COL:干货 | 以太坊分片：overview and finality

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在EthereumCasper101中，JonChoi对Casper做了一个很棒很清晰的综述，并解释了为什么显式最终确定性对于可扩展性大有裨益。本文旨在给出一个以太坊分片的设计概览，并阐释显式最终确定性如何有助于区块链分片。为了完全理解以太坊分片机制提案的技术规范，我强烈推荐深入研究Vitalik写的shardingdoc.区块链可扩展性问题

不断增长的交易。目前的块生成过程导致可扩展性受限。区块的gaslimit束缚了区块的计算容量。无论是提高区块的gas上限，还是大大降低区块时间，都会导致高陈腐率，并削弱网络对抗攻击的能力。并行不足。首先，现有的EVM按先后顺序依次处理交易。其次，出于安全和去中心化的考虑，每个全节点会执行每一笔交易，并存储整个的状态树。进阶阅读：并行执行交易EIP648?—?Easyparallelizability术语

首先，让我们来看一下在主链和分片链上不同层次的对象区别：

-表格1.术语-可以简单地这么认为，交易都会被装入“collation”。与区块类似，一个collation也会指向它在链上的parentcollation。成为一个“collator”，就意味着你有资格在POS分片链上提名一个新的collation。

Poolz Finance的Locked Deal合约遭到攻击，损失约50万美元:金色财经报道，据区块链安全审计公司Beosin旗下Beosin EagleEye安全风险监控显示，ETH、BSC和Polygon链上Poolz Finance的LockedDeal合约遭到了攻击，损失约50万美元。攻击者调用了LockedDeal合约中存在漏洞的函数CreateMassPools，并且在参数_StartAmount中触发了整数溢出的漏洞。攻击者除了获得了大量的poolz token以外还获得了其他代币，请相关项目提高警戒。 此前，Beosin EagleEye监控到Poolz Finance相关代币$POOLZ暴跌90%[2023/3/15 13:05:25]

-图片1.Collation基本数据结构一瞥-基本的二次分片

分片链的共识依赖于主链

与侧链类似，collation只有一小部分的证明必须记录在主链上--这也是我们如何扩展区块链的基本想法：分片链上的交易处于自己独立的空间中，分片验证人只需要验证他们所关注的分片。分片链也通过POS机制依附于主链，以获得更高层次的共识。验证人管理员合约

数据：2023年前两个月比特币ATM机减少超400台:3月1日消息，Coin ATM Radar数据显示，在2023年的前两个月，全球安装的加密货币ATM机净减412台。自2014年以来，加密ATM机的总数稳步上升。在2020年12月至2022年1月的一年中，每个月安装超过1000台加密货币和比特币ATM机。然而，熊市对其增长产生了直接影响。

2022年9月，加密ATM机总数首次出现净下降。而2023年加密ATM安装总量连续两个月下降，创下新低。（Cointelegraph）[2023/3/1 12:36:25]

为了将分片链加入到主链中，在主链上需要有一个叫做验证人管理员合约的特殊合约。VMC是这个分片机制的核心。VMC的目的可以概括如下：权益证明系统。如果验证者表现不端，其权益将会被剥削。伪随机采样。通过将当前块哈希作为种子，采样出合格的collator。基本上，验证者将它们的保证金存入VMC，然后他们的验证代码地址将会被记录在一个VMC内部的全局验证人列表。系统将会从验证人列表中采样出一个分片链的验证人，并将其指定为指定“时期”内，指定分片的验证人。这种方式使得验证者无法提前预测他们何时会成为验证者，也无法预测会成为哪个分片的验证人。Collationheader验证。VMC有一个addHeader(bytescollationHeader)函数，该函数用=来验证collationheader，并记录有效的collationheaderhash。这个函数提供了即时的链上验证。跨分片通信。利用UTXO模型，并通过在主链上进行交易和创建一个receipt，用户可以将以太存入一个指定分片。分片链上的用户可以给定receiptID创建一个消费receipt的交易，来花费该receipt。链上治理。将VMC作为议会，使得验证人可以在链上进行投票。如何在分片内提名Collation？

BAYC：Dookey Dash分数为“N/A”的用户有机会在蟾蜍模式中赢得“召唤”参与资格:2月22日消息，Bored Ape Yacht Club（BAYC）在推特上宣布，下水道将于2月22日重新开放，Sewer Pass持有者可以跳回下水道玩Dookey Dash：蟾蜍模式。用户在该模式中获得前500名或前2000名可为他们的能量源发挥独特的伙伴特征。

此前金色财经报道，BAYC表示，Dookey Dash分数非零用户可参与新篇章“召唤”，分数需提前与Sewer Pass绑定。[2023/2/22 12:21:16]

在阶段1，VMC将会维护100个分片。每个分片并行执行，分片i的客户端只需要验证分片i上的交易。“时期”被定义为一个区块时间的准备窗口，比如PERIOD_LENGTH=5意味着每个周期有5个块。这表明在每个周期内，对于每个分片只有不超过1个有效的collation。

-图片2(a).二次分片。分片状态的证明将被记录在主链VMC上。-一旦验证人被采样为合格的collator来提案一个新的collation，collator必须对最近的collation进行验证，并发送一笔交易来调用addHeader函数。注意，如果collator周期10被采样到提交一个新的collation，这意味着addHeader交易必须被包含在周期10里面，也就是说，交易必须在区块号10*PERIOD_LENGTH到区块号(10+1)*PERIOD_LENGTH-1之间.

DeFi借贷协议Euler部署至BNB Chain的提案已投票通过:2月8日消息，DeFi借贷协议Euler Finance社区已投票通过将项目部署至BNB Chain的提案。该提案由AdamBNB代表BNB Chain基金会提交，83.05%的投票者支持该提案。[2023/2/8 11:54:26]

-图片2(b).对于一个片来说，一个period只有一个collation；一个区块可以包含不同片的多个addHeader交易-collationheaderhash必须被记录在VMC上，以证明它的header全局有效。此外，分片的所有其他验证人必须时刻检测VMC以获得最新状态，然后验证交易是否也有效。分片链的分叉选择规则

在基本分片中，分叉选择规则依赖于最长主链。给定一个分片，它的有效headcollation不是简单的“最长有效分片链”的headcollation，而是“在最长有效主链里面的最长有效分片链”。Figure3(a)中有个例子，主链上有两个分叉，在下图中第二条链是最长有效主链。因为blockB3是headblock，很容易看出collationC3是headcollation。

-图片3(a)-然后Figure3(b)中blockB3'到了。假设blockB3的得分高于blockB3'，那么上面的链仍然是最长主链：

数据：近24小时全网爆仓2.48亿美元，以太坊爆仓1.15亿美元:金色财经报道，据Coinglass数据，近24小时全网爆仓2.48亿美元，其中比特币爆仓4320.01万美元，以太坊爆仓1.15亿美元。[2022/11/5 12:19:34]

-图片3(b)-最后Figure3(c)到了block4。注意到，对于这个分片，虽然collationC3的得分比collationC2更高，但是下方的链是最长有效主链，所有现在collationC2是headcollation：

-图片3(c)-更多内容：另一个设计--VladZamfir的shardedforkchoicerule

-一个精巧的设计，保证区块链可以在它们被最终化(finalized)之前原子化-可扩展性与安全性之权衡对于去中心化，可扩展性和安全性这三个属性，区块链系统最多只能三选其二。—BlockchainTrilemmainShardingFAQ出于对系统安全的保证导致了可扩展性受限3。当为了提高TPS将交易分配到各分片的同时，我们随之也减少了每笔交易的计算资源。分片的其中一个重要机制就是，如何在链上生成随机数。collator被选中的几率，应该仅与验证者的保证金相关，且成比例。如果验证人能够预测，或是任意选择他们想要参与的分片，那么不诚实的验证人既可以相互共谋，展开一个适应性攻击。如果采样不能以较高的随机性进行选择，那么攻击者很可能在分片中展开1%攻击：如果有100个分片，攻击者可以专注于攻击某一个分片，他们只需要1%的hashrate(POW)/deposit(POS)就可以控制分片.

-图片4.传统的多数攻击-

-图片5.分片上的1%攻击-分片的区块链显式最终确定性隐式最终确定性v.s.显式最终确定性

首先，我必须声明，分片机制应该同时能够应用于POW与POS的链。即使如此，显式最终确定性这个小物件也跟Casper一样，可以使得分片更加健壮。在一般的POW链中，最终确定性是概率性，隐式的。简单来说，即使区块获得了数以千次的确认，仍有可能对链进行重写。相反，将CaspertheFriendlyFinalityGadget(“FFG”)加密经济机制应用于POS，显式地在协议内强制保证对我们来说，是否是最终确定(we-can-check-if-its-finalized-for-us)。协议内显式最终确定性阈值有个经济风险：它在2/3+1和1/3+1之间创造了一个理想的卡特尔大小。相应地，任何不在2/3+1同盟节点，其最终确定性的边际贡献就将为0。主链最终确定性依赖

在基本分片中，分片链锚定与主链之上。对于分片验证人，我们希望分片，区块链容量在阶段1扩容100倍，因此这100个分片的所有验证人，都将需要监测VMC状态来获得正确有效的headcollation。对于验证人来说，重要的一点是，要尽快确信他们是否是collator。对于普通用户而言，如果我们在阶段2应用跨分片交易，普通用户也将需要在VMC上检索他们的保证金信息。显式最终确定性，将会有助于缓解主链与大量分片链之间同步的不确定性。显式最终确定性有助于无状态客户端

无状态客户端的基本原则是，它不存储整个状态树，相反，无状态客户端只存储状态树根。归档客户端存储整个状态树，并提供给定collation所需的Merkle分支。有了这些Merkle分支，无状态客户端就能够构建部分的状态树，并验证collation。一旦完成验证人采样并再混洗，就会立刻触发同步。有了无状态客户端机制，再混洗的成本低至0，因为它们只需要验证最新的collation来同步分片。

-图片6.无状态客户端模型Figure6.Statelessclientmodel-因为同步过程可能非常快，无状态客户端模型就可能在每个collation之间再混洗成。这不仅会减轻存储压力和开销，也会使系统更安全，因为频繁采样能够获得适应性攻击的抵抗能力。CasperFFG将会提供显式最终确定性阈值afterabout2.5“epochtimes”，也就是说，125个区块时间。如果在再混洗期间，验证人能够验证超过125/PERIOD_LENGTH=25collation，分片系统能够从显式最终确定性中受益，确信从现在起的前25个collation可以最终确定。当然了，如果在同步时有更多collation得到验证，就会更加安全。结束语

希望我已经对当前以太坊的分片设计概念作出了简单介绍，以及显式最终确定性如何有益于分片机制。如果想要深入了解协议设计，请访问ETHResear.ch和shardingdoc。如有任何错误，或是表述不清，欢迎指正！特别感谢VitalikButerin的杰出工作，JonChoi督促我写下这篇文章，Dr.Chang-WuChen修缮，BrianChen给予反馈以及VladZamfir的分享。

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