合適）。

Vitalik解釋以太坊從PoW轉向PoS的三大關鍵原因:以太坊創始人Vitalik Buterin日前撰文解釋了以太坊從PoW轉向PoS的三大關鍵原因：1、在相同成本條件下，PoS提供了更好的安全性；2、權益證明（PoS）系統遭受攻擊后更容易恢復；3、權益證明（PoS）比ASIC挖礦更去中心化。他認為，PoW有兩個主要的優勢：1、PoS系統更像是一個“封閉”系統，這導致長期來看，系統的財富集中度會更高；2、PoS需要“弱主觀性”，而PoW則不需要。但是，這些優勢也比較有限。[2020/11/7 11:56:20]

請注意一個關鍵細節：現在任何分片的slot-N+1區塊都可以通過一條路徑知道所有分片的所有slot-N區塊。因此，我們現在有了一流的單時隙跨分片通信。

近似現狀

新提案

在這個提議中我們改變了證明所連接對象的結構：不再包含“交聯”，其中包括以某種復雜序列化形式表示的許多分片區塊的“數據根”，而只包含單個區塊的數據根，該數據根表示了區塊內的內容。分片區塊還將包括來自提議者的簽名。為了促進p2p網絡的穩定性，計算提議者的方式依然使用之前基于常設委員會的算法。如果沒有可用提案，交聯委員會成員也可以就“零提案”進行投票。

動態 | 區塊鏈醫療公司SimplyVital Health獲得美國國家科學基金會22.5萬美元的經費:總部位于新英格蘭的區塊鏈公司SimplyVital Health獲得來自美國國家科學基金會（NSF）的225,000美元的經費。SimplyVital將用該筆資金進行研究和開發，以將石墨烯協議集成到其區塊鏈協議Nexus中。（cointelegraph）[2019/10/11]

我們依然在狀態中存儲一個映射latest_shard_blocks:shard->(block_hash,slot)，不同的是由存儲epoch變為時隙。在“樂觀情況”下，我們希望這個映射能夠更新每個時隙。

將online_validators定義為活躍驗證者的子集，活躍驗證者即在過去8個epoch中至少有一個epoch包含其證明。如果總數量中2/3的online_validators就給定分片中的新區塊達成一致，映射才會進行更新。

假設當前時隙是n?，但對于給定分片i，latest_shard_blocks.slot<n-1，我們則需要該分片的證明來提供范圍內所有時隙的數據根。

分片區塊仍需指向“先前的分片區塊”，我們還是要強制保證一致性，因此該協議就要求多時隙證明是一致的。我們推薦委員會采用以下“分叉選擇規則”：

對于每個有效且可用的分片區塊B，計算其最近消息支持B或B的后代的驗證者總權重，暫且將該權重稱為分片區快B的“得分”。即使是空白的分片區塊也可以有得分。

公告 | OKEx已完成VITE主網切換并開放VITE充提:據官方消息，OKEx已完成VITE主網切換，于2019年09月26日11:30(HKT)開放VITE的充提。[2019/9/26]

為slot+1選擇得分最高的分片區塊。

為slot+k選擇得分最高的分片區塊，考慮范圍內的區塊需要指向latest_shard_blocks.slot+(k-1)已經選出的區塊。

概述

信標區塊N和信標區塊N+1之間的發表過程如下：

信標區塊N發布；

對于任何給定的分片i，分片i的提議者提議一個分片區塊。執行該區塊可見信標區塊N和先前區塊的根；

映射到分片i的證明者進行證明，包括其對分片i中的時隙N信標區塊和分片區塊的意見；

信標區塊N+1發布，其中包括所有分片的這些證明。區塊N+1的狀態轉換函數對這些證明進行處理，并且更新所有分片的“最新狀態”。

成本分析

請注意，參與者不需要隨時主動下載分片區塊數據。相反地，提議者發布提議時，只需要在3秒內上傳上限為512kB的數據，隨后委員會驗證提議時，只需要在3秒內下載上限為512kB的數據。

請注意，此操作的要求低于目前每個驗證者的長期負載要求，即每個epoch約2MB。然而，這對“突增性”負載的要求更高：之前是3秒內上限64KB，現在需要在3秒內達到上限512KB。

證明負載的信標鏈數據更改如下。

V神(Vitalik Buterin)以太坊創始人針對特朗普稅改立法發表言論:

12月3日V神(Vitalik Buterin)在Twitter發表言論，表示與特朗普在稅改立法方案上持有不同的觀點，但是會進一步研究他們的想法和方案。并表示不支持以太坊社區被放逐，這句話有一些含沙射影的意思，但V神特表示這只是他個人的信仰，單純的表達不同意的方式，與仇視言論無關。[2017/12/3]

每個證明有大約300字節的固定數據，加上一個位字段，即每個epoch400萬bit，每個時隙8192字節。因此，目前方案的最大負載為128*300+8192=46592，平均情況中的負載可能更接近32*300+8192=17792，即使這樣還可以通過壓縮證明中的冗余信息來降低負載。

在本提議中，我們可以看到兩種負載：

時隙n的證明將包含在時隙n+1中。我們可以允許包含兩個最受歡迎的分片區塊/區塊頭組合，所以就有了128個未經壓縮的證明

時隙n+1之后的時隙n中壓縮版證明數量最多為128

因此最大負載計算為128*300+128*200+8192=72192，平均情況負載約為80*300+10*200+8192=34192。

還要注意的是，證明聚合在每個分片中每個時隙的成本為65536*300/64=307200字節。這為運行節點提供了一個自然的系統需求基礎，因此要再壓縮區塊數據的話也沒有什么意義。

從計算層面來說，唯一大幅增加的花銷是需要更多的配對，每個區塊的上限從128增加到192，而這將使得區塊處理時間延長200ms。

“基礎操作系統”分片

每個分片有一個狀態，它映射到ExecEnvID->(state_hash,balance)。一個分片區塊被分成一組大塊，每個大塊指定一個執行環境。一個大塊的執行依靠狀態根和塊的內容作為輸入，并輸出?元組的一個列表，每個分片最多擁有一個EE_id，并且我們從該EE的余額中減去value的總數。

在分片區塊頭里，我們放置了一個“收據根”，里面包含了一個映射：shard->…](每個分片最多8個元素；并應該意識到跨分片絕大多數的EE轉移是發送到相同的EE，在這種情況下元素的數目甚至更少)。

分片i上的分片區塊必須包含一個分片j收據的默克爾分支，而這個分片j是相互分片，該分支位于另一分片的“receiptroot”。接收的值被分配給它的EE，并且msg_hash對于EE執行是可訪問的。

這就允許不同分片之中的EE可以即時進行ETH轉移，此時每個分片的成本為(32*log(64)+48)*64=15360字節。msg_hash可以被用于減少伴隨ETH轉移所傳遞的跨分片信息待驗證內容的大小，因此在一個高度活躍的系統里，15360字節數據是必不可少的。

主要益處：更簡單的費用市場

我們可以接著修改執行環境(EE)系統：每個分片都有一個狀態，該狀態包含狀態根和執行環境的余額。執行環境將能夠發送收據，向其它分片的相同EE直接發送貨幣。這個過程將使用默克爾分支處理機制來完成，每個分片的EE狀態儲存著一個其余每個分片的隨機數，用以抵御重放(replay)攻擊。EEs也可以用來直接向區塊提交者支付費用。

這提供了足夠強大的功能性，使得EEs能夠建立在這樣的基礎之上：允許用戶在分片上存幣，并將其用以交易費用開支，跨分片上進行這些幣的轉移，就如在同一分片內進行操作一樣簡便，從而消除了對中繼市場需求的緊迫性，并讓EEs承擔實施樂觀跨分片狀態的負擔。

壓縮證明

出于對效率問題的考量，我們還進行了以下的優化。如前所述，查閱slotn的證明可完整地包含在slotn+1中。但是，如果此種證明內嵌在后續的時隙中，則必須以“精簡形式”進行嵌套，僅包含信標區塊，而不包含任何交聯數據。

這樣既起到裁減數據的效用，更重要的是，通過強制“舊證明”保存相同數據，可以減少用以驗證證據所需的配對數：在大多數情況下，所有來自相同時隙的舊證明都可以經由單一配對驗證。如果鏈不分叉，那么在最壞的情況下，用以驗證舊證明的所需配對數會被限制在epoch長度的2倍。如果鏈確實分叉，則要包含所有證明的能力就得依賴于一個更高的誠實提議者比例，并且要將更早的證明也包含進去。

保證輕客戶端的參與

每天，我們隨機選擇一個由大約256個驗證者組成的委員會，這個委員會可以在每個區塊上進行簽名，其中簽名被包含的驗證者便可以在區塊n+1中獲得獎勵。這樣做的目的是允許計算能力不高的輕客戶端參與。

題外話：數據可用性根

證明一個128kB數據的可用性的操作是多余的，幾乎沒有價值。與此相反，有意義的是：要求一個區塊能夠提供該區塊接受并組合在一起的所有分片區塊數據的串聯根。然后可以根據此數據創建單個數據可用性根。請注意，創建這些根可能要花費比一個時隙更長的時間，因此，最好用于檢查一個epoch前的數據的可用性。

其他可能方案

slotn的分片區塊必須查閱slot?n-1的信標鏈區塊，而不是slot?n。此種措施將允許每個時隙并行循環發生，而不是串聯形式，從而減少時隙時間，這樣做的代價是導致跨分片通信時間從1個時隙上升到2個時隙。

如果一個區塊提議者試圖將區塊大小擴大到64KB以上(備注：目標128kB)，他需要首先生成64kB的數據，然后讓交聯委員會對其進行簽名，接著，他們可以添加一個引用第一個簽名的64kB數據，以此類推。這將鼓勵區塊創建者在每隔幾秒就可以提交他們區塊的部分完成版本，從而創建一種預先確認的機制。

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與其使用“強制嵌入”機制，我們不如尋求一個更簡單的替代方案：每個分片為其余的每個分片維護一個“傳入隨機數”和一個“傳出隨機數”，一個分片制造的收據將需要手動進行添加，并由分片接收者按順序進行處理。收據生成將受限于每個區塊每個目標分片的少數收據，以確保一個分片能夠處理所有傳入的收據，即使是所有分片同時向它分送收據。

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