以太坊 Casper FFG 机制

Dora Dōjo
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Dora Dōjo Workshop
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以太坊 Gasper 协议是 Casper the Friendly Finality Gadget (Casper-FFG) 和 LMD-GHOST 分叉选择算法的组合，他们共同构成了确保以太坊权益证明的共识机制。 Casper 是区块链“最终确定”的机制，以便网络中的新参与者可以确信他们同步的链是正确合法的；分叉选择算法使用「累积投票」来确保节点在区块链中出现分叉时能够轻松选择正确的分叉；本课题旨在探究 Casper FFG 投票共识过程，包括委员会选举、出块人选举、委员会投票、区块广播等部分，细致拆解 PoS 以太坊的出块流程。关于 LMD-GHOST 分叉选择算法将在下期展开。

一、最终性 FINALITY

最终性是 PoS 以太坊区块链的一个属性，Finalized 的区块中的信息可以认为是区块链确定的，新加入网络的节点可以确信该区块的信息，并可以选择从该区块开始进行同步，而不必要从创世区块开始。除非网络出现严重的共识失败，或攻击者掌握了至少 1/3 的质押以太币，否则一旦 Finalized 的区块是没有办法回滚的。

区块必须经过两个步骤才能最终确定：

  1. 质押以太币总数的三分之二必须投票赞成将该区块接入合法链，一旦满足那么该区块就被 "justified” 。Justified 的块在一般情况下不太可能被会滚，可以视为只是 “预确认” 。
  2. 当另一个 justified 的块接在一个已经 justified 的区块后时，前一个块就被 “最终确定” 了。Finalized 的区块可以视为最终确认了，除非攻击者销毁数百万以太币（数十亿美元），否则无法造成回滚。

上述投票确定最终性不会在每个 slot 中发生，而是指发生在检查点（checkpoints）处，这意味着只有 epoch 边界的区块才能被证明和最终确定。在以太坊中每个 slot 为12秒，一个 epoch 为 32 个 slots，一共是 6.4 分钟。

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二、检查点 checkpoint

检查点指的是每个 epoch 中的第一个 slot 中的区块，如果当前 slot 不存在区块，则检查点是前一个最近的块。 每个 epoch 必须有检查点区块，一个区块可以是多个 epoch 的检查点。如下图所示：

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三、委员会和断言

区块提议者（Proposer）是被伪随机选择来构建区块的验证器。大多数时候，验证器是对区块进行投票的断言者（Attesters）。 这些投票记录在信标链中，并确定信标链的头部。

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在每个 epoch 开始前，提议者和委员会都会伪随机选出并分配到一个 slot 。由提议者打包交易生成区块，先交由委员会进行投票，之后随区块广播到其他验证器。断言（Attestation）是验证器的投票，由验证器质押的以太坊加权。正确进行断言的验证器获得奖励，验证器之间互相监督，举报其他投票冲突或提出多个区块的验证者而获得奖励。离线的提议者会错过区块提议的机会，无法获得出块奖励。

3.1 断言

检查点间距是可以根据网络状况进行调整的。我们可以选择任意常数 C 作为 “检查点间距”，该参数决定了两个检查点之间间隔多少区块。举个例子，如果 C = 100，那就表示检查点会在区块高度 0、100、200、300、400 …… 上建立。然后，所有节点也要投票下一个 “合理化（justified）” 的检查点。见证者不是一次只投票一个区块，而是投票一对检查点 (s, t) ，其中 s 代表之前已经合理化的检查点，称为 “来源（source）” ；t 代表见证者希望它合理化的检查点，称为 “目标（target）”。一旦某一对检查点 (s, t) 获得以押金计算的 2/3 多数票同意，t 就会变成一个新的合理化的检查点。下图展示了一棵作为示例的检查点树。

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并不是每发生 100 个区块就必然得到一个合理化的检查点，因为投票可能无法达成多数。举个例子，假设在区块高度 200 时，两个检查点分别获得了 50% 的票数。因为在同一时段中投票两次会被罚没，所以除非某些见证者被罚没，否则系统就会 “卡” 在这里。解决方案是大家 “跳过” 区块高度 200 的这个检查点，在区块高度 300 时 “再次尝试”。

3.2 大量签名带来的问题

原则上为了保证足够的去中心化，Validator 肯定是越多越好。上海升级以后优化了 Validator 的退出政策，使得 Validator 的进出更加平衡，数量上也更加稳定。鉴于 Validator 数量有几百 K ，Casper FFG 为了保证投票有序逻辑进行，将所有的 Validator 平均分布到一个 Epoch 中，也就是说一个 Epoch 每个 Validator 只有一次投票机会。每个 Epoch 被划分成 32 个 slot，每个 slot 又再次被划分成 128 个 committee ，committee 才是统计票数的基本单位，因为Validator 的数量一直在变化，但 committee 可以固定。

设想一下，每个 slot 会产生 56万/32 = 1.8 万个签名，假如每个签名 96 个字节，那么每个 slot 需要1.68M 来缓存投票签名，等到区块被确认之前需要缓存 107M 的签名数据，况且还有其它另外两个元素的数据。这就是大量的 Validator 带来的存储问题，同样也会带来计算问题，verifier 如果对每一个 Validator 的投票都进行一次验证，每个 slot 中的每个 verifier 都要对收到的 1.75 万份签名进行验证，是相当大的工作量。上述问题通过 BLS 签名得以解决。

四、奖励和惩罚

Casper 协议同时设定了断言的奖励和断言失败的惩罚。

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  • Reward (except priority fee & MEV)
    • Attestation rewards (LMD GHOST & FFG votes):
      • head vote（14/64）: 每个验证者在一个 epoch 内需要完成一次投票，选出信标链头；
      • source vote（14/64）: the validator has made a timely vote for the correct source checkpoint;
      • target vote（26/64）: the validator has made a timely vote for the correct target checkpoint;
    • Sync Committee（2/64）：验证器参与同步委员会；
    • Proposal（8/64）：平均 2 个月一次，当被随机分配出块权时，需要按照要求出块。
    • Slashing reward：极少见，此处不考虑；
  • Penaltyhttps://docs.rocketpool.net/guides/node/responsibilities.html
    • 错过 target/source votes 将会被惩罚和奖励同等数量的 ETH ；
    • 错过 Head vote 没有惩罚，但也得不到奖励；
    • 错过出块提案，不会收到惩罚，但也得不到奖励；
    • 没有同步委员会会受到惩罚，如果整个同步过程都离线会惩罚 0.1 ETH；
    • 不按时投票但没有错过投票的情况，没有惩罚，只是无法得到「及时投票」的奖励

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  • SlashingProof-of-stake rewards and penalties | ethereum.org
    • Three ways of slashing
      • Being a proposer and signing two different beacon blocks for the same slot
      • Being an attester and signing an attestation that “surrounds” another one
      • Being an attester and signing two different attestations having the same target
    • Slashing machanism
      • Initial penalty:
        • 1/32 of the staked ether (maximum of 1 ether) is immediately burned, then a 36 day removal period begins
      • correlation penalty:
        • penalty scales with the total staked ETH of all slashed validators in the 36 days prior to the slashing event, all ETH may be wiped out in extreme situations.
  • Inactivity leak
    • Aim: create the conditions required for the chain to recover finality
    • How to activated?
      • If the consensus layer has gone more than four epochs without finalizing
    • Mechanism:
      • The inactivity leak lets the stake belonging to the inactive validators gradually bleed away until they control less than 1/3 of the total stake, allowing the remaining active validators finalize the chain.

参考

Gasper：Gasper | ethereum.org

Casper FFG Paper：https://arxiv.org/pdf/2003.03052.pdf

Beacon Chain：The Beacon Chain Ethereum 2.0 explainer you need to read first | ethos.dev

https://web3caff.com/zh/archives/40891（推荐）

https://ethos.dev/beacon-chain（英文）