TTE:以太坊：Safe Head 机制介绍（二）

作者：NicLin，imTokenLabs资深区块链工程师

本文受众：区块链开发者

上一篇介绍了SafeHead机制，这一篇将介绍imToken尝试实践的SafeHead版本以及除了SafeHead之外能做的事，最后会介绍CasperFFG以及该怎么使用Checkpoint和SafeHead。

上一篇最后有提到SafeHead算法还没落地，虽然目前PoS运作都正常，但我们在imToken仍尝试设计出自己的SafeHead版本，希望在过渡期能获得比BlockConfirmationRule更可靠的区块参考，让使用者的体验比较不会受到网络波动所影响。

过渡期及SafeHead之外能做的事

imToken在尝试自己的SafeHead版本

目前的版本是由BlockConfirmationRule加上得票率的筛选，例如未来三个区块得票率都大于90%，或是未来四个区块得票率都大于70%。如此虽然比单纯BlockConfirmationRule还可靠，但只单纯看未来X个区块存在无法反映实时投票率变化的缺点。未来还需要更多的迭代和改进。

那除了SafeHead，还有什么是现在我们能做的呢？

监控区块及epoch投票率

PoS的优点之一是我们能透过观察投票状况来提前察觉网络是否有问题、攻击是否正在发生等等，能够有一个监控系统来监测可以让我们提前做出反应，不管是送出警报、拉高SafeHead门槛，或是将SafeHead设回一个更保守的区块。

Curve 在以太坊上的日交易量逾 10 亿美元:金色财经消息，Curve 在以太坊上的日交易量超过 10 亿美元，收取的费用约为 40 万美元，约等于当日的比特币网络费用收入。[2022/6/20 4:39:51]

而这些都只需要算出区块投票率即可，也就是第一篇提到的步骤

查询新的区块并记录区块，包含分叉链的区块也要能查询得到获取区块里的Attestation并记录Attestation针对每个区块，搜寻所有Attestation.beaconBlockRoot==Block.blockRoot的Attestation，去掉重复的Validator得出该区块得票数算出每一个slot的总Validator数量，除上得票数，算出得票率注：计算epoch投票率会在第三步和区块投票率不太一样，在后面会再补充解释。

其中第二步、第三步及第四步在实践上有一些需要注意的地方：

第二步：获取区块里的Attestation

同一个slot且同一个committee的Validator所产生的Attestation不会总是被完美合并成一个，所以会常常出现同一个slot同一个committee的Validator的Attestation在不同区块被收录。如果你透过beaconcha.in来查询一个区块的话，你会看到投给它的Attestation分散在不同区块，以区块4835000为例，你可以看到虽然大多数的committee的Attestation都在下一个slot4835001被收录，但仍有些投票是在后面的slot才被收录：

以太坊L2网络总锁仓量为56.3亿美元:金色财经报道，据L2BEAT最新数据显示，以太坊Layer2（L2）上总锁仓量为56.3亿美元。其中锁仓量最高的为扩容方案Arbitrum，锁仓量27.9亿美元，占比49.69%。其次是dYdX，锁仓量9.69亿美元，占比17.21%。[2022/3/15 13:57:53]

?Committee10其中一个Validator的Attestation在slot4835010才被收录

所以在资料库里要唯一识别「同一个slot且同一个committee的Validator所产生的Attestation」会有点麻烦，要不(1)遇到同样的Attestation但在不同区块收录时，将Validator合并起来，但如此就没办法呈现像上图那样的资讯，也分辨不出合并过哪些Attestation；要不(2)用Attestation被收录的区块号码及Attestation被收录的排序来识别Attestation，如此就能分得出同样的Attestation在不同区块被收录的情况。

区块4835000收录的65个Attestation中的第一个Attestation

第三步：AggregationBits

每个Attestation会有一项叫做AggregationBits，这是一个bit阵列，用来记录这个Attestation是由committee中的哪几个Validator的Attestation所合并而来。

以太坊L2网络总锁仓量为57.4亿美元:金色财经报道，L2BEAT数据显示，截至1月14日，以太坊Layer2上总锁仓量为57.4亿美元。其中锁仓量最高的为扩容方案Arbitrum，约28亿美元，占比48.75%；其次是dYdX，锁仓量为9.71亿美元，占比16.9%；第三为Loopring，锁仓量为4.49亿美元，占比7.83%[2022/1/14 8:47:58]

以slot4823390的区块里所含的第一个Attestation为例，其CommitteeIndex为42，代表这个Attestation是由committee42的Validator的Attestation所合并而成。另外其AggregationBits为214个bits，其中只有4个bit是1，代表这个Attestation是由committee42一共214个Validator中第28、第58、第84及第147位Validator的Attestation所合并而成。

这四位Validator的编号分别是218385、32675、220759及323143

另外需要注意的是你从节点要回来的Attestation，里面的AggregationBits会是经过SSZ编码过后的值，不是你在上图中看到的格式，所以需要自己先用SSZ解码。以下是解码上面这个Attestation的AggregationBits的范例：

import{BitArray,BitListType}from"//DeserializebytearraytobitlistwithSSZlibraryconstCommitteeBits=newBitListType(byteArraySize*8)constaggregationBitList=??????CommitteeBits.deserialize(byteArray)????????.toBoolArray()????????.map((v)=>(v?1:0))

声音 | 以太坊研究者Justin Drake：预计最早于2019年底推出信标链:1月24日，在AMA活动中，有人询问推出PoS的最新时间表。以太坊研究者Justin Drake回答称，预计信标链（核心PoS链）将在2019年底推出。理想情况下，规范应该会在第一季度接近完成，第二季度会推出跨客户端测试网，第三季度则是安全审计，第四季度则是主网发布。 根据经验，12月份的发布会因为假期而难以实现。所以2019年11月和2020年1月份是我认为最可能的发生时间。[2019/1/26]

第四步：算出Slot的Validator数量

实际上要获取每一个slot确切的Validator数量会需要用eth/v1/beacon/states/{slot}/committees这个API，回传的资料会包含该slot每一个committee所有的Validator的编号，加总所有committee的Validator数量就能得到该slot确切的Validator数量。但如果不要求精准的话其实也可以直接将当前Validator总数除以32个slot。

计算epoch投票率

前面有提到epoch投票率和区块投票率在计算上不太一样。计算区块得票率时，要找的是投给该区块的Attestation，也就是Attestation.beaconBlockRoot==Block.blockRoot，但epoch的投票目标则会是epoch第一个区块的blockRoot。

行情 | 目前以太坊网络较为拥堵:据公开数据显示，以太坊当前未确认交易笔数为60653，此前曾下降至4万笔左右，目前以太坊网络较为拥堵。[2018/8/28]

计算epoch得票数：搜寻所有Attestation.epochTargetRoot==getEpochFirstBlock(epoch).blockRoot的Attestation，去掉重复的Validator得出该epoch得票数。

epoch总投票数则是加总该epoch每个slot的Validator数量，再除上得票数即能得到epoch得票率。

注：如果epoch第一个slot是空区块，则往前从过去的slot中找到最近一个非空区块。

Epoch10第一个区块是空区块，则投给epoch10的票要填入epoch9最后一个区块

第一篇及以上部分算是介绍完了SafeHead的机制，最后这边再搭配CasperFFG的介绍，让DApp开发者或使用者能知道如何来利用这两个工具。

CasperFFG

CasperFFG是以epoch为单位的共识机制，一个epoch要先获得超过2/3Validator投票成为JustifiedCheckpoint，接着再获得一次超过2/3投票才会变成FinalizedCheckpoint。

JustifiedCheckpoint

一个epoch要变成Justified最快要经过一轮的投票，也就是一个epoch，6.4分钟。但变成Justified后还不代表是真的安全的，攻击者还是能让两条分叉链上的epoch轮流变成Justified，导致一直没有新的epoch能变成Finalized。虽然新的区块还是会一直被propose出来，但从CasperFFG的角度来看，共识机制基本上停摆了，即共识机制的liveness被破坏。

不过要能攻击成功需要攻击者占有一定的Validator数量，以及网络要出现问题导致Validator的投票无法实时传递到网络的另一端。

更多介绍可以参考BouncingAttack。

FinalizedCheckpoint

一个epoch要变成Finalized最快要经过两轮的投票，也就是两个epoch，12.8分钟。虽然比较久但是安全非常非常多，攻击者要能成功让两条分叉链上的epoch被Finalized不只需要攻击者占有超过1/3的Validator，以及网络出现问题，攻击者在事后更会被slash至少1/3的Validator，1/3Validator抵押的Ether目前约等价于72亿美元。这样的攻击破坏的是共识机制的安全性。

要怎么使用Checkpoints及SafeHead？

用Checkpoint来当作Finality

在PoW里，每个DApp都只能自己主观预估一个BlockConfirmationNumber来确保Finality，但在PoS里，协议本身就提供一个客观的Finality，虽然等待的时间可能比BlockConfirmationRule还久，但安全性会远胜于BlockConfirmationRule。

当你在查询某个链上状态时，你可以透过指定BlockTag为finalized，节点就会回传给你FinalizedCheckpoint那当下的状态：

awaitprovider.getBalance("vitalik.eth","finalized")

用SafeHead呈现即时资讯

DApp需要Finality的话可以使用Checkpoint，那在平时前端显示画面给使用者时，数据要参考什么时间点的呢？总不可能显示久久才更新一次的Checkpoint时间点的信息吧？

在PoW中DApp都是拉latest区块的资讯来显示，也就是节点看到的最新区块。但PoS中latest区块不再那么可靠，这时就可以用safe区块的信息来显示，虽然会延迟四秒，但是比latest区块可靠许多。

参考资料

BalancingAttack:LMDEdition-Consensus-EthereumResearchAnalysisofbouncingattackonFFG-Proof-of-Stake-EthereumResearchUpgradingEthereum|OnePageAnnotatedSpecEthBeaconNodeAPIv2.3.0-Eth2Specv1.1.0OAS3https://beaconcha.in@chainsafe/ssz-npm特别感谢Chih-ChengLiang，Chang-WuChen，StevenWu和doublespending校对本文并提供改进建议。

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