以太坊协议现状：信标链

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以太坊 2.0 并不是一个新想法。 早在 2014 年，Vitalik 就已经表达了他对以太坊 2.0 的看法，“我们要么解决可扩展性和共识问题，要么我们就死”。 要知道，我们还好好地活着，V 神也在几周前解释了他的新观点：“以太坊 2.0 没有明显未解决的理论问题。”

现在已经到了所谓的“软件开发的苦干阶段”，信标链（Beacon Chain）是以太坊2.0交付计划中首先需要实现的目标。 在本文中，我们将讨论信标链的作用，为什么需要它，以及目前信标链的发展进展。

信标链简介

在介绍信标链之前，我们先来看一下王晓伟对以太坊2.0系统的系统架构图。

以太坊2.0的整体架构，来自王晓薇的PPT[1]：

该结构图还作为以太坊 2.0 开发和交付的分步路线图。 图中从上到下分别是：

为什么我们需要“信标链”？

Beacon Chain 是一个全新的权益证明 (PoS) 区块链，其作用就像支持整个以太坊 2.0 系统的脊柱。 信标链是为整个以太坊2.0系统注入活力的核心，负责指挥和协调系统中的所有参与者。

信标链的关键作用是管理自身和所有分片链的权益证明协议。 这涉及到很多方面，包括：

在深入研究信标链的这些功能之前，让我们回顾一下相关的一些行话。 信标链的思想来源于“随机信标”——比如NIST的[2]（美国国家标准技术研究院采用的随机信标）——可以给系统带来随机性，而Dfinity[3]的该项目还在区块链环境中采用了随机信标的概念。

虽然术语“信标”意味着从中心点向系统的其余部分广播，但在区块链世界中并非如此：区块链世界中的一切都是去中心化的。 每个参与节点维护自己的本地信标链以与其他节点保持同步。 虽然信标链确实进行了系统的其余部分，但这种进行是去中心化的，就好像每个音乐家都有自己内在的节奏感，而不是由指挥家决定的。

信标链功能介绍

01

管理验证器

信标链的主要任务之一是管理验证者集（validator set），即那些在合约中质押了 32 个以太坊的节点，这些节点负责运行整个以太坊 2.0 系统。 每个验证器可以有多个状态，但只有那些标记为“活跃”的节点才能参与以太坊 2.0 协议。

节点通过向工作量证明链（即当前的以太坊主链）上的合约发送保证金（32 ETH）来加入验证者集。 经过一些验证检查后，押金被锁定在合约中，合约发出一个日志条目（log entry，在 Solidity 语言中称为“事件”），由信标链的客户端发出。 结束接收。 之后，该节点加入信标链的验证者集。

一旦成为“活跃”验证者，被选中的验证者就可以通过向信标链（以及后来实现的分片链）提议区块来参与以太坊 2.0 协议。 这些验证者还加入委员会对区块进行投票。

当验证者想要退出系统并停止参与时，可以发送信号。 在一定时间后（目前默认为 97 天，但未来可能会更灵活），验证人质押的资金，加上相应的奖励，减去惩罚（如果有），将返还给验证人在分片链之一中。 在工作量证明主网中，验证者最初抵押的资金是不可能解锁的，除非整个系统出现问题，社区成员同意通过分叉将资金返还给抵押人。

以上均由信标链管理。

02

提供随机性

在区块链系统中很难真正产生高质量的随机性，但权益证明协议的一个关键要求是它必须产生分布式的、可验证的、不可预测的、（适度）无偏的随机性。 信标链负责为系统的其他方面提供这种随机性：下面提到的系统协议的某些特性取决于这种随机性。

目前生成随机数的方法是通过RANDAO结构，验证者可以提供一个“洋葱式哈希”。 RANDAO 是一种将许多参与者提供的随机数组合成单个输出数的方法。 为了防止任何一个参与者在很大程度上操纵随机性，这个问题通过一种叫做“commit-reveal”的方案来解决：当一个验证者注册到验证者集合中时，需要提供一个承诺值，该承诺值被生成通过多次散列验证者的原始数字（形成洋葱状结构）。 每当该验证者被选为区块提议者时，它需要通过提供最后显示的数字的原像来完成洋葱皮过程。 其他验证者可以检查验证者是否正确执行，因此区块提议者不能通过更改其随机数来在系统中作弊。

虽然这个方案不是完全无偏的（因为区块提议者如果不喜欢它可以选择跳过一个 nonce），但它被认为足以满足当前的 strong 协议设计。

03

区块提议者

信标链管理它自己的权益证明协议和每个分片链的权益证明协议。 在工作量证明 (PoW) 系统中，选择下一个区块的节点，即区块的矿工，是第一个解决该区块挖矿挑战的节点。 在股权证明（PoS）系统中，没有挖矿，块提议者是根据上述协议中的随机性随机选择的。

PoW 系统的另一个特点是区块时间是不规则的，尽管以太坊上的平均区块时间约为 15 秒。 相比之下，以太坊 2.0 系统每 16 秒定期出块（如果未来测试证明可行，我们希望将时间缩短到 8 秒）。 这些 16 秒的时间段称为“时隙”。

在每个epoch，被选中的信标链区块提议者将收集信标链验证者对之前区块的同意投票（证明），并将这些投票包含在验证者发布的区块中。

一旦分片链准备就绪，每个分片将在每个时隙都有自己选择的区块提议者，并且所选择的提议者将收集该分片的所有交易并将它们合并到该分片提议的区块中。 在切片委员会投票的区块中。

04

委员会

权益证明区块链的一个重要安全保障来自委员会（由验证者组成），委员会负责投票决定哪些区块构成了整条链的真实历史。 信标链依赖于计算来自其自己的委员会的选票，称为“证明”，以同意并最终确定信标链的历史。

此外，信标链将为每个分片指定一个较小的子委员会，负责在适当的时候确认分片提议者的行为是否正确。

05

奖惩

信标链的另一个治理作用是跟踪和更新验证者的存款。

验证者因表现出色和有所作为而获得奖励：这是他们参与的动力。 但是如果验证者违反了规则，他们将受到惩罚，即他们将失去他们质押（削减）的 32 ETH 的一部分，并将被从系统中移除。 验证者也会因缺席（即不对区块投票）而受到轻微惩罚，我们称之为“二次泄漏”。 这样做的原因很微妙，但它保证了当大量验证者离线时（比如发生灾难时），系统仍然可以继续处理区块。

如果验证者的抵押品少于 16 ETH，信标链会将验证者从验证者行列中移除。

06

交叉链接

最后，信标链进行交叉连接处理。 交联将整个分片系统连接在一起，将每个分片锚定到充当主干的信标链。

每个分片（“组合数据根”）的当前状态将定期记录在信标链中以实现交叉链接。 当信标链的一个区块敲定时，对应的分片区块也被认为敲定，其他分片可以依赖这个敲定的分片进行跨分片交易。

上图是具有 8 个分片链（浅绿色）和交叉链接（浅蓝色线）的信标链（蓝色）的可视化。 所有链上的最终区块都是黄色的。 时间从左到右增加。 （注：中间的是信标链，信标链周围的是分片链）

建立信标链

至此，我们即将结束对信标链的讲解。 就其本身而言，信标链可能看起来不是特别有用，它不能处理任意交易：因为它没有智能合约，也没有以太坊虚拟机 (EVM)。 你不能对信标链做任何事情。 但是以太坊年底停止挖矿，作为以太坊 2.0 首次交付的一个组成部分，信标链是整个架构的基础。 接下来出现的所有以太坊2.0结构都是建立在信标链的基础上的。 因此，信标链必须健壮可靠。

如果您想了解更多细节，可以参考正在制定中的信标链技术规范[4]。 本文档的创建和维护是公开的：任何有有用信息的人都可以加入和编辑它。 此外，“Issue”[5] 和“Pull request”[6] 中还有各种有用的讨论。 如果您只想了解亮点，我已经开始在每周公告 [7] 中纳入主要规范更新和其他新闻。

要运行信标链，您需要一个信标链客户端。 目前很多团队正在通过一些知名的标准以太坊客户端开发套件（如Geth、Parity、Pantheon等）进行开发。 其中，Prysmatic[8]和Lighthouse[9]团队会定期更新客户端开发进度，部分团队会为贡献者提供奖金。

这些是目前在信标链上工作的团队 [10]

至于进展……在撰写本文时，信标链技术规范已完成接近 60%，还有一些积压工作 [11]。 尽管如此，开发者希望在今年年底前适度完成规范，并可能在 2019 年第一季度末运行多客户端信标链测试网络。最近几周以太坊年底停止挖矿，相关开发进展迅速，真正讨论关于以太坊 2.0 拉开序幕！

文中提到的链接：

[1]:#slide=id.p4

[2]:

[3]:

[4]:

[5]:

[6]:

[7]:

[8]:

[9]:

[10]:#slide=id.g42aaa57e8d_0_25

[11]：#todo