Направление развития Ethereum: как работает механизм PoS на Beacon Chain?

【TL; DR】

---

1. Представители Ethereum Foundation недавно объявили, что отказываются от терминов “Ethereum 1.0" (ETH1) и “Ethereum 2.0” (ETH2) и вместо них будут использоваться термины “executive layer" (исполнительный уровень) и "consensus layer" (уровень консенсуса) соответственно.

2. Слот, эпоха и валидатор являются ключевыми терминами в механизме PoS на Beacon Chain.

3. Если Beacon Chain (координационную цепочку) назвать сердцем обновления Ethereum, то слот и эпоха — это циклы биения сердца.

4. Из-за дизайна безопасности алгоритма Ethereum механизм консенсуса PoS считается безопасным.


25 января 2021 года Виталик Бутерин, основатель Ethereum, опубликовал статью Paths toward single-slot finality на ethereum.org, в которой представил свои последние планы по развитию Ethereum.

Понимание пути развития очень важно для понимания Ethereum, но ещё существуют некоторые концептуальные проблемы, которые необходимо решить, прежде чем читать статью Виталика. В этой статье мы расскажем о том как Ethereum будет генерировать и подтверждать блоки на beacon chain и как он будет обеспечивать свою безопасность после принятия механизма PoS.

План обновления Ethereum

---

С началом быстрого развития Ethereum масштабируемость блокчейна стала большой проблемой для всех пользователей. Как самый популярный блокчейн-проект смарт-контрактов, Ethereum имеет огромный объём транзакций, что часто приводит к перегрузке, а комиссии за обработку становятся высокими, что сильно влияет на пользовательский опыт и продвижение различных проектов. Чтобы решить проблему производительности сети Ethereum были созданы концепции Layer 2 и Ethereum 2.0.

Ethereum 2.0 — это обновлённая версия Ethereum 1.0 с фазовым кодом “Serenity”. Ethereum 1.0 использует механизм консенсуса PoW, который аналогичен механизму сети Bitcoin, в то время как Ethereum 2.0 использует механизм консенсуса PoS, который энергоэкономнее и эффективнее PoW. После обновления Ethereum сформирует структуру “beacon chain + shard chain + layer 2”. Блок beacon chain будет непосредственно содержать информацию о транзакции. Перед обновлением весь контент с цепочки PoW будет перенесён на beacon chain. Этот процесс называется “Merge” (слияние). После слияния Ethereum полностью перейдет на механизм консенсуса PoS.

Однако Ethereum 1.0 и Ethereum 2.0 — это не просто переход от предшественника до последователя, который хакеры часто неправильно понимают и которым даже пытаются воспользоваться в неправомерных целях.

По мере приближения слияния представители Ethereum Foundation недавно объявили, что отказываются от терминов “Ethereum 1.0" (ETH1) и “Ethereum 2.0” (ETH2) и вместо них будут использоваться термины “executive layer" (исполнительный уровень) и "consensus layer" (уровень консенсуса) соответственно.

На исполнительном уровне хранятся все смарт-контракты и сетевые правила Ethereum, а уровень консенсуса отвечает за обработку консенсуса PoS. После слияния две сети будут объединены в одну и в будущем станут полноценным Ethereum.


Процесс обновления Ethereum будет совершаться последовательно. В декабре 2020 года была запущена beacon chain (ранее известная как Ethereum 2.0) на основе механизма PoS, и на ней пользователи делали стекинг ETH для получения дохода. После хардфорков Berlin и London в 2021 году были внесены изменения в beacon chain и был представлен механизм уничтожения платы для временного контроля платы за газ. В 2022 году основная сеть Ethereum будет объединена с beacon chain, что и есть упомянутые выше “исполнительный уровень” и “уровень консенсуса”. Следовательно, история, статус и смарт-контракт исходной основной сети будут перенесены следом. Шардинг может произойти позже, чем слияние, что планируется на 2022 или 2023 году.

В основном это связано с активным развитием Layer 2, который снижает нагрузку на сеть Ethereum. Основная цель шардинга — дальнейшее повышение производительности Ethereum и снижение перегрузки сети. Всего будет запущено 64 шардчейна.

Для подробного объяснения обновления Ethereum можно прочитать следующие статьи:
Endgame: в поиске оптимального решения масштабирования блокчейна с Виталиком Бутериным
Станут ли Layer 2 или обновление шардинг лучшими решениями масштабируемости Ethereum в 2022 году?

Механизм PoS на Beacon Chain: слот, эпоха и валидатор

---

Слот, эпоха и валидатор, упомянутые в статье Виталика, являются ключевыми терминами в механизме PoS на beacon chain.

Beacon chain в будущем станет ядром Ethereum. Помимо предоставления proof of stake для всего Ethereum и формирования уровня консенсуса, координационная цепь также будет исполнять функцию синхронизации ссылок на шарды. Затем пользователи смогут сделать стекинг ETH в beacon chain. Нужно внести 32 ETH на депозитный контрактный счет в Ethereum 1.0, чтобы стать валидатором. Эти валидаторы являются “виртуальными майнерами”, которые имеют большое значение для Ethereum.

Если beacon chain сравнить с сердцем обновления Ethereum, то слот и эпоха — это циклы биения сердца. Каждый слот длится 12 секунд, а каждая эпоха состоит из 32 слотов (в другой версии предыдущей технической спецификации говорилось, что один слот длится 6 секунд, а 64 слота составляют эпоху). Все шарды должны быть синхронизированы со слотами и эпохами координационной цепочки. Таким образом, каждая эпоха длится примерно 6,4 минуты.


В Ethereum 1.0, который в настоящее время использует механизм PoW, система генерирует блок каждые 15 секунд. В будущем обновленном Ethereum временной интервал между каждым блоком неизвестен, однако в рамках механизма PoS, beacon chain для каждого слота будет случайным образом выбирать узел из валидаторов, который станет инициатором блока. В шардчейне каждый слот также будет генерировать инициатора блока.


Кроме того, в каждую эпоху beacon chain будет равномерно распределять валидаторов по каждому слоту, а затем случайным образом выбирать массив нодов (не менее 128 в каждой группе) из валидаторов каждого слота, создавая комитеты валидации (Committee). Ноды комитета будут нести ответственность за аттестацию блоков, сгенерированных beacon chain и шардчейном. Валидация блоков beacon chain и сети шардов проводится путём голосования. Если комитет придет к консенсусу по поводу валидности блока, блок будет подтвержден в цепочке, узел будет успешно выведен в этот слот, данные голосования сертификатора будут записаны в цепочку, а валидатор будет вознагражден.

Наоборот, если консенсус не будет достигнут, то слот будет пуст, как и в случае, если инициатор блока находится оффлайн. Из-за наличия пустых слотов, сгенерированный блоком слот не фиксируется. Через целую эпоху (т.е. 32 слота или примерно 6,4 минуты) система повторно выберет ноды из валидаторов, снова организует и сформирует комитет по валидации. После того, как шардинги будут официально запущены, у каждого шардинга также будет свой собственный инициатор блока и комитет по валидации в каждом слоте и эпохе. После завершения проверки участникам шардов также необходимо подключить главную сеть к beacon chain. Этот процесс называется crosslinking.

В текущем механизме консенсуса PoW каждый узел должен проверять и выполнять каждую транзакцию в сети, что приводит к огромным накладным расходам. Условно говоря, механизм консенсуса PoS работает быстрее и потребляет меньше энергии. Кроме того, благодаря конструкции безопасности алгоритма Ethereum PoS этот механизм консенсуса очень безопасен. Теоретически, пока какой-либо валидатор владеет менее 1/3 доли всех валидаторов, он может гарантировать, что количество потенциальных хакеров в каждом комитете будет меньше 1/3, и систему нельзя будет взломать.

Что касается количества нодов, поскольку для обеспечения безопасности каждому комитету требуется 128 узлов, общее количество нодов должно достигать 128 * 32 = 4096 для обеспечения наивысшего уровня безопасности. Когда общее количество узлов превышает 4096 * 2 = 8192, каждый слот может быть передан двум или более комитетам для проверки.

Вывод

---

Обновление Ethereum станет историческим событием в криптомире. В следующей статье мы продолжим обсуждение направления развития Ethereum, опубликованного Виталиком.



Автор: исследователь Gate.io Edward H.
*Эта статья содержит только точку зрения исследователей и не является руководством по инвестированию.
*Все права на текст данной статьи принадлежат Gate.io. Репост данной статьи будет разрешен в случае указания Gate.io как источник. В противном случае будет преследоваться юридическая ответственность в связи с нарушением авторских прав.