Eth2 信标链：你首先该知道的事（上）

信标链检查点

检查点是位于一个时段的第一个时隙内产生的区块，如果某个时段的第一个时隙内没有产生区块，则将最近的一个符合要求的区块认定为检查点区块。每个时段都会有一个检查点区块；一个区块有可能同时是多个时段的检查点。

- 单时段包含 64 个时隙时的检查点示意图 -

注意，从时隙 65 到时隙 128 之间都是空块。时段 2 的检查点本来应该是时隙 128 处产生的区块，但因为该时隙被跳过了，所以时段 2 的检查点仍然是时隙 64 处产生的区块。时段 3 也类似，时隙 192 被跳过了，因此将时隙 180 处产生的区块认作时段 3 的检查点。

时段边界区块（epoch boundary block）是一些文献（比如 Gasper 论文，也是上面这张示意图的来源）中用到的一个术语，可以认为是检查点的同义词。

在发起一次 LMD GHOST 投票时，验证者也要为最近时段的检查点投票，投票者希望确立的新检查点叫做 “目标检查点”（target）。这种投票叫做 Casper FFG 投票，而且投票中也会包含投票者认定的上一个检查点，叫做 “来源检查点”（source）。在上图中，时段 1 中的一个验证者的投票将创世块作为来源检查点，然后推举时隙 64 处产生的区块为目标检查点。在时段 2，同一个验证者又为相同的检查点投票了。

只有被分配到某个时隙的验证者才需要为该时隙的区块投票，但是，所有验证者都要为每一个时段的检查点发起 FFG 投票。

大多数

由所有活跃验证者总余额的 2/3 所支持的投票内容就是多数票。

我们举简单一点的例子来说明一下，假设有 3 个活跃验证者，两个的余额是 8 ETH，另一个的验证者余额为 32 ETH。那么，只有包含了那个最大验证者的投票才可能是多数票；虽然另外两个验证者可能都投了另一个检查点，但是他们的余额总和只占 50%，形成不了多数。

确定性

一个时段结束的时候，如果其检查点得到了 2/3 的总余额支持（形成了多数票），那么该检查点就被合理化（justified）了。

如果一个检查点 B 已经得到合理化，其下一个时段的检查点也被合理化了，那么 B 就被敲定（finalized）了。一般来说，一个检查点会在两个时段内得到敲定，大概就是12.8 分钟。

从平均的角度来看，用户的交易总是打包在一个时段的中间部分（的区块中）；那么距下一个检查点就还有半个时段的时间，因此，一笔交易经过 2.5 个时段（16 分钟）就可以得到确定性（finality）。理想化情况下，超过 2/3 的见证消息会在一个时段的前 22 个时隙内完成打包。因此，交易敲定的平均时长是 14 分钟（16 + 32 + 22 个时隙）。区块确认则从区块见证消息，一步步升级到合理化，再到确定性。用户自己可以觉得他们要不要等到交易确定，还是更低一点的安全性就足够了。

- 时隙 64 处的检查点被合理化，同时敲定时隙 32 处产生的上一个区块 -

为简化叙述难度，下文假设所有验证者的余额都相同。

信标链的顶端

（上图中）时隙 96 处产生了一个时段边界区块，而且包含了对时段 2 检查点的见证消息（投票）。见证消息的数量达到了 2/3 的多数要求。然后时段 2 的检查点就得到了合理化，同时，上一个合理化的检查点，也就是时段 1 的检查点，就被敲定了。时隙 32 处的区块得到确定性，会使得之前所有区块都得到确定性。在敲定检查点的时候，并没有对同时得到敲定的区块在数量上的限制。所以，虽然确定性仅在时段边界的时候产生，见证消息是逐个逐个区块累加的，下文的 “从创世块到区块链顶端的历程” 部分提供了另一种描述。

从时隙 1 到时隙 32 的信标链区块所包含的所有交联，也会使分片链产生确定性。换句话来说，当一个信标链区块得到确定性时，该块所包含的交联所对应的分片链区块也得到敲定。交联本身不足以使一个分片区块得到敲定，只是对分片链的分叉选择有所帮助。

从创世块到信标链顶端的历程

用同样的办法，可以观察到从创世块开始的一条故事线。所有的提议者，从时隙 1 到时隙 36，一一提议了一个区块，而且这些区块都显现在链上。对于时段 1的所有区块来说，其检查点（时隙 32 处的区块）累积获得了 55% 的验证者的见证。在验证者提议时隙 64 处的区块时，它也纳入了对时段 1 检查点的见证消息。现在，有 70% 的验证者都见证了时段 1 的检查点，因此时段 1 检查点得到了合理化。完成时段 2 时，时段 2 的检查点（时隙 64 处的区块）累积的见证消息还达不到 2/3 的多数要求。时隙 96 处的区块在提议时，也纳入了对区块 2 检查点的见证消息，所以，这时候，时段 2 的检查点也达到 2/3 的多数要求，被合理化了。合理化时段 2 的检查点同时也会敲定时段 1 的检查点及所有此前的区块。

有时，合理化一个区块会敲定两个甚至多个时段以前的区块。Gasper 论文讨论了这种情况，预计只有网络高延迟、网络隔离、遭遇强大攻击者的极端情况下，才会出现这种事。

确定性对于分片及以太坊区块的用户来说是重中之重，因为确定性使他们能够确定，交易已经永远写在链上，不可更改了。确定性也降低了跨分片通信的复杂性。没有确定性，分片内部和分片之间交易的回滚会具有破坏性，甚至让分片的好处荡然无存。

深入理解见证消息

一条见证消息里面包括了一个 LMD GHOST 投票和一个 FFG 投票。理想情况下，所有的验证者每个时段都会发出一条见证消息。一笔见证消息有 32 个时隙的机会被打包到链上。这就意味着，一个验证者可能在单个时段内有两笔见证消息被打包上链。见证消息打包上链的时间也决定了验证者可得的奖励幅度：在自己所在的时隙就打包上链可以得到最多的奖励；要是等到后续时隙才打包上链，验证者得到的奖励就会下降。为了给验证者足够的时间来准备见证消息，他们会在一个时段以前就预先知道自己所在的委员会。区块提议者则仅在时段开始之时分配一次。此外，隐蔽领袖选举研究还致力于减轻对区块提议者的攻击和贿赂。

委员会机制使得汇总所有的见证人签名、变成单个聚合签名在技术上的优化成为可能。如果同一委员会中的所有验证者都作了同样的 LMD GHOST 和 FFG 投票，则他们的签名可以聚合起来（成为单个签名）。

信标链验证者奖惩措施

为避免过度深入，我们仅讨论验证者激励相关的 6 种措施：

见证人奖励

见证人惩罚

对质押者来说典型的贬值风险

罚没（slashing）及举报人奖励

区块提议者奖励

怠惰惩罚（inactivity penalty）

当期见证消息（包含 LMD GHOST 投票和 FFG 投票）与其它多数验证者一致时，验证者可以得到奖励。在 Eth2 Phase 1 阶段，验证者发送交联也可以得到奖励。当区块得到敲定时，验证者奖励也就确定下来了。

另一方面，如果验证者没有提交见证消息，或者投票支持了一个最终不能得到敲定的区块，他们也会受到惩罚。

在列举不太常见的惩罚和奖励之前，你可能还想知道，成为质押者会面临怎样的贬值风险。答案是，你可能失去的 ETH，恰好跟你能赚取的 ETH 数量对称。如果一个验证者一年的奖励回报率是 10%，则作恶验证者在最坏情况下可能会失去 10%。举个例子，如果一个验证者总是离线，或者总是给那些不能得到敲定的区块投票，则其损失的 ETH 数量，恰与一位总是及时提交见证消息，且所支持的区块总是得到敲定的验证者所得的奖励，在数额上相等。

罚没（Slashing）的力度下至 0.5 ETH，上至一位验证者的全部权益。如果一位验证者所提交的见证消息触犯了协议所定义的罚没条件，则 TA 会损失自身权益的至少 1/32，并被驱逐出验证者队伍。惩罚的力度就像该验证者离线了 8192 个时段一样。协议还会根据相近时间内被罚没的验证者数量施加一个额外的惩罚。此种额外惩罚的计算公式是：验证者余额 × 3 × 被罚没的验证者占比。那么，如果占全体验证者 1/3 数量的验证者都触犯了罚没条件，则他们会失去全部余额。相应地，检举这些不轨行为的验证者将会得到检举人奖励。

区块提议者在所提议区块得到敲定之后，也会得到一个成比例奖励。总是在线，并且提议工作做得很好的验证者，其总奖励可增加约 1/8。出现罚没事件的时候，提议者也会因为打包罚没证据而得到一小笔奖励。在 Eth2 Phase 0 中，所有的检举人奖励都会给予区块提议者。

以太坊 2.0 系统中机制众多，对这些机制的评价应从所有机制的整体效果出发。最末一种奖惩措施是所谓的 “怠惰惩罚”。基本上，如果距上一次敲定区块已过去了 4 个时段（还没有新检查点得到敲定），所有验证者都会遭受怠惰惩罚，而且惩罚力度会呈平方级上升，直至新的检查点得到敲定。怠惰惩罚保证了：即使 50% 的验证者都离线了，系统也会在 21 天后重新开始敲定区块。

罚没条件

罚没条件主要有三个，分别是：双重提议、FFG 双重投票，FFG 环绕投票。LMD GHOST 投票是不会招致罚没的。

双重提议是指区块提议者于所在时隙提议了多于一个区块。

双重投票是指验证者在提交 FFG 投票时，多个投票指向同一个目标检查点，但引用的来源检查点却各不相同。

环绕投票指的是验证者在提交 FFG 投票时，多个投票所指向的检查点 恰成环绕形状。举个例子，假定一位验证者在时段 5 投票时，以时隙 32 的区块为来源检查点，以时隙 128 的区块为目标检查点：

如果该验证者在时段 6 的投票以时隙 64 的区块为来源检查点，以时隙 96 的区块为目标检查点，那么该票就被 TA 自己在时段 5 的投票给包围（环绕）起来了。

如果该验证者在时段 6 的投票以时隙 0 的区块为来源检查点，以时隙 160 的区块为目标检查点，则该投票把 TA 自己在时段 5 的投票给包围起来了。

如果这位验证者在时段 6 又给时隙 128 的区块投票，除非其来源检查点仍是时隙 32 的区块，否则就成了双重投票，也会被罚没。相同的 FFG 投票倒是不会被罚没的。

拥有相同来源检查点的 FFG 投票也不会招致罚没。这是维持网络活性的重要条件。举个例子，如果两条分叉链各自都有 50% 的验证者余额支持，协议应该鼓励验证者通过投票给相同来源检查点、不同目标检查点，在分叉间切换（而不是惩罚他们切换分叉，这样会导致网络继续分裂）。能够安全地在分叉间切换，验证者们就能打破僵局，尝试形成 2/3 的多数。

检举他人的验证者需要在见证消息中纳入相互冲突的投票，以证明另一个验证者应该受到惩罚。要高效地从一长段历史中找出相互冲突的投票，在算法和数据结构上也是一种挑战。因此，开放工程挑战·罚没探测器也在寻找贡献者。

得到良好控制的验证者一般是可以避免被罚没的：只需记得自己曾经签名过哪些见证消息就好。诚实的验证者也不会因为其它验证者的行为而受到波及。只要验证者不签名相互冲突的见证消息，不作出双重提议，就不会被罚没。

为得到更好的运行体验、更值得信任的信息来源，乃至更好的 DoS 保护，验证者客户端可能会同时使用多个信标链节点。在这种模式中，包括使用备份的验证者客户端的时候，需要小心不要让验证者签署相互冲突的消息。

信标链验证者激活及生命周期

每一个想成为验证者的用户都要先有 32 ETH 才能获得验证者资格。用户质押 32 ETH 到以太坊主网上的保证金合约中，就能获得一个验证者资格。

另一方面，信标链也会劝退（反激活）所有余额降低到 16ETH 的验证者；质押用户可以取出剩余的验证者余额，不过在 Eth2 Phase 0 还做不到。

验证者在服务 2048 个时段（约 9 天）之后也可以主动退出。退出时要先走完 4 个时段，质押用户才能取出自己的权益。在这 4 个时段内，该验证者的余额仍然是可以被罚没的。因此，诚实验证者的余额可以在约 27 小时之后取出。但是，如果验证者在此时被罚没，就只有再等 8192 个时段（约 36 天）之后才能取出剩余款项。

更多技术细节可看《以太坊 2.0 Phase 0 验证者生命周期》。下图亦来自这份资料：

为避免验证者集合在短时间内出现大规模的变动，单个时段内能激活和退出的验证者数量是有一个机制限制的。这样可以让激活许多验证者、快速攻击系统的攻击更难发动。

信标链还使用了一个叫做 “有效余额” 的概念，这个有效余额回避验证者余额的变化更小，使得技术上的最优化成为可能。

总结

在每一个时段，验证者都被均匀分配到不同时隙中，并进一步划分成相同规模的委员会。验证者只有 1 个应召的时隙，也只会存在于 1 个委员会中。因此：

一个时段中的所有验证者，通过集体决策尝试敲定某个检查点；方法是 FFG 投票；

各时隙中的所有验证者，通过集体决策尝试选出信标链的顶端区块：方法是 LMD GHOST 投票；

一个委员会中的所有验证者，通过集体投票尝试将某个分片交联到信标链上。

最符合协议的行为可以得到最多的奖励。

信标链的启动（创世块）需要至少 16484 名验证者。验证者的数量会因为罚没及资源退出而减少，也会因为质押用户的投入增加而增加。而且，随着 Eth2 Pahse 1 及后续阶段的升级，预计会有更多验证者参与进来。信标链需要至少 262144 名验证者（质押的 ETH 数量超过 800 万）才能使得单个信标链区块能包含 64 个交联。

我们还从未拥有过一个 去中心化 系统和应用的可扩展平台。如果你想更深入地研究以太坊 2.0，权威的参考来源是 Ethereum 2.0 Specifications。该技术规范包含了信标链技术规范，还提供了其它关键信息源，而且提交 issue 可以获得奖金。当前，最紧迫的 工程需要是点对点网络的组网功能。