元宇宙:科普 | Eth 2 Staking 指南：分片化的共识

作者:CarlBeekhuizen

翻译:阿剑

来源：以太坊爱好者

特别感谢SachaYves-Leger和JosephSchweitzer的指正。

Sharding是Eth2对比Eth1的许多升级之一。这个名词来源于数据库研究，就是将一个大的数据库切分为许多部分，而一个分片就是一个部分。那么放到Eth2和数据库的语境下，分片就意味着要把整个系统的存储和计算切分开来、相互独立地处理各分片，然后随实际需要组成最终结果。具体来说，Eth2系统中包含了许多分片链，而每一个条分片链的功能都与Eth1区块链相似，这就能带来大幅度的可扩展性提升。

不过，在Eth2中还有一种不那么为人所知的分片类型，而且从协议设计的角度来看，这个类型可能更为激动人心：分片化的共识。

民盟中央建议加速元宇宙科普和立法:3月4日消息，民盟中央已起草了《关于“元宇宙”技术发展的提案》，并将提交全国政协十三届五次会议。在提案中，民盟中央建议，在科普层面需加速知识传播，法律层面则需加快立法步伐。民盟中央拟提交的提案指出，目前，在新兴网络层面，相关政策法规相对缺失。“元宇宙”在未来将会带动形成全新的网络形态，当遇到突发舆情，全虚拟的环境、场景将更难进行源头追踪、问题疏导。因此建议应尽早加快立法研究，尽快形成与技术、市场发展相适应的治理模式和法律基础，全面提升我国社会治理的水平。建议组织相关部门，针对“元宇宙”相关需求、风险进行立法研究，并尽快发布。此前消息，民进中央拟向全国政协十三届五次会议提交《关于积极稳妥推进元宇宙技术和产业发展的提案》。建议推进元宇宙技术产业发展，建立相关监管治理体系。（华夏时报）[2022/3/4 13:37:12]

分片化的共识

美国说唱歌手Megan Thee Stallion与Cash App合作发布比特币科普视频:美国说唱歌手Megan Thee Stallion与由Square开发的移动支付服务Cash App合作发布了一段名为“Bitcoin for Hotties”的视频。该视频从她的角度解释了什么是比特币，为什么比特币有价值等内容。Megan Thee Stallion在Instagram上拥有超过2410万粉丝，在 Twitter上拥有640万粉丝。（Bitcoin News）[2021/8/8 1:41:10]

就像网络中最慢节点的处理能力限制了网络的吞吐量，单个验证者的计算资源也决定了能够参与共识的验证者总数量。因为每新增一个验证者，都会给系统中的所有其他验证者带来额外的工作量，那么随着验证者数量的增加，最终会达到一个状态：资源最少的那个验证者将不再能够参与共识。那么Eth2处理这个问题的方案就是?分片化的共识。

国务院：推进科普与区块链技术深度融合:为贯彻落实党中央、国务院关于科普和科学素质建设的重要部署，依据《中华人民共和国科学技术进步法》、《中华人民共和国科学技术普及法》制定《全民科学素质行动规划纲要（2021－2035年）》，其中要求实施智慧科普建设工程。推进科普与区块链等技术深度融合，强化需求感知、用户分层、情景应用理念，推动传播方式、组织动员、运营服务等创新升级，加强“科普中国”建设，强化科普信息落地应用，与智慧教育、智慧城市、智慧社区等深度融合。（新华社）[2021/7/10 0:40:52]

分析

Eth2的系统中有两种基本的时间单位，时隙和时段。

一个时隙是12秒，这是我们预期可出一个区块的时间；区块其实是一种让验证者的投票能集合发布到链上的机制，不止于包含交易让链变得有用。

人大附中物理老师李永乐科普拜占庭将军问题和区块链:5月14日，人大附中物理老师、科普视频网红李永乐在其公众号发布视频《拜占庭将军问题是什么？区块链如何防范恶意节点？》。李永乐老师在视频中对拜占庭将军问题和区块链进行了讲解，他表示，拜占庭将军问题本质上指的是，在分布式计算机网络中，如果存在故障和恶意节点，是否能够保持正常节点的网络一致性问题。在近40年的时间里，人们提出了许多方案解决这一问题，称为拜占庭容错法。例如兰波特自己提出了口头协议、书面协议法，后来有人提出了实用拜占庭容错PBFT算法，在2008年，中本聪发明比特币后，人们又设想了通过区块链的方法解决这一问题。区块链通过算力证明来保持账本的一致性，也就是必须计算数学题，才能得到记账的权力，其他人对这个记账结果进行验证，如果是对的，就认可你的结果。与拜占庭问题比起来，就增加了叛徒的成本。[2020/5/14]

一个时段由32个时隙组成，在一个时段中，信标链要执行所有跟链的维护相关的计算，包括：合理化及敲定新区块、给验证者发放奖励和惩罚。

动态 | 币安科普MimbleWimble算法:币安官方推特今日发布隐私算法Mimblewimble的科普贴，在下方留言区大量网友留言猜测是否是基于 Mimblewimble算法的隐私币Grin或者Beam即将登陆币安交易所，其中猜测Grin的呼声更高。[2019/9/2]

我们在本系列的第一篇文章中提到，验证者会被分配到不同的委员会中执行工作。那么在任一时刻，都有验证者同时既是信标链委员会成员、也是某一个分片链委员会的成员；每个验证者在一个时段中都要发出见证消息一次——为已经提出的信标链区块投票。

Eth2的分片化共识的安全模型，基于这样一个观念：让委员会在某种程度上就是整个验证者集合的准确统计学代表。

举例而言，如果整个验证者集合中有33%的验证者是恶意的，那么他们可能就会进入到同一个委员会中。那就完蛋了。

所以，我们需要确保事情不至于如此。换句话来说，我们需要保证的是，如果33%的验证者是恶意的，那么在一个委员会中只有约33%的验证者是恶意的。

我们需要两个举措来实现这一点：

保证验证者的委员会分配是随机的

组成委员会有数量下限要求

举个例子，如果单个委员会由128个随机选出的验证者组成，那么一个控制了全网1/3验证者的攻击者能够控制单个委员会的2/3验证力量的概率是非常非常小的。

综合

验证者提交的投票叫做“见证消息”。见证消息由几个部分组成：

对信标链顶端区块的投票

对合理化信标区块/确定化信标链区块的投票

对分片链最新状态的投票

所有同意该投票的验证者的签名

把尽可能多的部分都组合到一条见证消息中，系统的整体效率便得以提升，因为，在检查验证者的签名时，不再需要分别验证对信标链区块的投票和对分片链区块的投票，节点只需基于见证消息做运算，即可得知信标链区块的状态和每一条分片链的状态。

如果每一个验证者都提交了自己的见证消息，而每一条见证消息都需要被所有其它节点单独验证一次，那么Eth2的节点的开销可能会变得很大。这就是为什么我们需要“聚合技术”。

见证消息被设计成容易组合的形式，因此，如果有两个乃至更多验证者做了同样的投票，那就可以用一条见证消息把他们的投票都汇总起来，只需把签名字段放在一起即可。这就是“聚合”和含义。

委员会的投票在根本上来说也是易于聚合的，因为这些验证者都被分配到了同一个分片上，因此分片状态的投票和对信标链区块的投票很可能是相同的。这就是Eth2能随着验证者数量的增加而扩展吞吐量的机制。通过把验证者打散到委员会内，验证者将只需关心自己所在委员会的成员，也只需检查极少数从其它委员会处传来的、已经聚合过的见证消息。

签名聚合

Eth2使用了BLS签名方案——?一种在多条椭圆曲线上得到定义、对签名聚合较为友好的方案。在方案所选定的曲线上，单个签名的大小是96字节。

如果占总量10%的ETH参与了质押，则Eth2会拥有约35万个验证者。这就意味着，单个epoch产生的签名数据量大小可能会达到33.6MB，那么一天就是7.6GB。那么，只要133天，签名数据就会超过1TB。

解决方案是，BLS签名是可以聚合的。如果Alice提交了签名A，而Bob所提交的签名B是对相同数据签的名，那么只需存储C=A+B，就能验证Alice和Bob的签名。使用了签名聚合技术，整个委员会的验证者前面都可以聚合成一个签名。这样就能将签名数据的存储需求降低到每天2MB。

总结

把验证者分配到不同委员会中的设计，让验证Eth2所需付出的工作量降低了几个数量级。

对于一个想要验证信标链和所有分片链的节点来说，它要做的仅仅是监测来自每一个委员会的聚合见证消息，只需如此便可知道每条分片链的状态，以及各验证者对哪些区块属于/不属于信标链主链的看法。

因此，委员会机制帮助Eth2实现了两大设计目标：只需消费者级别的笔记本即可参与Eth2网络、支持尽可能多的验证者来实现尽可能的去中心化。

用数字来说明：大多数拜占庭容错式的权益证明协议只能支持数十位验证者，但Eth2可以支持数十万验证者同时为系统安全性作贡献，又不牺牲执行时延和吞吐量。

原文链接：https://blog.ethereum.org/2020/03/27/sharding-consensus/

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