干貨 | 以太坊分片：overview and finality_LAT

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在EthereumCasper101中，JonChoi對Casper做了一個很棒很清晰的綜述，并解釋了為什么顯式最終確定性對于可擴展性大有裨益。本文旨在給出一個以太坊分片的設計概覽，并闡釋顯式最終確定性如何有助于區塊鏈分片。為了完全理解以太坊分片機制提案的技術規范，我強烈推薦深入研究Vitalik寫的shardingdoc.區塊鏈可擴展性問題

不斷增長的交易。目前的塊生成過程導致可擴展性受限。區塊的gaslimit束縛了區塊的計算容量。無論是提高區塊的gas上限，還是大大降低區塊時間，都會導致高陳腐率，并削弱網絡對抗攻擊的能力。并行不足。首先，現有的EVM按先后順序依次處理交易。其次，出于安全和去中心化的考慮，每個全節點會執行每一筆交易，并存儲整個的狀態樹。進階閱讀：并行執行交易EIP648?—?Easyparallelizability術語

首先，讓我們來看一下在主鏈和分片鏈上不同層次的對象區別：

-表格1.術語-可以簡單地這么認為，交易都會被裝入“collation”。與區塊類似，一個collation也會指向它在鏈上的parentcollation。成為一個“collator”，就意味著你有資格在POS分片鏈上提名一個新的collation。

說唱歌手Lil Tay死亡的虛假消息引發了BNB Chain上出現名為“LilTay”的非官方加密代幣:金色財經報道，關于網絡名人14歲說唱歌手Lil Tay死亡的虛假報道引發了BNB Chain上名為“LilTay”的非官方加密代幣的出現。該代幣的推出恰逢其前經理Harry Tsang開發基于以太坊的“Liltay代幣”。LilTay代幣的BNB Chain版本的供應量有限，僅超過100個代幣，且尚未進行交易。盡管圍繞該代幣背后的團隊存在不同的猜測，但一些人認為，機會主義的加密貨幣愛好者可能試圖利用圍繞所謂死亡的媒體炒作或向這位年輕的影響者致敬。

與此同時，Tsang聲稱即將推出的以太坊代幣與BNB Chain版本無關。目前還不清楚Lil Tay本人是否參與了以太坊代幣。然而，在假死丑聞發生前幾個月，該項目的Twitter賬戶就一直在分享開發動態。

上周，Lil Tay（真名Tay Tien）的官方Instagram賬戶發布了一篇帖子，聲稱她和她的兄弟一起去世，現已刪除。她隨后向TMZ發表聲明，澄清她和她的兄弟還活著并且安然無恙，并將錯誤信息歸因于第三方對她Instagram帳戶的入侵。[2023/8/12 16:22:22]

-圖片1.Collation基本數據結構一瞥-基本的二次分片

DBS Digital Exchange CEO：中心化交易所將繼續存在，但需要通過隔離資產重建信任:金色財經報道，DBS Digital Exchange CEO Lionel Lim表示，雖然FTX的崩潰動搖了人們對中心化交易所的信心，但這不是區塊鏈技術的失敗，而是風險管理和公司治理不善的結果；隨著CEXs的成熟度和機構采用率的提高，CEXs將作為進入資產類別的關鍵切入點發揮巨大的影響力，根據Defi Llama的數據，截至2023年5月中旬，CEX的總交易量幾乎占中心化和去中心化交易所所有交易的90%。盡管去年投資者信心受挫，但CEX的前景依然明朗；CEX將托管、交易、投資產品、咨詢和高效的法幣進出坡道等管理數字資產組合的解決方案集成到一個平臺中，大大降低了擁有和管理不同區塊鏈原生代幣的技術復雜性；安全保障也是其優勢，根據Chainalysis的數據，2022年黑客竊取的所有加密貨幣中有18%來自CEX，其余82%是來自去中心化Dapp。同時，LionelLim指出，CEX需要通過隔離資產重建信任，因為客戶和公司資產的分離是未來監管框架中需要解決的關鍵。[2023/6/7 21:20:34]

分片鏈的共識依賴于主鏈

與側鏈類似，collation只有一小部分的證明必須記錄在主鏈上--這也是我們如何擴展區塊鏈的基本想法：分片鏈上的交易處于自己獨立的空間中，分片驗證人只需要驗證他們所關注的分片。分片鏈也通過POS機制依附于主鏈，以獲得更高層次的共識。驗證人管理員合約

Bitfinex宣布上線Tenet（TEN）:5月25日消息，據官方公告，Bitfinex宣布上線Tenet Blockchain的基礎代幣Tenet（TEN）。Bitfinex于UTC時間5月24日12點左右開放Tenet充值。Tenet的交易于UTC時間5月25日8點左右開放，提供USD和USDT交易對。[2023/5/25 10:39:16]

為了將分片鏈加入到主鏈中，在主鏈上需要有一個叫做驗證人管理員合約的特殊合約。VMC是這個分片機制的核心。VMC的目的可以概括如下：權益證明系統。如果驗證者表現不端，其權益將會被剝削。偽隨機采樣。通過將當前塊哈希作為種子，采樣出合格的collator。基本上，驗證者將它們的保證金存入VMC，然后他們的驗證代碼地址將會被記錄在一個VMC內部的全局驗證人列表。系統將會從驗證人列表中采樣出一個分片鏈的驗證人，并將其指定為指定“時期”內，指定分片的驗證人。這種方式使得驗證者無法提前預測他們何時會成為驗證者，也無法預測會成為哪個分片的驗證人。Collationheader驗證。VMC有一個addHeader(bytescollationHeader)函數，該函數用=來驗證collationheader，并記錄有效的collationheaderhash。這個函數提供了即時的鏈上驗證。跨分片通信。利用UTXO模型，并通過在主鏈上進行交易和創建一個receipt，用戶可以將以太存入一個指定分片。分片鏈上的用戶可以給定receiptID創建一個消費receipt的交易，來花費該receipt。鏈上治理。將VMC作為議會，使得驗證人可以在鏈上進行投票。如何在分片內提名Collation？

主流交易平臺ETH資金費率全部轉負，整體達14個月內最低值:9月14日消息，Coinglass數據顯示，隨著以太坊合并的臨近，主流交易平臺ETH資金費率多數轉負，整體達14個月內最低值，其中Binance為-0.11%，FTX為-0.1616%，Okex為-0.177%。

“資金費率”是衡量以太坊期貨市場交易者相互交換的定期費用指標。當該指標值為負，意味著空頭交易者正在向多頭交易者支付溢價以保持其頭寸，通常暗示看跌情緒在市場中占據更為主導的地位；當該指標為正，意味著目前多頭壓倒空頭，表明大多數人情緒是看漲的。數據顯示，目前該指標已觸及2021年7月（大約14個月前）以來的最低點，而且是高度負值，這可能導致空頭擠壓。[2022/9/14 13:28:33]

在階段1，VMC將會維護100個分片。每個分片并行執行，分片i的客戶端只需要驗證分片i上的交易。“時期”被定義為一個區塊時間的準備窗口，比如PERIOD_LENGTH=5意味著每個周期有5個塊。這表明在每個周期內，對于每個分片只有不超過1個有效的collation。

-圖片2(a).二次分片。分片狀態的證明將被記錄在主鏈VMC上。-一旦驗證人被采樣為合格的collator來提案一個新的collation，collator必須對最近的collation進行驗證，并發送一筆交易來調用addHeader函數。注意，如果collator周期10被采樣到提交一個新的collation，這意味著addHeader交易必須被包含在周期10里面，也就是說，交易必須在區塊號10*PERIOD_LENGTH到區塊號(10+1)*PERIOD_LENGTH-1之間.

肯尼亞：比特幣區塊鏈啟發選舉機構開發透明投票系統:金色財經報道，肯尼亞稱，比特幣區塊鏈啟發選舉機構開發透明投票系統。（福布斯）[2022/8/12 12:21:15]

-圖片2(b).對于一個片來說，一個period只有一個collation；一個區塊可以包含不同片的多個addHeader交易-collationheaderhash必須被記錄在VMC上，以證明它的header全局有效。此外，分片的所有其他驗證人必須時刻檢測VMC以獲得最新狀態，然后驗證交易是否也有效。分片鏈的分叉選擇規則

在基本分片中，分叉選擇規則依賴于最長主鏈。給定一個分片，它的有效headcollation不是簡單的“最長有效分片鏈”的headcollation，而是“在最長有效主鏈里面的最長有效分片鏈”。Figure3(a)中有個例子，主鏈上有兩個分叉，在下圖中第二條鏈是最長有效主鏈。因為blockB3是headblock，很容易看出collationC3是headcollation。

-圖片3(a)-然后Figure3(b)中blockB3'到了。假設blockB3的得分高于blockB3'，那么上面的鏈仍然是最長主鏈：

-圖片3(b)-最后Figure3(c)到了block4。注意到，對于這個分片，雖然collationC3的得分比collationC2更高，但是下方的鏈是最長有效主鏈，所有現在collationC2是headcollation：

-圖片3(c)-更多內容：另一個設計--VladZamfir的shardedforkchoicerule

-一個精巧的設計，保證區塊鏈可以在它們被最終化(finalized)之前原子化-可擴展性與安全性之權衡對于去中心化，可擴展性和安全性這三個屬性，區塊鏈系統最多只能三選其二。—BlockchainTrilemmainShardingFAQ出于對系統安全的保證導致了可擴展性受限3。當為了提高TPS將交易分配到各分片的同時，我們隨之也減少了每筆交易的計算資源。分片的其中一個重要機制就是，如何在鏈上生成隨機數。collator被選中的幾率，應該僅與驗證者的保證金相關，且成比例。如果驗證人能夠預測，或是任意選擇他們想要參與的分片，那么不誠實的驗證人既可以相互共謀，展開一個適應性攻擊。如果采樣不能以較高的隨機性進行選擇，那么攻擊者很可能在分片中展開1%攻擊：如果有100個分片，攻擊者可以專注于攻擊某一個分片，他們只需要1%的hashrate(POW)/deposit(POS)就可以控制分片.

-圖片4.傳統的多數攻擊-

-圖片5.分片上的1%攻擊-分片的區塊鏈顯式最終確定性隱式最終確定性v.s.顯式最終確定性

首先，我必須聲明，分片機制應該同時能夠應用于POW與POS的鏈。即使如此，顯式最終確定性這個小物件也跟Casper一樣，可以使得分片更加健壯。在一般的POW鏈中，最終確定性是概率性，隱式的。簡單來說，即使區塊獲得了數以千次的確認，仍有可能對鏈進行重寫。相反，將CaspertheFriendlyFinalityGadget(“FFG”)加密經濟機制應用于POS，顯式地在協議內強制保證對我們來說，是否是最終確定(we-can-check-if-its-finalized-for-us)。協議內顯式最終確定性閾值有個經濟風險：它在2/3+1和1/3+1之間創造了一個理想的卡特爾大小。相應地，任何不在2/3+1同盟節點，其最終確定性的邊際貢獻就將為0。主鏈最終確定性依賴

在基本分片中，分片鏈錨定與主鏈之上。對于分片驗證人，我們希望分片，區塊鏈容量在階段1擴容100倍，因此這100個分片的所有驗證人，都將需要監測VMC狀態來獲得正確有效的headcollation。對于驗證人來說，重要的一點是，要盡快確信他們是否是collator。對于普通用戶而言，如果我們在階段2應用跨分片交易，普通用戶也將需要在VMC上檢索他們的保證金信息。顯式最終確定性，將會有助于緩解主鏈與大量分片鏈之間同步的不確定性。顯式最終確定性有助于無狀態客戶端

無狀態客戶端的基本原則是，它不存儲整個狀態樹，相反，無狀態客戶端只存儲狀態樹根。歸檔客戶端存儲整個狀態樹，并提供給定collation所需的Merkle分支。有了這些Merkle分支，無狀態客戶端就能夠構建部分的狀態樹，并驗證collation。一旦完成驗證人采樣并再混洗，就會立刻觸發同步。有了無狀態客戶端機制，再混洗的成本低至0，因為它們只需要驗證最新的collation來同步分片。

-圖片6.無狀態客戶端模型Figure6.Statelessclientmodel-因為同步過程可能非常快，無狀態客戶端模型就可能在每個collation之間再混洗成。這不僅會減輕存儲壓力和開銷，也會使系統更安全，因為頻繁采樣能夠獲得適應性攻擊的抵抗能力。CasperFFG將會提供顯式最終確定性閾值afterabout2.5“epochtimes”，也就是說，125個區塊時間。如果在再混洗期間，驗證人能夠驗證超過125/PERIOD_LENGTH=25collation，分片系統能夠從顯式最終確定性中受益，確信從現在起的前25個collation可以最終確定。當然了，如果在同步時有更多collation得到驗證，就會更加安全。結束語

希望我已經對當前以太坊的分片設計概念作出了簡單介紹，以及顯式最終確定性如何有益于分片機制。如果想要深入了解協議設計，請訪問ETHResear.ch和shardingdoc。如有任何錯誤，或是表述不清，歡迎指正！特別感謝VitalikButerin的杰出工作，JonChoi督促我寫下這篇文章，Dr.Chang-WuChen修繕，BrianChen給予反饋以及VladZamfir的分享。

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