以太坊：Safe Head 機制介紹（二）_STA:Herbalist Token

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。

ConsenSys：以太坊從PoW轉變為PoS共識，將減少99.9%碳足跡:11月10日消息，ConsenSys在發布的博文《2021年10月Staking狀態》中指出，以太坊共識機制從PoW轉變為PoS將使得區塊產出碳足跡減少99.9%。[2021/11/10 21:41:06]

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：

數據：比特幣和以太坊的鏈上活動仍然相對低迷:Glassnode發推表示，隨著以美元計價的轉賬量降至2020年12月至1月的水平，比特幣和以太坊的鏈上活動仍然相對低迷。當前，比特幣的轉賬結算量約為2.36億美元/天；以太坊的轉賬結算量約為1.6億美元/天。[2021/7/7 0:33:13]

?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。

數據：以太坊盈利地址數量續刷新高:Glassnode數據顯示，盈利的ETH地址數量每天都在刷新歷史高點。今天早些時候，最高紀錄為26,461,041.375，不過，這一紀錄很快被另一個新高26,537,344.958進一步打破。這進一步表明，虧損的ETH地址總數為17340 657.250，為4個月來的最低水平。（CoinGape）[2020/7/23]

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))

分析 | 以太坊主流交易所交易量有明顯下滑 基本面方面相對穩定:據TokenGazer數據分析顯示，截止至8月2日11時，以太坊價格為$217.04，總市值為$23,255M，主流交易所交易量約為$116.68M，環比昨日下降了25.05%；以太坊對比特幣匯率稍有下滑；基本面方面，以太坊鏈上交易量有所回升，活躍地址數有所抬頭，算力繼續下行，鏈上DApp交易量保持穩定；以太坊30天開發者指數約為2.32，與BTC的關聯度保持穩定；以太坊30天ROI有所回升；ERC20代幣總市值約為以太坊總市值的66.89%，有一定回升。[2019/8/2]

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

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。

分析 | 以太坊新交易區塊的添加速度又開始回升:上周，以太坊君士坦丁堡和圣彼得堡成功實施硬分叉。現在，新交易區塊被添加到以太坊區塊鏈上的速度又回升了。根據區塊鏈分析網站Etherscan透露，就在以太坊主網接受升級之后的24小時內，日均新增區塊數量已經超過了1500個。以太坊區塊數量激增的主要原因是因為上周四以太坊改進方案1234被激活，該方案設計的目的其實就是為了禁用“難度炸彈“軟件中的一段代碼，而且有效期長達12個月。但是現在，以太坊難度炸彈已經被推遲了，而且炸彈效果似乎也被快速逆轉。根據Etherscan在硬分叉激活后一天的分析報告顯示，以太坊區塊創建的時間已經從19秒減少到了14秒。以太坊區塊鏈分析平臺Alethio發布的報告顯示，從硬分叉激活到現在，并沒發現交易量和智能合約消息調用數量出現大幅波動。[2019/3/9]

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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