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)
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)過改良的共識協(xié)議，它雖然被設(shè)計得很簡潔（Simple），但其對安全性的證明卻不簡單（Easy）。
筆者將于本文解析 Casper FFG 的原理，讀者可以一窺權(quán)益證明共識所嘗試解決的問題及其設(shè)計理念。此外，Casper FFG 是以太坊 2.0 的共識機制，理解其運作也能幫助研究員與開發(fā)者進一步理解以太坊 2.0 的設(shè)計。
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，沒有他的協(xié)助便不會有這篇文章的誕生。
Casper FFG 是怎么開始的？
以太坊對權(quán)益證明（Proof-of-Stake, PoS）的研究最早可追溯至 2014 年的這篇文章。從此之后，以太坊研究員們便一直朝「實現(xiàn)基于 PoS 的共識協(xié)議」此一目標(biāo)前進。PoS 共識的設(shè)計是一個跨領(lǐng)域且相當(dāng)復(fù)雜的問題，其包含計算機科學(xué)/經(jīng)濟學(xué)/密碼學(xué)等方面。以太坊擁有區(qū)塊鏈生態(tài)系中最跨領(lǐng)域的團隊，對 PoS 的研究可以說是相當(dāng)透徹。
筆者于日前翻譯了一篇關(guān)于 Casper FFG 發(fā)展脈絡(luò)的重要文獻：
Casper FFG 與 Casper CBC 的瑜亮情結(jié)
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，同時添加新的機制與簡化若干規(guī)則。若讀者對 PBFT 感到陌生，可以參考筆者日前針對 PBFT 的解析文：
若想搞懂區(qū)塊鏈就不能忽視的經(jīng)典：PBFT
簡而言之，PBFT 是一個具有二輪投票機制的共識協(xié)議，且具有下列特性：
許可制的（Permissioned）：只有被「允許」的節(jié)點能參與共識。
基于領(lǐng)袖的（Leader-based）：只由主導(dǎo)節(jié)點負(fù)責(zé)「提案」(Propose)，其他節(jié)點只負(fù)責(zé)投票，因此需要視域變換(View Change)機制來節(jié)制不誠實的主導(dǎo)節(jié)點。
基于通訊的（Communication-based）：使用決定性的(Deterministic)多數(shù)決來形成共識，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）：無論網(wǎng)絡(luò)是否延遲，協(xié)議都能保證共識的安全性(即不分叉)，這賦予協(xié)議的特性。
其中 PBFT 所具備的即時敲定性，或許是其受到 Vitalik 青睞的主要原因。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 雖然具有即時敲定性，但并不具有抵抗共謀的能力，因此需要一個懲罰機制來遏止作惡的行為，只要節(jié)點做出逾越規(guī)則的行為，便必須承受經(jīng)濟損失——透過經(jīng)濟學(xué)法則來調(diào)節(jié)節(jié)點的行為正是 PoS 的設(shè)計理念。任何支付押金的節(jié)點，都可以加入網(wǎng)絡(luò)參與共識，無需任何人的許可，因此基于 PoS 模型的共識都是非許可制的（Permissionless）。
在這里要澄清一下「許可」這件事。我們會說他「非許可制」，是因為任何驗證節(jié)點可以加入和退出。但如果在他加入的時候，鏈要維持一個驗證節(jié)點清單，從這個角度看又有點是「許可制」。從 PBFT 的角度看，投票的驗證節(jié)點也必須從許可的清單中挑選。
那么下一個問題是：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）便能確保共識運作良好：最少的砍押金條件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)點的預(yù)備訊息后才能提交。2.預(yù)備(prepare_req)：每個預(yù)備訊息只能指向某個也具有2/3節(jié)點預(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)：不能在同一個高度送出兩次預(yù)備。
這 4 條規(guī)則可以進一步簡化為 2 條：
某驗證節(jié)點v必不可發(fā)出兩個相異的投票：<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)驗證節(jié)點必不可對某高度發(fā)出兩個相異投票。2.h(s1)
這 2 條規(guī)則便是 Casper FFG 的最少砍押金條件。
Casper FFG 如何運作？
-Casper FFG: 檢查點樹-Casper FFG 是一個將出塊機制（Block Proposing Mechanism）抽象化的覆蓋鏈（Overlay），只負(fù)責(zé)形成共識。出塊機制由底層鏈實現(xiàn)，而來自底層鏈的出塊（Block Proposal）稱為檢查點（Checkpoints）。檢查點組成檢查點樹（Checkpoint Tree），例如：把高度為 0、50、100、150 的區(qū)塊哈希值取出，形成一棵新的樹，如上圖所示。最底部的檢查點則稱為根檢查點（Root）。每個節(jié)點都必須對檢查點送出投票（Vote），投票的內(nèi)容是由兩個不同高度的檢查點組成的連結(jié)（Link），連結(jié)的起點高度較低，稱為源頭（Source）；連結(jié)的終點高度較高，稱為目標(biāo)（Target）。
節(jié)點會將投票廣播到網(wǎng)絡(luò)中，并同時收集來自其他節(jié)點的投票。其中若投票給某連結(jié) L 的節(jié)點押金總和超過全部押金的 2/3，則稱 L 為絕對多數(shù)連結(jié)（Supermajority Link），以 s → t 表示。例如上圖中，b1 / b2 / b3 之間都形成了絕對多數(shù)連結(jié)，分別以 b1 → b2、b2 → b3 表示。由根檢查點開始，若兩個檢查點之間形成絕對多數(shù)連結(jié)，則該連結(jié)的目標(biāo)進入「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，則進入「已敲定」（Finalized）狀態(tài)；根檢查點則預(yù)設(shè)為「已證成」及「已敲定」?fàn)顟B(tài)。
由此可知，每個檢查點在經(jīng)過兩次投票后，會先「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)。那么驗證節(jié)點該對哪些檢查點建立連結(jié)？每個節(jié)點都必須遵循分叉選擇規(guī)則（Fork Choice Rule）來選擇下一個要連接的檢查點，Casper FFG 的規(guī)則是：選擇最高的「已證成」?fàn)顟B(tài)的檢查點。
-Casper FFG: 驗證節(jié)點集合的大幅變化引起的分叉-由于 Casper FFG 能讓任何存入押金的節(jié)點成為驗證節(jié)點，因此驗證節(jié)點集合（Validator Set）會動態(tài)地隨著時間變化。節(jié)點從退出網(wǎng)絡(luò)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）。每個檢查點 C 都有其對應(yīng)的朝代數(shù)（Dynasty），其定義為：從根檢查點開始至 C 為止的已敲定檢查點數(shù)量，例如上圖中，b3 的朝代數(shù)為 3。每一代檢查點都對應(yīng)兩種驗證節(jié)點集合：前端（Front）驗證節(jié)點集合（包含于此代加入的節(jié)點）以及后端（Rear）驗證節(jié)點集合（包含于此代退出的節(jié)點）。
理論上每代檢查點的前端/后端集合會高度重復(fù)，但難保節(jié)點共謀造成前端/后端集合的大幅變化，若此情形發(fā)生，則出錯時可能會砍不到壞節(jié)點的押金(因為壞節(jié)點已退出)導(dǎo)致安全性受到威脅。例如上圖中，驗證節(jié)點 A 可以退出，代表對 C' 分叉(綠色)來說 A 退出了，可是對 C 分叉(紫色)來說， A 卻從來沒退出過。因此 A 有辦法繼續(xù)投舊鏈 C，但新鏈 C' 砍不到 A 的押金(因為已退出)。
為了讓每代檢查點在出錯時都能確實歸責(zé)，因此需要縫合機制（Stitching Mechanism）將檢查點的前端/后端集合「縫」起來，確保每個錯誤都必定能歸責(zé)（出錯的可能是前端集合或者后端集合）。綜合以上，Casper FFG 幾乎針對 PBFT 的所有方面都做出改進：
經(jīng)濟上的制約：PBFT 是許可制的，它仰賴原本就存在信任基礎(chǔ)的組織共同運行協(xié)議;Casper FFG 則是非許可制的，它引入最少砍押金條件，利用經(jīng)濟損失的風(fēng)險來制約節(jié)點的行為，節(jié)點之間不需要任何信任基礎(chǔ)也能共同運行協(xié)議，實現(xiàn)真正的去中心化。
抽象的出塊機制：PBFT 仰賴誠實的主導(dǎo)節(jié)點產(chǎn)生區(qū)塊并需要視域變換機制節(jié)制拜占庭節(jié)點;Casper FFG 無需理會底層的出塊機制，只需負(fù)責(zé)形成共識。出塊抽象的好處是：底層鏈的出塊頻率不必與覆蓋鏈的共識頻率一致，如此可以增加效率并降低網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)。例如：每 100 個底層區(qū)塊只產(chǎn)生 1 個檢查點。
流水線化的投票：PBFT 具有 < Prepare >、< Commit >、< View-change > 等數(shù)種投票訊息；Casper FFG 僅有 < Vote > 一種，且投票的內(nèi)容并不是單一的區(qū)塊/請求，而是兩個形成連結(jié)的檢查點，這使 Casper FFG 能夠在不犧牲太多表達(dá)力的前提下變得簡潔許多。這些形成鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的檢查點，會于兩個不同高度分別經(jīng)歷兩輪投票，由于每一輪投票都會敲定源頭與證成目標(biāo)，因此共識能如流水線（Pipeline）般不斷推進。相似的設(shè)計理念也出現(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，其相似程度可見一斑。
這些形成鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的檢查點，會于兩個不同高度分別經(jīng)歷兩輪投票，由于每一輪投票都會源頭與目標(biāo)，因此共識能如流水線(Pipeline)般不斷推進。相似的設(shè)計理念也出現(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，其相似程度可見一斑。
強健的抗攻擊性：PBFT 不具備對遠(yuǎn)程攻擊（Long-range Attack）以及災(zāi)難性崩潰（Catastrophic Crash）的抗性；Casper FFG 則具有特別的機制來防御這兩種攻擊：針對遠(yuǎn)程攻擊，節(jié)點必須定期同步區(qū)塊及禁止回朔（Revert）已敲定的區(qū)塊；針對災(zāi)難性崩潰，Casper FFG 則引入「離線溢金」（Inactivity Leak）機制來應(yīng)對。關(guān)于這兩種攻擊的說明，筆者將于日后另撰文論述。
由于 Casper FFG 相當(dāng)簡潔，以太坊研究員一度實現(xiàn)了合約版本的 Casper FFG：ethereum/casper然而，這個合約版的 Casper FFG 后來被棄用了!在合約版中原本假設(shè)投票能夠被并行處理，但在計算投票報酬有很多中間狀態(tài)，不同投票處理的先后順序?qū)绊懽詈蟮玫降臓顟B(tài)，這代表并行化將無法達(dá)成共識。而要修正這個問題則必須要在合約與客戶端做大量修改，失去了「邏輯用合約實現(xiàn)，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磅礴登場了。
以太坊2.0 中的 Casper FFG
-以太坊 2.0: 分片-以太坊 2.0 是一個基于 EVM 并整合 Casper FFG 與眾多優(yōu)化提案(以分片為主)的分布式帳本。以太坊 2.0 除了想實現(xiàn) PoS，還試圖將每秒交易數(shù)(TPS)擴展到 10000 筆的量級，使區(qū)塊鏈成為如網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)一般的基礎(chǔ)設(shè)施(Infrastructure)，并且讓任何存入 32 個以太幣的押金的節(jié)點都能成為驗證節(jié)點。
分片（Sharding）即是為了增加可擴展性（Scalability）的重要設(shè)計，也是以太坊 2.0 最重要的目標(biāo)。分片就是分工合作，我們可以用一個簡單的例子來說明分片的概念（實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 題再合起來一定比 2 人都各寫完 2 題來得更有效率。目前的以太坊只有 1 條區(qū)塊鏈，所有節(jié)點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)絡(luò)會分成 1024個片（Shard），每片分別運行 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）。
因此，以太坊 2.0 預(yù)計會有 1 條信標(biāo)鏈以及 1024 條分片鏈。值得注意的是：片是一個抽象層，并不特指某一群節(jié)點。為了更了解這個概念，筆者擴充一下上文的例子：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 個片，還會有 1024 個持續(xù)委員會（Persistent Committee）與 1024 個交聯(lián)委員會（Crosslink Committee）：
每個片都會對應(yīng) 1 個持續(xù)委員會與 1 個交聯(lián)委員會，如同上例中每個題目可以依照讀/寫的步驟來對應(yīng)不同的個體。
使用鏈上隨機數(shù)（On-chain Random Number）決定各委員會的分派，如同上例中依照讀/寫的快/慢來分派題目(關(guān)于鏈上隨機數(shù)的實現(xiàn)細(xì)節(jié)留待筆者日后詳述)。
持續(xù)委員會負(fù)責(zé)維護分片鏈與產(chǎn)生分片區(qū)塊（Shard Block）、交聯(lián)委員會負(fù)責(zé)維護信標(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（Block Proposer）也交由鏈上隨機數(shù)決定。
換句話說，每個驗證節(jié)點都需維護 1 條唯一的信標(biāo)鏈及 1 條所屬片的分片鏈，也都會隸屬于與該分片對應(yīng)之 1 個交聯(lián)委員會與 1 個持續(xù)委員會。Casper FFG 是運行于以太坊 2.0 之上的覆蓋鏈，這個覆蓋鏈同樣由檢查點構(gòu)成，各檢查點之間的跨度稱為時期（Epoch），1 個時期（Epoch）切成 64 個時段（Slot ），每個時段對應(yīng) 16 個片（16 = 1024 ÷ 64），因此每片在每時期中都有對應(yīng)的時段，并只能在輪到自己時才廣播其對檢查點的投票，且每分片只能 1 個時段中投出 1 票——也就是說，各分片需要先對投票內(nèi)容形成共識，不過各片內(nèi)部形成共識的方法仍尚未定論，近期最新的提案是使用聚合簽名。
另外，Casper FFG 在以太坊 2.0 中的分叉選擇規(guī)則是最新消息驅(qū)動GHOST（Latest-Message Driven GHOST, LMD GHOST）。理論上，Casper FFG 于每個檢查點的投票應(yīng)該要與底層出塊機制的投票分開;實際上，以太坊 2.0 的底層投票內(nèi)容會同時包含頂層投票內(nèi)容(檢查點的連結(jié))，如同頂層投票搭了底層投票的便車(Piggyback)，借此優(yōu)化效能。如此在每個時期結(jié)束時，每個片都會收到所有其他片在該時期的投票，Casper FFG 活躍性得以維持。
結(jié)語
Casper FFG 是一個實現(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(Light Client)/ 鏈上隨機數(shù)生成器(On-chain Random Number Generator)/ 跨片交易(Cross-shard Transaction)等等。
與此同時，許多以太坊 2.0 的競爭者也提出新的共識協(xié)議與分片技術(shù)，例如 RapidChain / Harmony / Chainspace 等等。Casper FFG 以及以太坊 2.0 是經(jīng)過眾多研究員/開發(fā)者不斷激蕩與迭代的重要結(jié)晶，但一直以來都缺乏提供系統(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/開發(fā)者快速理解 Casper FFG 與以太坊 2.0 的精要。(作者:Juin Chiu)
