Eth2 Staking系列：分片共識_ETH2:ION

分片 (Sharding) 是eth2相較于eth1的諸多改進之一。“分片”是從數據庫研究中借用而來，意味著整體數據的一部分。與數據庫語境相同，在eth2中，分片意味著將整個系統的存儲和計算分割為分片，并獨立處理各分片，然后根據需求組合結果。確切來說，eth2將實現許多分片鏈，其中每個分片具有與eth1鏈相似的功能，這對于擴展性來說是巨大的提升。

然而，eth2中存在一種鮮為人知的分片類型。從協議設計的角度來看，這可能更加令人興奮——輸入分片共識。

分片共識

就像速度最慢的節點處理能力有限，整個網絡吞吐量都會受限，單個驗證者的計算資源也限制了可以參與共識的驗證者總數。由于每個新加入的驗證者都會為系統中所有其他的驗證者帶來額外的工作量，因此資源最少的驗證者將無法繼續參與（因為無法再跟蹤其他驗證者的投票） 。為此，eth2的解決方案是分片共識 (sharding consensus)。

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“拆分”式設計

在eth2中，時間被分為兩種期間，即時隙 (slots) 和時段 (epochs)。

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一個時隙 (slot) 指12秒的時間范圍，期間理想狀態下一個新區塊會被添加到鏈上。區塊是一種機制，除了打包交易，還將包含驗證者的投票。

一個時段 (epoch) 由32個時隙（6.4分鐘）組成，在此期間，信標鏈將執行維護該鏈所需的所有計算，包括證明并最終確定新區塊，以及對驗證者實施獎懲措施。

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正如在本系列第一篇文章中討論到的，驗證者會被組織成委員會 (committees) 的形式來執行工作。無論何時，每個驗證者都同時是一個信標鏈和一個分片鏈委員會的成員，并被要求每個時段 (epoch) 進行一次證明 (attestation)，其中證明是針對已經被提議了一個時隙 (slot) 的信標區塊的投票。

Eth2分片共識的安全模型是基于一個思想，即委員會或多或少是整個驗證者集的準確統計表示。

例如我們遇到這樣一種情況：集合中有33％的惡意驗證者，那么他們最終很有可能會進入同一委員會。這對于安全模型來說簡直慘不忍睹。

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因此我們需要尋求一種方法來杜絕這種情況。換句話說，我們需要確保假如33％的驗證者是惡意的，那么一個委員會里最多只能分配到大約33%的惡意驗證者。

我們可以通過以下兩種方式達到該目的：

以太坊資本公司試圖籌集500萬后上市TSX Venture Exchange 并有計劃購買ETH及足夠控制以以太坊為基礎的業務的股份:區塊鏈合資企業以太坊資本公司（Ethereum Capital Inc.）希望通過反向收購Movit Media Corp.，來籌集資金正試圖籌集5000萬美元的資金，以便在TSX Venture Exchange交易所上市。該公司希望成為以太坊生態系統的核心業務和投資中心。該公司還計劃購買ETH，以及足夠能達到控制以以太坊為基礎的業務的股份。[2018/1/30]

1. 保證委員會成員隨機分配

2. 每個委員會中要有驗證者數量最低限制

舉個例子：每個委員會有128個隨機抽樣的驗證者，1/3的惡意驗證者控制2/3委員會的可能性非常小（概率小于2 ^ -40）。

“合并”式設計

驗證者的投票即證明 (attestations)。一個證明由許多部分組成：

1.針對目前信標鏈頭的投票

2.針對哪個信標區塊應當被證明/最終確定的投票

3.針對分片鏈當前狀態的投票

4.投票同意的所有驗證者簽名

通過將盡可能多的元素聚合成一個證明 (attestation)，可以提高系統的整體效率。之所以能有這種效果，是因為節點只需要針對證明 (attestations) 進行計算就可以獲知信標鏈和每個分片鏈的狀態，而無需對信標區塊和分片區塊的投票和簽名進行獨立檢查。

如果每個驗證者都產生自己的證明 (attestation)，并且每個證明都需要由所有其他節點進行驗證，那么作為一個eth2節點的成本將會非常高。這就是聚合 (aggregation) 要解決的問題。

證明 (attestations) 在設計時就遵循了易組合的理念，如果兩個及以上驗證者都有針對相同投票的證明，那么就可以將這些證明的簽名字段添加進一個證明中，從而對這些證明進行組合。這就是證明聚合 (aggregation)。

就其結構而言，委員會內部的投票都是易聚合的，因為被分配在同一個分片中的驗證者針對該分片狀態和信標鏈的投票應該是相同的。這就是eth2擴展驗證者規模的機制。通過將驗證者分配到委員會中，驗證者只需要關注同一委員會中的其他驗證者，并且僅需驗證來自其他委員會的非常少的聚合證明 (aggregated attestations)。

簽名聚合

Eth2將使用BLS簽名，這是一種在多條橢圓曲線上定義的、聚合友好的簽名方案。在特定的曲線上，每個簽名是96字節。

如果ETH總量的10%被質押到eth2中，那么將大約有 35萬驗證者。這就意味著一個時段 (epoch) 的簽名大小將是33.6 MB，每天就是大約7.6 GB。如果按照這種趨勢，那么2018年有關eth1狀態大小達到1TB的謬論，將會在eth2實現之后的133天之內就成為現實 (且僅基于簽名而言)。

BLS簽名的妙處在于它是可以聚合的：假如Alice產生了簽名A，Bob對同一個數據進行簽名為B，那么Alice和Bob的簽名可以聚合成為簽名C (C=A+B),由此來進行存儲和檢查。通過使用簽名聚合，每個委員會只需存儲并檢查一個簽名。這樣一來，每天的存儲需求就降低至2MB以下。

結語

通過將驗證者分配到委員會中，驗證eth2所需的工作量減少了幾個數量級。

對于信標鏈和所有分片鏈的驗證節點來說，他們只需要查看每個委員會的聚合證明 (aggregated attestations) 即可。如此一來，節點既可以獲知每個分片的狀態，同時還能獲知驗證者對于哪些區塊是否被添加到鏈上的意見。

總的來說，委員會機制幫助eth2達成了兩個設計目標：即在消費級筆記本電腦上就可以參與eth2網絡，且eth2必須支持盡可能多的驗證者以實現最大程度的去中心化。

數字也許更具象，雖然大多數拜占庭容錯式的PoS協議都可以擴張至數十個驗證者 (在個別情況下，甚至可以擴展到數百個)，但 eth2能夠支撐數十萬個驗證者，并且不需要在網絡延遲和吞吐量方面折衷就能保證安全性。

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來源 | Ethereum Blog

作者 | Carl Beekhuizen

特別感謝Sacha Yves Saint-Leger和Joseph Schweitzer的審校。

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