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    以太坊的权益证明机制之路

    研究者和客户端开发团队成功启动了可以并行共识客户端和执行客户端的权益证明机制(PoS)测试网。


    JB

    James Beck       2021-06-10

    来源 | consensys.net


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    在2021年末或最迟2022年初,以太坊就将转变为权益证明机制来运行。这次升级将从根本上改变以太坊网络现有的每12秒出块的工作量证明共识机制。

    • 能源利用效率提升99.5%:根据以太坊基金会Carl Beekhuizen的预估,转变为权益证明机制之后,维系以太坊网络的安全将不再像如今这样几乎要消耗掉堪比一个国家的用电量。
    • 更多的验证者,更加去中心化:权益证明机制将降低普罗大众通过权益质押来维系网络安全的技术门槛。
    • 更加安全:在权益证明机制下,破坏网络的成本将更加昂贵,人们可以根据验证者地址有效识别试图发起51%攻击的攻击者,并在发生攻击时通过网络分叉将其消除。

    一个以太坊,两类客户端

    长期以来,权益证明机制都是以太坊蓝图的一部分,而近期的网络全面升级阶段则被称之为以太坊2.0。读者或许已经注意到,很多客户端开发者和其他的研究开发人员都在避免使用Eth2这一术语,以防止遭成误解。需要强调的是,在转变为权益证明机制之后,Ethereum 1也并不会被弃用。就像Danny Ryan在1月份指出的那样,Eth1和Eth2这两个术语“实际上指代的是在技术层面不同的layer”。以权益证明机制来运行的以太坊仍然是以太坊。在转换为权益证明机制之后,用户持有的ETH不会发生任何变化。

    另一点需要强调的是,目前所有依赖于以太坊的应用程序和协议都不会因为共识机制升级为权益证明机制而受到影响。在目前的工作量证明机制之下,诸如Go-Ethereum (Geth), Hyperledger Besu, and OpenEthereum等客户端提供交易数据,这些数据将被矿工打包入区块之中。之后,这些客户端仍将为那些基于以太坊的应用程序提供支持。读者或许已了解到,目前有许多Eth2客户端已经在运行权益证明机制的信标链,其中质押了近500万个ETH。当以太坊通过“合并”转换为权益证明机制之后,这两类客户端将如何融合呢?

    infographic

    在通过“合并”转换为权益证明机制之后,以太坊将同时运行共识客户端和执行客户端;当然,这两类客户端也可能在未来融合。
    • 执行客户端(Eth1客户端)。这类客户端负责交易打包、执行和状态管理。如现有的以太坊客户端,如Geth, OpenEthereum, Hyperledger Besu,和Nethermind。
    • 共识客户端(Eth2客户端)。这类客户端负责区块验证,也就是人们所熟知的信标链客户端。信标链已经顺利运行了超过六个月,有共计155663个验证者将4981046个ETH质押在其中。eth2客户端团队有Teku, Lighthouse, Nimbus, 和Prysm。

    读者可以点此了解更多有关该术语的信息。笔者想表达的重点在于,在以太坊网络上,无论是交易还是应用都将一如往常,并且同样由我们如今运行的这些客户端软件来支持。区别在于,执行数据将由权益证明共识层验证,而不是通过如今的工作量证明机制。


    Rayonism:“合并”后的以太坊权益证明机制测试网

    以太坊基金会和 ConsenSys 的研究人员和诸如Teku 和 Besu 等客户端团队,以及许多其他开发人员在过去六个月中一直在探讨如何以及何时进行以太坊“合并”以开启权益证明机制,以及合并之后的混合客户端(composite client)将以何种形态呈现。

    ETH全球扩容黑客松大赛已于近期结束,其中最引人注目的是 Rayonism 项目,该项目专注于搭建一个测试网来模拟“合并”后的以权益证明机制运行的网络。大赛还聚焦聚于以下关键问题:开发者能否成功地让共识客户端与执行客户端无缝交互?智能合约将如何在这种新环境中发挥作用?在为期四个星期的黑客松中,开发者成功搭建了两个“测试网”:运行了一天的 Steklo 和运行了一周的 Nocturne。

    笔者与负责“合并”工作的 ConsenSys 研究员 Mikhail Kalinin 以及 Hyperledger Besu 的高级产品经理 Sajida Zouarhi 进行了交谈,希望获取更多的有关即将到来的以太坊“合并”的信息,以及这对客户端团队究竟意味着什么。

    ————————————————————————————

    James Beck (JB):Rayonism 项目雄心勃勃,既要搭建可以并行执行客户端和共识客户端的权益证明机制测试网,又要尝试分片功能。 您如何评估项目的进展情况呢?

    Mikhail Kalinin (MK):一开始,我们的目标是研究分片功能以及“合并”。 但是在研究开始之后,Rayonism项目很快变为以“合并”为中心。 这非常棒! 我们计划对“合并”展开深入研究,除了研究共识客户端和执行客户端之间的交互外,还要研究过渡阶段。Rayonism项目涉及到 7 个客户端团队,他们都明白以太坊“合并”的重要性。

    Sajida Zouarhi (SZ):第一批测试结果很快就出来了,这真是鼓舞人心。 它表明以太坊社区能够围绕着“合并”目标快速团结起来。我们没想到所有客户端团队都能如此深入地参与其中,这本身就是一个很好的结果。 每个客户端团队都能够参与一次原型测试,因此我们能够测试所有执行客户端和共识客户端的组合。当开发人员能够优先考虑一个共同的目标时,自然而然就能取得好结果。 (共识客户端和执行客户端之间的各种组合。)

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    JB:第一个测试网的收效如何?为什么只持续了一天? MK:第一个测试网的目的是测试我们的脚本、协调性、确定性(finality)以及客户之间达成共识的各种问题。并不是每个人都有参与测试网启动的经验。我们本就没有计划让测试网持续运行超过一天。这也是为了确保将来我们有足够的准备来启动运行时间更长的测试网。最终结果是我们实现了目标,但由于一些客户端的问题,测试网并没有实现确定性(finality)。

    SZ:测试分为许多阶段测试阶段;开发者将从一个运行时间较短的 devnet (开发者测试网)开始,然后转向一个运行时间更长的、具有更多参数和测试场景的devnet。

    JB:你能告诉我更多有关 Nocturne 测试网的信息吗? 它还在运行吗?

    MK:Nocturne持续运行了一个星期,目前已经不再运行了。对于Nocturne测试网,我们有一个区块浏览器,可以查看信标链中的交易交易数据。这对于网络调试也很有用。我们在Nocturne测试网上的第一个可能时段(possible epoca)达成了确定性(finality)。实现确定性(finality)表明执行客户端和共识客户端彼此之间能够达成网络共识,而且我们也没有在两者的通信协议中发现任何bug。不过,我们确实发现了一个与 Eth1 数据投票有关的问题。

    JB:什么是 Eth1 数据投票(data voting)?

    MK:指的通过在太坊主网(Eth1)进行投票来处理质押的保证金,以激活验证者资格的过程。

    JB:Rayonism 项目和以太坊“合并”的下一步计划是什么?

    MK:Rayonism项目已经结束了,但“合并”工作仍在继续。或许可以将目前称之为后Rayonism时期?客户端团队目前正在处理各自即将到来的硬分叉,研究人员则正在研究共识机制的过渡阶段。

    JB:过渡阶段指的是什么?是指以太坊由工作量证明机制切换为权益证明机制的确切时刻吗?

    MK:是的。从字面意义上看,过渡阶段指的就是全网就最后一个工作量证明块达成共识,添加第一个权益证明块,并就第一个权益证明块达成共识。上述步骤的完成就意味着“合并”的发生。从那时起,以太坊就将以权益证明机制来运行。 我们目前也在致力于制定标准化的共识客户端API。我也知道 Go-Ethereum 团队正在研究状态同步。“合并”之后,状态同步会有所不同,因此开发者需要对其进行调整以适应“合并”过程。一旦以太坊完成了London和 Altair 硬分叉,我们就能够共同启动更大规模的“合并”测试网了。

    JB:Sajida,像Hyperledger Besu这样的执行客户团队正在为合并做哪些准备呢?

    SZ:我们正在与其他执行客户端团队和共识客户端团队一起参与devnet(开发者测试网),以提前发现一些问题并修复它们。我的目标是优化 Hyperledger Besu客户端的性能,使其成为验证者们的首选执行客户端。目前,Besu客户端与所有共识客户都有所合作,结果令人欣慰。

    Teku客户端团队也是最初构建 Besu客户端的的团队,所以他们之间的合作非常顺利。

    JB:Sajida,纳有 EIP 1559提案的伦敦硬分叉将会在7月份到来,这一定会引起许多关注。这次硬分叉会不会有与“合并”相关的EIP?

    SZ:为了这次伦敦硬分叉,我们已经将客户端提前冻结,所以我们实际上已经准备好了进行测试网部署。至于主网部署,将在7月份进行。 另外值得一提的是,在“合并”之前,我们已经发起了EIP 3554提案,提议将“难度炸弹”推迟至2021年12月份,以与“合并”的新时间表保持一致。

    B:Sajida,你对Besu团队感觉如何?你在“合并”方面的下一步工作计划又是什么?

    SZ:我现在感到非常乐观——无论是在对于devnet(开发者测试网)还是在时间线方面。我们致力于尽快终止工作量证明机制。

    JB:Mikhail、Sajida,“合并”可能带来的风险是什么?

    MK:“合并”可能会打破现有网络的稳定性,这或许会影响现有的应用程序。当然,随着“合并”的来临,各种攻击风险也与之俱生,而51%攻击的风险则是最为严重的。在最终实现“合并”之前,我们会启动多轮测试网来做好充足的准备——包括压力测试网和大规模测试网。在这一时期,所有以太坊上的应用程序和基础设施都有机会检查它们是否仍然运行良好,以及是否对“合并”准备就绪。我们正在努力消除可能威胁“合并”的各种攻击因素,但 51%攻击的威胁仍然令人忧心忡忡。

    SZ:风险在于,我们迫于市场压力而操之过急——尤其是在近期,工作量证明机制在能源消耗方面对地球有害的负面舆论甚嚣尘上。开发者的首要任务是确保系统的安全。我们应该遵循事实,逐步解决问题,市场环境不应该对开发工作施加过多的压力。 我们还密切关注矿工可提取价值 (MEV) 和 flashbots项目。 当链上交易再度活跃时,抢先交易问题如何解决,这些仍悬而未决。 最后,ConsenSys 希望更多聪明的开发者参与核心协议的开发,这有助于以太坊“合并”到权益证明机制。我们也正在为执行客户端 Hyperledger Besu 和我们的共识客户端 Teku 招聘工程师。



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