单时隙确定：V神发布以太坊最新路线图

摘要

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1. 2021年1月25日，Vitalik发布文章介绍了以太坊发展的最新路径规划，表示以太坊将转向单时隙确定。
2. 信标链上的检查点一般是每个时段的第一个区块，一旦一个检查点被最终确定，其之前的所有区块也就得到确定，继而不可篡改了。
3. 确认时间的长短是一个效率与安全性之间的取舍。确认时间越长，可以用以检查交易安全性的时间就越多，但系统运行的效率就越低。
4. 基于Gasper共识算法的以太坊拥有超过普通使用最长链算法的区块链的安全性。
5. 在彻底转向PoS共识机制，实现分片和Verkle树优化之后，转向单时隙确认将是以太坊的下一个研发方向。

2021年1月25日，以太坊创始人Vitalik Buterin在ethereum.org上发布文章——《走向单时隙确定性》（Paths toward single-slot finality），介绍了他对于以太坊发展的最新路径规划。
在前文中，我们介绍了以太坊升级扩容的具体方案，并讲解了新以太坊所依赖的PoS共识机制，以及信标链的运作方式。在本篇文章中，我们将继续介绍信标链中区块的最终确定（Finality）问题，以及为何Vitalik认为以太坊需要升级到单时隙确定模式。


信标链的最终确定问题

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在信标链上，存在着一系列用以最终确定（Finalize）链上内容的检查点（Checkpoint）。检查点一般是每个时段（epoch）上第一个时隙（Slot）中的区块。委员会在对时隙内的区块进行投票时，还需要对相应时段的检查点进行投票。当一个时段（A）结束后，对应检查点获得了绝对多数（supermajority）支持——即超过2/3总验证者余额的支持，这一时段（A）便得到了证明（Justified）。而过这一时段（A）过后的下一时段（A+1）也得到了证明，那么我们就说时段A得到了最终确定（Finalized）。一旦一个检查点被最终确定，其之前的所有区块也就得到确定，继而不可篡改了。

从用户的角度来说，提交的一笔交易需要经过打包成区块、由提议者提议、由验证者验证区块、得到证明再到被最终确认的一系列过程。从交易提交到最终确认，需要经过64~95个时隙（平均约15分钟）。假设交易所在的时隙刚好在检查点前，确认速度最快，所需的时间是64个时隙；假设交易所在的时隙刚好在检查点后，确认速度最慢，所需的时间便是95个时隙。确认时间的长短是一个效率与安全性之间的取舍。确认时间越长，可以用以检查交易安全性的时间就越多，但系统运行的效率就越低。


委员会的三种投票

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因此，委员会总共需要进行三种投票，第一种是对最近时隙内的区块进行投票，决定出信标链的最新区块。这一投票所采用的算法是LMD GHOST（Last Message Driven: Greediest Heaviest Observed SubTree）算法，其中LMD指“最新消息驱动”，“GHOST”指“最贪婪的被观察子树”。通过这一选择分叉的算法，网络将以较为安全的方式给出与最长链规则相同的结果，得到一条“主链”或“规范链”（Canonical Chain）。

第二种投票是对时段的检查点进行投票，以证明和最终确定链上信息。这一投票使用Casper FFG算法（Casper, the Friendly Finality Gadget）。Casper和GHOST在以太坊中并称为Gasper，两者共同构成以太坊的核心共识协议。最后一种投票是用于将分片链连接到信标链的Crosslink Vote。这三种投票信息都会写入到见证信息（Attestation）之中。



以太坊的单时隙确认愿景

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根据Vitalik文中的说法，基于Gasper共识算法的以太坊拥有超过普通使用最长链算法的区块链的安全性，若要篡改已确定的区块中的信息，所需的成本在300万枚ETH以上。但是对于大多数用户来说，约15分钟的确认时间仍然太长，令人难以忍受，用户呼唤兼顾了效率与安全性的新型确认方式。其次，单时隙确认还能够减少矿工通过重排交易提取MEV的可能。另外，单时隙确认还可以降低协议的复杂性，减少系统的bug。

Vitalik提出了两种优化以太坊共识算法，以实现单时隙确认的方式。

第一，目前所有验证者都需要参与Casper FFG投票，也许可以选出一个仅包含数千名验证者的中等规模的超级委员会，并且在单个时隙中达成共识并确认。如果委员会未能完成确认，则继续通过原有的LMD GHOST规则确认出最新区块。据估计，为了构成较为安全的超级委员会，委员会规模需要达到约300万ETH或97,152名验证者。


第二种可能则是尽量让更多的证明者发挥作用，这一方案的难点在于如何在短时间内聚合大量的签名。假设需要约合400万ETH规模的质押者群体，即131,072名质押者，便有131,072个签名需要快速聚合。Vitalik认为，签名聚合服务很可能在未来两年内得到大幅优化。


结语

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在彻底转向PoS共识机制，实现分片和Verkle树优化之后，转向单时隙确认将是以太坊的下一个研发方向，其路线图时间在1年以上。感谢开发人员的努力，以太坊正在不断进化。而作为普通用户，届时我们也将享受到更安全、更便捷的去中心化服务。



作者：Gate.io 研究员 Edward.H
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