POC:以太坊2.0：如何实现最终性？

作者|Bruno?kvorc

编译|Summer

前言

如果你在了解有关以太坊2.0的过程中遇到过justification(证明)和fnalization(最终性)这两个术语，但却不知道它们是什么意思，希望本文能给你一些启示。

首先，我们试着来理解什么是finality(最终性)。

你一定已经注意到，加密货币平台和Dapps(去中心化应用)通常都会等待几个区块被敲定之后才会将你的交易视为“confirmed(已确认)”状态。这是一种确保某笔交易已经是“近乎”确定的，或者说该笔交易“几乎”是不可逆转的方式，也就是说，这笔交易已经被“finalized(敲定了)”。

以太坊2.0能够提供finality(最终性)的保证，这是以太坊区块链奉为神圣的客观事实，而不是一种“近乎”的状态。这是非常重要的，因为这能够带来更快的链上通信，即如果某个区块刚刚被敲定了，那该区块将无需等待多次确认。

也就是说，基于工作量证明的区块链(比如比特币)从未包含让交易真正实现最终性的特性；而以太坊2.0链旨在提供比工作量证明更强大的最终性保证。

以太坊L2网络总锁仓量为66.4亿美元:金色财经报道，L2BEAT数据显示，截至4月12日，以太坊Layer2上总锁仓量为66.4亿美元，7天的跌幅为10.27%。其中锁仓量最高的为扩容方案Arbitrum，约37.3亿美元，占比56.29%；其次是dYdX，锁仓量为9.81亿美元，占比14.79%；第三为Optimism，锁仓量为5.88亿美元，占比8.86%[2022/4/12 14:20:29]

我们来更加具体地加以说明。首先来看几个定义：

LMDGHOST是以太坊2.0使用的分叉选择规则(即用于决定哪条链是“权威链”的规则)，全称是“LastMessageDrivenGreediestHeaviestObservedSubTree(由最新消息驱动的GHOST)”

CasperFFG是以太坊2.0使用的权益证明(PoS)机制，全称是“CaspertheFriendlyFinalityGadget(Casper友好的最终性小工具)”

在以太坊2.0链中，每生成64个区块(大约需要6.4分钟)称为一个epoch；

在以太坊2.0系统中，slot是生成一个新区块所需的时间，即一个新区块被提议及证明其正确性所需的时间。每个slot被设定为6秒，但不是每个Slot期间都会产生新的区块。每个epoch期间的最后一个slot被称为checkpoint(检查点)。

以太坊多客户端测试网络Medalla将于8月4日13点启动:以太坊官网发文称，下一个多客户端测试网Medalla将于8月4日晚间21点启动，届时将需要16384个验证器并存入524288枚ETH。如果8月2日21点存款数未达到最低限度（16384），则测试网推迟启动。至少将有四个客户端参与运行：lighthouse、nimbus、prysm以及teku。

除此之外，本周引入三个攻击网络lighthouse-attack-0，prysm-attack-0，and teku-attack-0），每个网络攻击成功将获得5000美元的奖金。

目前以太坊的愿景是将当前链作为分片整合到新的eth2共识中，下一步是将这两个部分连接在一起，进行端到端eth1+eth2模拟。研发人员Mikhail和Guillaume做了很好的工作。这需要对eth1和eth2的客户端进行系统整合，Mikhail讨论了更具体的整合范围，Guillaume讨论了基于eth1引擎Catalyst的geth架构。[2020/7/23]

Committee(委员会)是由信标链在每个slot期间随机选择的验证者集合(每个委员会的目标验证者数量是128名)，每个委员会中第一名被随机选择的验证者将有机会在该slot期间提议新区块，该委员会的其他验证者将对这个被提议的区块进行证明(attest)。

Bitfinex首席技术官：以太坊2.0很可能会被黑客重点关注:Bitfinex首席技术官Paolo Ardoino在谈及ETH 2.0升级时表示：“以太坊2.0区块链很可能会被黑客重点关注。重要的是，用户需要保持谨慎，只有当他们对以太坊2.0区块链的安全性感到满意时，他们才会将资金从以太坊1.0转移到以太坊2.0。”（Cointelegraph）[2020/6/21]

基于上面这些信息，我们继续探讨Justification(证明)和Finalization(最终性)。

CasperFFG

Casper是一种用于证明和敲定区块(不管是一般的区块链平台还是以太坊2.0链中的epoch期间产生的区块)的方式。Casper是一种通用的“小工具”，可以添加到任何需要实现最终性的区块链中，但Casper在PoS区块链中最为有用。

以太坊2.0中的最终性是这样一种概念，即系统确定将不会存在两个相互竞争的、敲定的检查点(checkpoints)，而当这种情况发生时，至少三分之一的活跃验证者将被被罚没(slashing)。我们称之为经济最终性(economicfinality)。

观点：拥有逾32枚ETH的以太坊钱包大多属于个人:据此前报道，根据Arcane Research发布数据，2020年拥有超过32枚ETH的以太坊钱包数量稳步增长，目前有近12万个地址有资格成为验证者，以利用抵押功能。实际上，自去年年初以来，这一数字已飙升13％。

对此，Nansen联合创始人、数据科学家Alex Svanevik表示，符合“32 ETH俱乐部”资格的以太坊地址大部分属于个人，而不是加密货币交易所，后者只占不到1000个钱包。然而，在最富有的钱包中，交易所仍然占据ETH总量的很大一部分。“具体来说，在‘32 ETH俱乐部’地址持有的1.05亿ETH中，至少3200万ETH由交易所钱包持有，换句话说就是大于30%。”（Cryptoglobe）[2020/6/12]

你也许想问，为何是三分之一的验证者将被罚没？我们知道，在以太坊2.0系统中，必须保证有三分之二的验证者是诚实验证者来参与验证(也即进行投票)，因此如果系统出现两个相互竞争的、敲定的检查点，则意味着有三分之二的验证者对其中一个检查点进行投票，同时也有三分之二的验证者对另一个检查点见投票，也就是说，至少有三分之一的验证者对这两个检查点都进行了投票，这部分验证者就会被系统认为是恶意验证者，因此会受到罚没惩罚。

英国区块链初创公司推出首个用以太坊计价的债券:英国区块链初创公司推出了首个专门用以太坊计价的债券。奢侈品零售初创公司LuxDeco发行债券，并希望为公司提供短期季节性需求筹集资金的方法。其创始人兼首席执行官表示：如果加密货币成为了一个有效的融资及交易选择，会考虑未来增发债券。[2017/11/23]

对于验证者来说，最大的利益来源于正确地对信标状态进行敲定，而不是进行不当的恶意操作。

那么“敲定的检查点”中的“敲定”是什么意思呢？在对此进行解释之前，我们需要解释一下什么是“justification(证明)”。

证明就是验证者通过对检查点进行投票，从而决定哪个检查点才是信标链的顶端区块。如果三分之二的验证者(也即绝大多数验证者)对两个连续的epoch达成共识，这样这两个连续的epoch被证明了(justified)，前一个epoch就被认为是敲定了(finalized)。

注意：上述定义在很大程度上进行简化了，目的是为了方便理解。一些其他的因素也会参与其中，但这超出了本文的范围。因此，一个“敲定了的”epoch实际上就是一个已经被“证明了的”epoch，但其中存在一个关键的区别——当某件事被“证明了”，你仍然可以把时间倒流回去重新证明；但当你“敲定了”某件事，那重写历史就变得非常困难。

也就是说，某件事“敲定了”就一定意味着这件事已经被“证明了”，而某件事被“证明了”不一定意味着这件事已经“敲定了”。

应该注意的是，当验证者对epoch进行证明或敲定时，并不是说验证者正在对epoch本身进行投票，而应该说验证者正在对epoch期间的“内容”进行投票/验证，这个“内容”就是每个epoch期间的最后一个slot(即检查点)的状态根(stateroot)。

因此，验证者是通过投票的方式来对epoch进行证明/敲定，这就是验证者对以太坊区块链的最新已知有效状态进行投票的方式。

LMDGHOST

这就是分叉选择规则发挥作用的地方。

GHOST实际上是一种在PoW(工作量证明)和其他区块链平台非常受欢迎的协议。GHOST协议遵循“最重的”子树(the“heaviest”subtree)，也就是最长的那条链。

在比特币区块链中，“最重的”分支就是那条在其区块中投入了最多算力的链，这条链也就是最长的链。显然最长的链就是我们所说的“权威链(canonicalchain)”，但这条链依旧有可能切换为另一条分叉链(虽然可能性很小)，因此最长链的最终性是概率性的。

LMD让“消息(messages)”发挥了作用，即以太坊2.0链上的最终性是“由最新消息驱动的”。消息就是证明(attestation)，所有这一切归结起来就是，拥有最多投票的分叉链将被认为是“权威链”。

上图中体现了由最新消息驱动的分叉选择规则：绿色区块表示经由LMDGHOST分叉选择规则证明了的区块，笑脸符号表示最新的验证者证明(attestations)，某个区块中的证明总量(笑脸总数)就是该区块的权重，用区块中的数字表示。

在上图中，尽管位于上方的那条分叉链是最长的链，但下方的那条由绿色区块组成的链才是“权威链”，因为绿色区块包含了最多的证明，也就是拥有最多的验证者投票。

Gasper

在以太坊2.0链中，Casper和LMDGHOST一起就构成了驱动以太坊2.0系统的共识协议。

让我们看看这张来自以太坊研究者JustinDrake在EthCC会议上演讲有关Eth2.0时使用的幻灯片。

幻灯片1

上图中，两个虚线框展现了在分叉选择中的非法情况。上方靠左的虚线框展现的是，如果在同一时间投票给两个不同的状态根，那就是非法的投票，也就是说，你不可以在同一时间投票给两个包含不同内容(状态根)的epoch。

上方靠右的虚线框展现的是，你不可以跳过某些epoch而对之后的epoch进行投票，换句话说，你在投票给当前的候选epoch之前，不可以投片给将来的epoch。

上图的下方部分展现的是两条被敲定了的分叉链。第一个和第二个以红色圆点表示的epoch是已经被敲定了的“权威链”，因为这两个epoch之后紧跟了第三个和第四个(以红色圆点表示的)epoch。但是，第三个和第四个epoch在两条平行的分叉链中都存在，那这两条分叉链哪条才是属于“权威链”呢？

我们看第二张幻灯片。

幻灯片2

根据上文所述，在同一时间投票给两个包含不同内容的epoch是非法的。在幻灯片2中的下半部分包含两条分叉链的情况下，上面的分叉链中的两个epoch(红色圆点)已经被敲定了(finalized)，因此似乎上面的这条分叉链是有效的；但位于下面的那条分叉链也包含了两个已经被敲定的epoch，但这两个epoch被敲定的时间更晚一些！

幻灯片3

这就意味着位于下面的分叉链是无效的分叉，因为如果跟随下方那两个被敲定的epoch继续进行投票，这将意味着一个最新被投票的epoch将跟随一个来自于另一条分叉链的epoch。这是非法的，因为敲定的检查点是必须按时间顺序排列的。如果发生了这种情况，那大量的验证者将受到很严重的惩罚，因为大多数的验证者把票投给了一条“非法链”上的epoch。因此，这些验证者必须被惩罚。

就是这样了！如果你是验证者，请确保每个slot期间只投一次票，并且确保你投的是也是其他人正在投的。要避免被罚没！(别担心，这些都将内置到你使用的以太坊2.0客户端中)

希望本文能让你更加清楚地了解justification和finalization。如果你还有不清楚的对方，请告知我(推特@bitfalls)！非常感谢DustinBrody、MamyRatsimbazafy、JustinDrake以及DannyRyan对撰写本文的帮助！

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