前言2017年，Vitalik Buterin與Virgil Griffith共同發(fā)表了Casper the Friendly Finality Gadget(Casper FFG)。Casper FFG是受PBFT啟發(fā)并經(jīng)
前言
2017年，Vitalik Buterin與Virgil Griffith共同發(fā)表了Casper the Friendly Finality Gadget(Casper FFG)。Casper FFG是受PBFT啟發(fā)并經(jīng)過(guò)改良的共識(shí)協(xié)議，它雖然被設(shè)計(jì)得很簡(jiǎn)潔(Simple)，但其對(duì)安全性的證明卻不簡(jiǎn)單(Easy)。
筆者將于本文解析Casper FFG 的原理，讀者可以一窺權(quán)益證明共識(shí)所嘗試解決的問(wèn)題及其設(shè)計(jì)理念。此外，Casper FFG 是以太坊2.0 的共識(shí)機(jī)制，理解其運(yùn)作也能幫助研究員與開(kāi)發(fā)者進(jìn)一步理解以太坊2.0 的設(shè)計(jì)。
最后要特別感謝以太坊研究員Chih-Cheng Liang(梁智程)提供重要素材并與筆者共同大量討論及給予回饋，沒(méi)有他的協(xié)助便不會(huì)有這篇文章的誕生。
Casper FFG 是怎么開(kāi)始的?
以太坊對(duì)權(quán)益證明(Proof-of-Stake, PoS)的研究最早可追朔至2014年的這篇文章。從此之后，以太坊研究員們便一直朝「實(shí)現(xiàn)基于PoS的共識(shí)協(xié)議」此一目標(biāo)前進(jìn)。PoS共識(shí)的設(shè)計(jì)是一個(gè)跨領(lǐng)域且相當(dāng)復(fù)雜的問(wèn)題，其包含計(jì)算機(jī)科學(xué)/經(jīng)濟(jì)學(xué)/密碼學(xué)等面向。以太坊擁有區(qū)塊鏈生態(tài)系中最跨領(lǐng)域的團(tuán)隊(duì)，對(duì)PoS的研究可以說(shuō)是相當(dāng)透徹。
Casper FFG 受到PBFT 的啟發(fā)，并可以被視為改良后的PBFT — 它繼承了PBFT 的重要設(shè)計(jì)，同時(shí)添加新的機(jī)制與簡(jiǎn)化若干規(guī)則。若讀者對(duì)PBFT 感到陌生。
簡(jiǎn)而言之，PBFT 是一個(gè)具有二輪投票機(jī)制的共識(shí)協(xié)議，且具有下列特性：
· 許可制的(Permissioned)：只有被「允許」的節(jié)點(diǎn)能參與共識(shí)。
· 基于領(lǐng)袖的(Leader-based)：只由主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)「提案」(Propose)，其他節(jié)點(diǎn)只負(fù)責(zé)投票，因此需要視域變換(View Change)機(jī)制來(lái)節(jié)制不誠(chéng)實(shí)的主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)。
· 基于通訊的(Communication-based)：使用決定性的(Deterministic)多數(shù)決來(lái)形成共識(shí)，而不是非決定性的(Non-Deterministic)算力解謎賽局。
· 安全性重于活躍性的(Safety-over-Liveness)：無(wú)論網(wǎng)路是否延遲，協(xié)議都能保證共識(shí)的安全性(即不分岔)，這賦予協(xié)議即時(shí)敲定(Instant Finality)的特性。
其中PBFT所具備的即時(shí)敲定性，或許是其受到Vitalik青睞的主因。Vitalik在熟讀PBFT后也特撰文總結(jié)，并于其中提出日后演變成Casper FFG的重要想法。
Casper FFG 的前身：砍押金的4 條規(guī)則
PBFT雖然具有即時(shí)敲定性，但并不具有抵抗共謀的能力，因此需要一個(gè)懲罰機(jī)制來(lái)遏止作惡的行為，只要節(jié)點(diǎn)做出逾越規(guī)則的行為，便必須承受經(jīng)濟(jì)損失—透過(guò)經(jīng)濟(jì)學(xué)法則來(lái)調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)的行為正是PoS的設(shè)計(jì)理念。任何支付押金的節(jié)點(diǎn)，都可以加入網(wǎng)路參與共識(shí)，無(wú)需任何人的許可，因此基于PoS模型的共識(shí)都是非許可制的(Permissionless)。
在這里要澄清一下「許可」這件事。我們會(huì)說(shuō)他「非許可制」，是因?yàn)槿魏悟?yàn)證節(jié)點(diǎn)可以加入和退出。但如果在他加入的時(shí)候，鏈要維持一個(gè)驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)清單，從這個(gè)角度看又有點(diǎn)是「許可制」。從PBFT 的角度看，投票的驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)也必須從許可的清單中挑選。
那么下一個(gè)問(wèn)題是：哪些行為該被懲罰?Vitalik仔細(xì)推敲PBFT后發(fā)現(xiàn)，PBFT只需4條規(guī)則(PBFT中的斷言)便能確保共識(shí)運(yùn)作良好：
Vitalik在這篇文章中總結(jié)了這4條規(guī)則，并把它們稱為PBFT的「最少的砍押金條件」(Minimal Slashing Conditions)，任何違反此4條規(guī)則的行為都要被取走押金。這4條規(guī)則如下：
1.提交(commit_req)：收到2/3節(jié)點(diǎn)的預(yù)備訊息后才能提交。
2.預(yù)備(prepare_req)：每個(gè)預(yù)備訊息只能指向某個(gè)也具有2/3節(jié)點(diǎn)預(yù)備訊息的高度(Epoch)，且這些預(yù)備訊息也必須都指向同一個(gè)高度。
3.預(yù)備提交一致性(prepare_commit_consistency):任何新的預(yù)備訊息只能指向最后一個(gè)已提交的或其他比其更新的高度。
4.不重復(fù)預(yù)備(no_double_prepare)：不能在同一個(gè)高度送出兩次預(yù)備。
這4 條規(guī)則可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為2 條：
某驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)v必不可發(fā)出兩個(gè)相異的投票：
<ν, s1, t1, h(s1), h(t1)>及
<ν, s2, t2, h(s2), h(t2)>,
且使下列任一條件成立：
1. h(t1) = h(t2)
驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)必不可對(duì)某高度發(fā)出兩個(gè)相異投票。
2. h(s1) < h(s2) < h(t2) < h(t1)
驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)必不可投出高度圍繞/被圍繞于另一投票高度的投票。
這2條規(guī)則便是Casper FFG 的最少砍押金條件。
Casper FFG 如何運(yùn)作?
Casper FFG是一個(gè)將出塊機(jī)制(Block Proposing Mechanism)抽象化的覆蓋層(Overlay)，只負(fù)責(zé)形成共識(shí)(這里的覆蓋層是「鏈」的覆蓋層，而非「網(wǎng)路」的覆蓋層)。出塊機(jī)制由底層網(wǎng)路實(shí)作，而來(lái)自底層網(wǎng)路的出塊(Block Proposal)稱為檢查點(diǎn)(Checkpoints)。檢查點(diǎn)組成檢查點(diǎn)樹(Checkpoint Tree)，例如：把高度為0、50、100、150的區(qū)塊雜湊值取出，形成一棵新的樹，如上圖所示。最底部的檢查點(diǎn)則稱為根檢查點(diǎn)(Root)。
每個(gè)節(jié)點(diǎn)都必須對(duì)檢查點(diǎn)送出投票(Vote)，投票的內(nèi)容是由兩個(gè)不同高度的檢查點(diǎn)組成的連結(jié)(Link)，連結(jié)的起點(diǎn)高度較低，稱為源頭(Source);連結(jié)的終點(diǎn)高度較高，稱為目標(biāo)(Target)。節(jié)點(diǎn)會(huì)將投票廣播到網(wǎng)路中，并同時(shí)收集來(lái)自其他節(jié)點(diǎn)的投票。其中若投票給某連結(jié)L的節(jié)點(diǎn)押金總和超過(guò)全部押金的2/3，則稱L為絕對(duì)多數(shù)連結(jié)(Supermajority Link)，以s → t表示。例如上圖中，b1 / b2 / b3之間都形成了絕對(duì)多數(shù)連結(jié)，分別以b1 → b2、b2 → b3表示。
由根檢查點(diǎn)開(kāi)始，若兩個(gè)檢查點(diǎn)之間形成絕對(duì)多數(shù)連結(jié)，則該連結(jié)的目標(biāo)進(jìn)入「已證成」( Justified)狀態(tài);而在連結(jié)建立當(dāng)下已處于「已證成」?fàn)顟B(tài)的源頭，則進(jìn)入「已敲定」(Finalized)狀態(tài);根檢查點(diǎn)則預(yù)設(shè)為「已證成」及「已敲定」?fàn)顟B(tài)。由此可知，每個(gè)檢查點(diǎn)在經(jīng)過(guò)兩次投票后，會(huì)先「證成」(Justify)而后「敲定」(Finalize)，幾乎等同于PBFT的「預(yù)備」與「提交」。例如在上圖右邊的分支中，r / b1 / b2皆為「已敲定」?fàn)顟B(tài)，只有b3為「已證成」?fàn)顟B(tài)。
那么驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)該對(duì)哪個(gè)檢查點(diǎn)建立連結(jié)?每個(gè)節(jié)點(diǎn)都必須遵循分岔選擇規(guī)則(Fork Choice Rule)來(lái)選擇下一個(gè)要連接的檢查點(diǎn)，Casper FFG的規(guī)則是：選擇最高的「已證成」?fàn)顟B(tài)的檢查點(diǎn)。
由于Casper FFG能讓任何存入押金的節(jié)點(diǎn)參與共識(shí)，因此驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)集合(Validator Set)會(huì)動(dòng)態(tài)地隨著時(shí)間變化。節(jié)點(diǎn)從退出網(wǎng)路至取出押金需要等待一段期間，該等待期間稱為提領(lǐng)延遲(Withdrawal Delay)。每個(gè)檢查點(diǎn)C都有其對(duì)應(yīng)的朝代數(shù)(Dynasty)，其定義為：從根檢查點(diǎn)開(kāi)始至C為止的已敲定檢查點(diǎn)數(shù)量，例如上圖中，b3的朝代數(shù)為3。每一代檢查點(diǎn)都對(duì)應(yīng)兩種驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)集合：前端(Front)驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)集合(包含于此代加入的節(jié)點(diǎn))以及后端(Rear)驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)集合(包含于此代退出的節(jié)點(diǎn))。
理論上每代檢查點(diǎn)的前端/后端集合會(huì)高度重復(fù)，但難保節(jié)點(diǎn)共謀造成前端/后端集合的大幅變化，若此情形發(fā)生，則出錯(cuò)時(shí)可能會(huì)砍不到壞節(jié)點(diǎn)的押金(因?yàn)閴墓?jié)點(diǎn)已退出)導(dǎo)致安全性受到威脅。例如上圖中，驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)A可以退出，代表對(duì)C'分岔(綠色)來(lái)說(shuō)A退出了，可是對(duì)C分岔(紫色)來(lái)說(shuō)， A卻從來(lái)沒(méi)退出過(guò)。因此A有辦法繼續(xù)投舊鏈C，但新鏈C'砍不到A的押金(因?yàn)橐淹顺?。
為了讓每代檢查點(diǎn)在出錯(cuò)時(shí)都能確實(shí)歸責(zé)，因此需要縫合機(jī)制(Stitching Mechanism)將檢查點(diǎn)的前端/后端集合「縫」起來(lái)，確保每個(gè)錯(cuò)誤都必定能歸責(zé)(出錯(cuò)的可能是前端集合或者后端集合)。
綜合以上，Casper FFG 幾乎針對(duì)PBFT 的所有面向都做出改進(jìn)：
· 經(jīng)濟(jì)上的制約：PBFT是許可制的，它仰賴原本就存在信任基礎(chǔ)的組織共同運(yùn)行協(xié)定;Casper FFG則是非許可制的，它引入最少砍押金條件，利用經(jīng)濟(jì)損失的風(fēng)險(xiǎn)來(lái)制約節(jié)點(diǎn)的行為，節(jié)點(diǎn)之間不需要任何信任基礎(chǔ)也能共同運(yùn)行協(xié)定，實(shí)現(xiàn)真正的去中心化。
· 抽象的出塊機(jī)制：PBFT仰賴誠(chéng)實(shí)的主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生區(qū)塊并需要視域變換機(jī)制節(jié)制拜占庭節(jié)點(diǎn);Casper FFG不需理會(huì)底層的出塊機(jī)制，只需負(fù)責(zé)形成共識(shí)。出塊抽象的好處是：底層網(wǎng)路的出塊頻率不必與覆蓋層的共識(shí)頻率一致，如此可以增加效率并降低網(wǎng)路的負(fù)擔(dān)。例如：每100個(gè)底層區(qū)塊只產(chǎn)生1個(gè)檢查點(diǎn)。
· 流水線化的投票：PBFT具有、等數(shù)種投票訊息;Casper FFG僅有一種，且投票的內(nèi)容并不是單一的區(qū)塊/請(qǐng)求，而是兩個(gè)形成連結(jié)的檢查點(diǎn)，這使Casper FFG能夠在不犧牲太多表達(dá)力的前提下變得簡(jiǎn)潔許多。這些形成鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的檢查點(diǎn)，會(huì)于兩個(gè)不同高度分別經(jīng)歷兩輪投票，由于每一輪投票都會(huì)敲定源頭與證成目標(biāo)，因此共識(shí)能如流水線(Pipeline)般不斷推進(jìn)。相似的設(shè)計(jì)理念也出現(xiàn)于Hot-Stuff，有趣的是，該論文作者Dahlia Malkhi還撰文比較Hot-Stuff與Casper FFG，其相似程度可見(jiàn)一斑。
· 強(qiáng)健的抗攻擊性：PBFT不具備對(duì)遠(yuǎn)程攻擊(Long-range Attack)以及災(zāi)難性崩潰(Catastrophic Crash)的抗性;Casper FFG則具有特別的機(jī)制來(lái)防御這兩種攻擊：針對(duì)遠(yuǎn)程攻擊，節(jié)點(diǎn)必須定期同步區(qū)塊及禁止回朔(Revert)已敲定的區(qū)塊;針對(duì)災(zāi)難性崩潰，Casper FFG則引入「離線溢金」(Inactivity Leak)機(jī)制來(lái)應(yīng)對(duì)。關(guān)于這兩種攻擊的說(shuō)明，筆者將于日后另撰文論述。
由于Casper FFG 相當(dāng)簡(jiǎn)潔，以太坊研究員一度實(shí)作了合約版本的Casper FFG：
然而，這個(gè)合約版的Casper FFG后來(lái)被棄用了!在合約版中原本假設(shè)投票能夠被平行處理，但在計(jì)算投票報(bào)酬有很多中間狀態(tài)，不同投票處理的先后順序?qū)?huì)影響最后得到的狀態(tài)，這代表平行化將無(wú)法達(dá)成共識(shí)。而要修正這個(gè)問(wèn)題則必須要在合約與客戶端做大量修改，失去了「邏輯用合約實(shí)作，避免修改客戶端」的精神。因此，為了能夠更好地整合Casper FFG與其他優(yōu)化提案(例如分片)，全新的以太坊2.0 滂薄登場(chǎng)了。
以太坊2.0 中的Casper FFG
以太坊2.0 是一個(gè)基于EVM 并整合Casper FFG 與眾多優(yōu)化提案(以分片為主)的分散式帳本。以太坊2.0 除了想實(shí)現(xiàn)PoS，還試圖將每秒交易數(shù)(TPS)擴(kuò)展到10000 筆的量級(jí)，使區(qū)塊鏈成為如網(wǎng)際網(wǎng)路一般的基礎(chǔ)建設(shè)(Infrasturcture)，并且讓任何存入32 顆以太的押金的節(jié)點(diǎn)都能成為驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)。
分片(Sharding)即是為了增加可擴(kuò)展性(Scalability)的重要設(shè)計(jì)，也是以太坊2.0最重要的目標(biāo)。分片就是分工合作，我們可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的例子來(lái)說(shuō)明分片的概念(實(shí)際上的解釋要比這復(fù)雜得多)： 2人寫2題作業(yè)，2人各寫不同的1題再合起來(lái)一定比2人都各寫完2題來(lái)得更有效率。
目前的以太坊只有1條區(qū)塊鏈，所有節(jié)點(diǎn)必須各自處理所有交易(如同2人各自寫完2題作業(yè));在以太坊2.0中，網(wǎng)路會(huì)分成1024個(gè)片(Shard)，每片分別運(yùn)行1條分片鏈(Shard Chain)，它們將各自處理一部分的交易后再將結(jié)果交由1條信標(biāo)鏈(Beacon Chain)統(tǒng)整(如同2人各做不同的1題再合起來(lái))。因此，以太坊2.0預(yù)計(jì)會(huì)有1條信標(biāo)鏈以及1024條分片鏈。
值得注意的是：片是一個(gè)抽象層，并不特指某一群節(jié)點(diǎn)。為了更了解這個(gè)概念，筆者擴(kuò)充一下上文的例子：假設(shè)寫作業(yè)有找答案及抄答案兩個(gè)步驟，那么A / B 2人寫2題作業(yè)，由讀速快的A找第1題答案，讀速慢的B找第2題答案;由手速快的B抄第1題答案，手速慢的A抄第2題答案。如此，A / B便可以依照讀/寫的快/慢來(lái)分別負(fù)責(zé)不同題目的不同步驟。
同樣地，在以太坊2.0中，除了有1024個(gè)片，還會(huì)有1024個(gè)持續(xù)委員會(huì)(Persistent Committee)與1024個(gè)交聯(lián)委員會(huì)(Crosslink Committee)：
· 每個(gè)片都會(huì)對(duì)應(yīng)1 個(gè)持續(xù)委員會(huì)與1 個(gè)交聯(lián)委員會(huì)，如同上例中每個(gè)題目可以依照讀/寫的步驟來(lái)對(duì)應(yīng)不同的個(gè)體。
· 使用鏈上亂數(shù)(On-chain Random Number)決定各委員會(huì)的分派，如同上例中依照讀/寫的快/慢來(lái)分派題目(關(guān)于鏈上亂數(shù)的實(shí)作細(xì)節(jié)留待筆者日后詳述)。
· 持續(xù)委員會(huì)負(fù)責(zé)維護(hù)分片鏈與產(chǎn)生分片區(qū)塊(Shard Block)、交聯(lián)委員會(huì)負(fù)責(zé)維護(hù)信標(biāo)鏈與產(chǎn)生信標(biāo)區(qū)塊(Beacon Block)，如同上例中讀速快的負(fù)責(zé)找答案、手速快的負(fù)責(zé)抄答案。各區(qū)塊的出塊節(jié)點(diǎn)(Block Proposer)也交由鏈上亂數(shù)決定。
換句話說(shuō)，每個(gè)驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)都需維護(hù)1 條唯一的信標(biāo)鏈及1 條所屬片的分片鏈，也都會(huì)隸屬于與該分片對(duì)應(yīng)之1 個(gè)交聯(lián)委員會(huì)與1 個(gè)持續(xù)委員會(huì)。
Casper FFG是運(yùn)行于以太坊2.0之上的覆蓋層，這個(gè)覆蓋層同樣由檢查點(diǎn)構(gòu)成，各檢查點(diǎn)之間的跨度稱為時(shí)期(Epoch)，1個(gè)時(shí)期(Epoch)切成64個(gè)時(shí)段(Slot )，每個(gè)時(shí)段對(duì)應(yīng)16個(gè)片(16 = 1024 ÷ 64)，因此每片在每時(shí)期中都有對(duì)應(yīng)的時(shí)段，并只能在輪到自己時(shí)才廣播其對(duì)檢查點(diǎn)的投票，且每分片只能1個(gè)時(shí)段中投出1票—也就是說(shuō)，各分片需要先對(duì)投票內(nèi)容形成共識(shí)，不過(guò)各片內(nèi)部形成共識(shí)的方法仍尚未定論，近期最新的提案是使用聚合簽章。另外，Casper FFG在以太坊2.0中的分岔選擇規(guī)則是最新訊息驅(qū)動(dòng)GHOST(Latest-Message Driven GHOST, LMD GHOST)。
理論上，Casper FFG 于每個(gè)檢查點(diǎn)的投票應(yīng)該要與底層出塊機(jī)制的投票分開(kāi);實(shí)際上，以太坊2.0 的底層投票內(nèi)容會(huì)同時(shí)包含頂層投票內(nèi)容(檢查點(diǎn)的連結(jié))，如同頂層投票搭了底層投票的便車(Piggyback)，借此優(yōu)化效能。如此在每個(gè)時(shí)期結(jié)束時(shí)，每個(gè)片都會(huì)收到所有其他片在該時(shí)期的投票，Casper FFG 活躍性得以維持。
結(jié)語(yǔ)
Casper FFG 是一個(gè)實(shí)現(xiàn)權(quán)益證明的大膽嘗試，它在以太坊2.0 的表現(xiàn)值得期待。然而以太坊2.0 還有許多難題留待解決，例如輕節(jié)點(diǎn)(Light Client)/ 鏈上亂數(shù)產(chǎn)生器(On-chain Random Number Generator)/ 跨片交易(Cross-shard Transaction)等等。與此同時(shí)，許多以太坊2.0 的競(jìng)爭(zhēng)者也提出新的共識(shí)協(xié)定與分片技術(shù)，例如RapidChain / Harmony / Chainspace 等等。
Casper FFG 以及以太坊2.0 是經(jīng)過(guò)眾多研究員/開(kāi)發(fā)者不斷激蕩與迭代的重要結(jié)晶，但一直以來(lái)都缺乏提供系統(tǒng)性論述的中文材料，希望此文可以幫助中文世界的研究員/開(kāi)發(fā)者快速理解Casper FFG與以太坊2.0 的精要。(Juin Chiu)
關(guān)鍵詞： Casper FFG 以太坊2 0 共識(shí)機(jī)制
