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)
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)的研究最早可追朔至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)等面向。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。
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。
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)點負責(zé)「提案」(Propose)，其他節(jié)點只負責(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)路是否延遲，協(xié)議都能保證共識的安全性(即不分岔)，這賦予協(xié)議即時敲定(Instant Finality)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)路參與共識，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：
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) < h(s2) < h(t2) < h(t1)
驗證節(jié)點必不可投出高度圍繞/被圍繞于另一投票高度的投票。
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是一個將出塊機制(Block Proposing Mechanism)抽象化的覆蓋層(Overlay)，只負責(zé)形成共識(這里的覆蓋層是「鏈」的覆蓋層，而非「網(wǎng)路」的覆蓋層)。出塊機制由底層網(wǎng)路實作，而來自底層網(wǎng)路的出塊(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)塊雜湊值取出，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(Target)。節(jié)點會將投票廣播到網(wǎng)路中，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)點該對哪個檢查點建立連結(jié)?每個節(jié)點都必須遵循分岔選擇規(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。
由于Casper FFG能讓任何存入押金的節(jié)點參與共識，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)路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'分岔(綠色)來說A退出了，可是對C分岔(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 的所有面向都做出改進：
· 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)定;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)定，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不需理會底層的出塊機制，只需負責(zé)形成共識。出塊抽象的好處是：底層網(wǎng)路的出塊頻率不必與覆蓋層的共識頻率一致，如此可以增加效率并降低網(wǎng)路的負擔(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、等數(shù)種投票訊息;Casper FFG僅有一種，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力的前提下變得簡潔許多。這些形成鏈式結(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，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作了合約版本的Casper FFG：
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)投票能夠被平行處理，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)，這代表平行化將無法達成共識。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「邏輯用合約實作，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 滂薄登場了。
以太坊2.0 中的Casper FFG
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)的分散式帳本。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)路一般的基礎(chǔ)建設(shè)(Infrasturcture)，并且讓任何存入32 顆以太的押金的節(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。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)路會分成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。
· 使用鏈上亂數(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)于鏈上亂數(shù)的實作細節(jié)留待筆者日后詳述)。
· 持續(xù)委員會負責(zé)維護分片鏈與產(chǎn)生分片區(qū)塊(Shard Block)、交聯(lián)委員會負責(zé)維護信標鏈與產(chǎn)生信標區(qū)塊(Beacon Block)，如同上例中讀速快的負責(zé)找答案、手速快的負責(zé)抄答案。各區(qū)塊的出塊節(jié)點(Block Proposer)也交由鏈上亂數(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之上的覆蓋層，這個覆蓋層同樣由檢查點構(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章。另外，Casper FFG在以太坊2.0中的分岔選擇規(guī)則是最新訊息驅(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)/ 鏈上亂數(shù)產(chǎn)生器(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)定與分片技術(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。(Juin Chiu)
