PoS 系列：Epoch、Slot 與信標區塊

發表於 2023-03-31 15:03 作者： ETH中文

來源：stonecoldpat.substack.com

作者：Patrick McCorry

使用權益證明的以太坊的獨特性在於參與者數量的最大化設計。它允許成百上千和成千上萬的驗證者活躍地參與決策過程。在筆者撰文時已經有大約 50 萬的驗證者實體（從協議的角度而言）在活躍地參與這個過程。

事實上，在約 384 秒（6 分 24 秒）內，所有活躍中的驗證者將有機會投下一票或提議一個區塊。在約 384 秒內至少有 50 萬條信息廣播，而且所有信息必須在嚴格的時間範圍內傳遞。據我所知，沒有其他共識協議被設計來處理如此活躍和龐大的共識參與者集。

至於通信模型方面，共識協議是爲以下三種情況之一設計的（通常）：

• 同步通信 一個普遍同意和已知的信息傳遞超時時間。

• 異步通信 信息傳遞所需時間沒有上限， 但它最終會被發送。

• 部分同步通信 在大多數情況下，都有一個已知的超時時間，但零星的事件可能會破壞信息傳遞，時間長短不一。

大多數現代共識協議都是爲部分同步通信而設計的，因爲它假設大部分時間條件良好，但由於事件可能會在短時間內中斷通信，所以存在不可預測的時期。另一方面，值得注意的是，權益證明的以太坊是爲同步通信設計的。

題外話--Casper FFG 是爲部分同步通信而設計的，但 LMD-GHOST 的嚴格計時條件迫使整個系統必須同步。我們將在今後的文章中解釋什么是 Casper 和 LMD-GHOST。

它假定在絕大多數的驗證者中幾乎沒有中斷，而且所有的信息必須在固定的最後期限前被記錄在信標區塊鏈上，這些信息才能被計入/使用。如果出現中斷，導致信息延遲傳遞，那么發送者將根據其延遲程度而招致懲罰。在最壞的情況下，如果錯過了最後期限，那么消息將被忽略，信息發送者將受到不活躍的最大懲罰。懲罰政策將在未來的文章中介紹。

爲了更好地理解同步通信模型，我們涵蓋了 Epochs & Slots 的主題。它定義了驗證者被允許參與的時間，以及圍繞消息傳遞的嚴格時間窗口。如果違反了時間窗口，不管是什么原因，那么就不能保證其他驗證者會就遲到的消息到達時採取行動。最後，我們將介紹驗證者如何被分配到一個時間槽（time slot），以及消息如何被記錄在信標區塊鏈中。

如果你想深入了解各種通信設置，那么我建議閱讀這篇文章。這裏也有關於 ETH2 是部分同步通信還是同步通信的精彩討論。

Epoch 和 Slot

每個 epoch 有 32 個 slot，每個驗證者在每個 epoch 正好被分配到一個槽位。一個 slot 是一個 12 秒的時間窗口，期間驗證者可以參與權益證明協議，對新的信標區塊進行提議或投票。

slot 按 epoch 分組，epoch 和 slot 爲驗證者參與權益證明協議扮演一個時間表的角色：

• Epoch 一個包括 32 個 slot 的周期。

• Slot 一個驗證者委員會在爲期 12 秒的時間裏完成任務的窗口期。

一個 epoch 代表了權益證明協議的一個完整的回合， slot 爲驗證者提供了一個參與該回合的機會。在一個 epoch 結束時，所有活躍的驗證者都有機會參與。

Slot 委員會 一個驗證者在一個 epoch 中正好被分配到一個 slot，所有驗證者被平均分配到各個 slot，組成委員會。

一個 slot 裏有兩種角色：

• 區塊提議者（Block proposer） 一個驗證者有機會向委員會成員提議一個區塊。

• 見證者（Attester） 所有剩余的委員會成員會爲一個區塊投票，他們相信那個區塊應該會成爲新的區塊鏈頭。

每個 epoch 有 32 個區塊提議者（每個 slot 一個），所有驗證者都有機會參與權益證明協議，向他們認爲應該是規範信標鏈（canonical beacon chain）的鏈頭投出一票。

一個 slot 代表了一個嚴格的時間窗口，供一個驗證者提議一個區塊，委員會成員對一個區塊進行投票，最後將所有該 slot 的活動廣播給下一個 slot 的區塊提議者。

Slot 和時間條件 所有 slot 都是按照時間順序一個接一個地產生的。每一個 slot 都准確地按照 12 秒一個被分配出來，並被分成三個階段：

• 提議區塊 指定一個驗證者提議一個區塊，並在前 4 秒內將其廣播給所有委員會成員。

• 投票周期 所有其他委員會的成員都爲一個區塊投票（見證），他們相信，接下來的四秒內他們的投票就要被這個區塊接受。

• 廣播投票 在最後的四秒裏所有委員會成員的投票應該被聚合起來並發送給下個 slot 的區塊提議者。

所有的區塊和投票都是在一個 slot 的委員會內進行廣播。在委員會中有一個額外的角色，叫做聚合者，他們會在將證明傳遞給下一個 slot 的區塊提議者之前將其聚合。他們是自選的，這是一個自愿的角色，以減少通信的成本。我們將暫時跳過具體細節--因爲這將在未來的文章中涉及。

如果一個提議的區塊或見證是在截止日期之後發布的，那么就不能保證該活動會被其他驗證者認可。例如，一個遲到的區塊可能會被跳過，因爲這個 slot 的見證者可能已經爲其父塊投了票。一個遲到的見證將被其他見證者在一個 epoch 中處理，最多遲到 32 個 slot，並有不同程度的懲罰。如果它在 32 個 slot 之後被發布，那么它將不會被任何驗證者處理。

最後提醒一下，這個嚴格的時間窗口保證了運行驗證者所需的帶寬和計算能力的下限，因爲他們必須要有准時接收、處理、發送見證/區塊的能力。

驗證者委員會的分配

我們在一個 epoch 裏考慮分配驗證者到 slot 裏的過程。所有的 slot 委員會的規模大致相同。他們根據一個隨機信標的輸出完成分配，並且提前兩個 epoch 進行。這要求使用一個混洗協議和一個同帶信號傳輸隨機性的源。

混洗協議 所有驗證者都根據一個叫 swap-or-not 的混洗協議被分配到一個 slot 裏去。我們不會去探討這個混洗協議的細節，而是會把注意力集中到隨機信標的計算方法上，這個方法奠定了混洗協議執行方式的基礎。

隨機信標 所有驗證者通過一個隨機信標被分配，這個隨機信標使用了一個叫 RANDAO 的協議。其目的是在新的區塊被添加到規範鏈上時通過聚合隨機性來形成隨機信標。

對於每一個新的區塊而言，有兩個階段：

• 提議產生的隨機性（每個區塊）  一個新的信標區塊包括了一個叫 randao_reveal 的特殊值。它是一個區塊提議者的 BLS 籤名，用以充當區塊的隨機信標。它是確定的以防止被驗證者篡改，但是不可預測。

• 混合隨機性（每個區塊） 所有驗證者從新的區塊裏取出隨機信標並把它和之前所有聚合起來的區塊的隨機性混合。它形成了一個新值 mix，有可能作爲混洗協議的候選。

正如我們所能看到的，每一個信標區塊都包括了一個隨機信標，添加並匯聚了所有之前的區塊的隨機性。

驗證者們通過第 N 個 Epoch 最後的隨機信標被分配到第 N+2 個 Epoch 的 slot 裏

分配會提前 2 個 epoch 發生 所有驗證者都會使用最後那個被接受的區塊匯聚起來的 mix 值作爲隨機信標，並在混洗算法中使用它。它會計算得出未來兩個 epoch 的驗證者委員會。

所以，如果我們考慮目前的 epoch 爲第 N 個，那么這個 epoch 裏的最後那個信標區塊會作爲隨機信標決定第 N+2 個 epoch 的委員會分配。

驗證者們有充足的時間查找它們被分配到的 slot，因爲它們提前兩個 epoch 就知道了。換句話說，未來 64 個 slot 的驗證者的分配是早就公之於衆了的 (約 2 個 epoch）。

隨機信標的可偏倚性（bias-ability) 只有一個 mix 能被混洗協議使用，那就是一個 epoch 中最後一個被接受的區塊的 mix 值。

最後一個被接受的區塊不會總是那個在第 32 個 slot 被提議的區塊。而是最後一個 slot 的區塊，也就是被所有驗證者認可爲區塊鏈鏈頭的那個區塊。舉個例子，如果第 32 個 slot 沒有區塊被提議產生（或者它遲到了），那么第 32 個 slot 的驗證者委員會就會爲之前在第 31 個 slot 被提議產生的前一個區塊投票。

攻擊者可以利用這點來使隨機信標出現偏差。讓我們假設攻擊者是第 32 個 slot 的區塊提議者。他可以決定這么幹：

• 准時釋放區塊 攻擊者的隨機性被混合在信標裏

• 暫緩區塊 強迫所有驗證者爲上一個區塊投票，則攻擊者的隨機性不會被混合在信標裏。

這種決定權使得攻擊者可以使隨機信標出現 1 個字節的偏倚，並最終決定到底兩個驗證者分配組合裏中的哪一個會在未來的一個 epoch 裏被使用。實際上如果攻擊者控制了一個 epoch 裏最後 N 個區塊的區塊提議者們，那么它們可以利用這個機會釋放或暫緩釋放一個 N 個區塊的組合。目前還缺乏一項嚴格的研究，來了解針對最後 N 個 slot 的偏倚能力的全部範圍及其影響。

檢查一個信標區塊

一個信標區塊的數據結構

一個單獨的信標區塊包含了它在信標區塊鏈裏所處位置的元數據、執行鏈的數據、以及權益證明協議的一份副本。我們會在下文探討更多細節。

一個 slot 的區塊提議者會嘗試擴展規範鏈，並且只能選擇一個父塊。

信標父塊 一個區塊的提議者的目標是提議並添加一個新的信標區塊到一個規範鏈的頭。若要這么做的話，它們只能選擇一個父塊來進行擴展。父塊應該是當前的鏈頭，它在元數據中的代表是 parent_root。

Epoch 和 slot 組織驗證者產生唯一一條規範信標區塊鏈。

Slot ≠ 信標區塊 一個信標區塊記錄了它的 slot 號碼的元數據（一個 epoch 號碼的倍數）。它允許其他驗證者檢查區塊提議者是否確實被指定爲這個 slot 提議一個區塊，這個區塊是否就是被提議的那個區塊。如果 slot 的號碼錯誤，那么區塊會被拒絕。

重點在於，一個區塊在區塊鏈裏的位置不會與它在其中被提議的 slot 號碼相對應。舉個例子，如果我們檢查第 5184157 個 slot，那么我們會看到第 16015362 個區塊，這種不匹配是無法避免的，因爲無法保證一個被分配的 slot 裏被提議的區塊會被所有其他驗證者投票通過，而且以太坊從开始到現在運行了超過 7 年了。

執行鏈數據 區塊提議者會提議兩個區塊，它們提議一個執行區塊，給用戶的交易排序，並把它附加到新產生的信標區塊上。這並不奇怪，因爲共識層的最終目的就在於爲執行層決定規範鏈。

區塊提議者同樣負責從執行層轉移信息到信標層上，並使其准備好爲權益證明協議所用。這包括：

• ETH1 數據 一個來自執行層的附加區塊的區塊哈希碼。

• 存款 存款合約地址和一連串未記錄的存款。

這要求所有的驗證者運行一個信標客戶端和一個執行客戶端。這是必要的，因爲驗證者們必須檢查對應的 ETH1 區塊並根據執行層規則驗證其有效性。同樣地，正如我們在關於注冊過程的文章裏討論的一樣，存款必須在一個特定的區塊間隔期內從執行層上被轉移到一個信標區塊上，否則信標區塊會被拒絕。

• 元數據 slot 號碼、epoch 號碼、隨機信標和區塊提議者

• 罰沒事件 包括其他驗證者的惡意行爲證據，這些證據可用於懲罰它們

• 投票歷史記錄 一連串在這個區塊鏈分叉上針對之前提議的信標區塊的未被記錄的的投票

• 區塊鏈分叉 它挑選了一個父塊，並反過來定義了這個區塊所延伸的規範鏈。

• 驗證者退出 一連串已注冊驗證者的退出請求。

通過記錄下副本，每一個人都可以獨立地回顧整個協議，並且絕對相信目前信標鏈的狀態是正確的。比如說，惡意的驗證者會被及時罰沒，slot 和 epoch 的時間表受到全體驗證者的認可，絕大多數驗證者都會以這種方式投票並產生單獨一條規範鏈。

題外話，由於弱主觀性的緣故，雖然權益證明的記錄可以使我們信服所有歷史活動都是按照規則進行的，但是尚不足以向一個外部群體說明這確實是那條真實的信標區塊鏈。簡單來說就是它提供了一個檢查歷史活動完整性的方法。

標題：PoS 系列：Epoch、Slot 與信標區塊

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