以太坊 2.0 協議核心：Beacon 鏈詳解

譯者前言：關於以太坊的升級路線，密碼貨幣社區的很多參與者所掌握的信息可能已經是過時了，例如以太坊的 Casper 協議將不會替代現有以太坊 PoW 機制，而是被轉移到了以太坊 2.0 系統的 Beacon 鏈當中，而現有的以太坊 PoW 鏈，將繼續按原來的規則運行，在這篇文章中，來自以太坊開發公司 ConsenSys 的區塊鏈協議工程師 Ben Edgington 將爲我們介紹關於以太坊 2.0 以及 Beacon 鏈的信息。

以太坊 2.0 並不是一個新主意，早在 2014 年，Vitalik 就提到了以太坊 2.0 的概念，他說：“我們要麼解決可擴展性和共識問題，要麼就死於嘗試，” 好吧，我們還活得不錯，而他幾周前發佈的最新觀點是：

“對於以太坊 2.0 來說，理論上已沒有明顯未解決的問題。”

現在正是實現這些理論的時候了，而 Beacon 鏈正是以太坊 2.0 交付計劃的第一個組成部分。在這篇文章當中，我們將討論它的作用、它爲什麼是這樣做的，以及開發者們是如何開發它的。

關於 Beacon 鏈的介紹

在之前的一篇文章當中，作者介紹了以太坊 2.0 的概念，在這裏我們通過 Hsiao-Wei Wang 提供的以太坊 2.0 系統 架構圖進行展示：

(以太坊 2.0 整體架構)

此圖還可作爲開發和交付以太坊 2.0 的分步路線圖，順序爲從上到下：

1. PoW 主鏈是今天以太坊存在的部分：即當前的以太坊主網。在以太坊 2.0 系統當中，它會繼續像今天那樣運行。而下面的所有東西都是新的。

2. Beacon 鏈目前正在開發當中，它也將成爲第一個被交付的組件；

3. 分片鏈會是下一個交付組件，它也是可擴展性的來源。最初，分片鏈將簡單地聚合交易，並就其排序達成共識，而不會執行它們。這將是對系統基礎設施以及安全性的一個良好測試；

4. VM 層是以太坊 2.0 系統的最後一個重要組成部分，它將提供合約以及交易的執行；

爲什麼我們需要一個“Beacon”鏈？

Beacon 鏈是一個全新的 PoS 區塊鏈。它是支撐整個新以太坊 2.0 系統的脊柱。它的存在，使得整個系統能夠保持活力，其負責指揮以太坊 2.0 系統所有的組成部分。

(Beacon 鏈指揮整個以太坊 2.0 系統)

Beacon 鏈的關鍵功能是管理 PoS 協議（Casper）以及所有的分片鏈。它有很多方面的工作要做：管理驗證者以及他們的權益（stakes）；在每一步爲每個分片指定所選的區塊提議者；組織驗證者進入委員會，對擬議的區塊進行投票；應用共識規則；對驗證者實施獎勵和處罰；並且，作爲一個錨點，其中分片會註冊它們的狀態，以促進跨分片交易；

在我們更深入地研究這些功能之前，請先了解一下術語。Beacon 鏈的名字起源於“隨機 beacon”的概念，它爲系統的其他部分提供隨機性來源，而 Dfinity 項目在其區塊鏈環境中也採用了隨機 beacon 的概念。每個參與節點都會維護自己的本地 Beacon 鏈，努力與其它節點保持同步。也許上面帶有指揮的圖像是有誤導性的，雖然 Beacon 鏈確實指揮了系統的其餘部分，但其指揮者是去中心化的，這就像每個音樂家都有自己的節奏感一樣。

關於 Beacon 鏈的一些功能

讓我們來看看 Beacon 鏈的一些功能：

管理驗證者

Beacon 鏈的主要工作之一就是維護驗證者集合，這些驗證者節點需通過抵押以太幣申請加入，他們會負責運行以太坊 2.0 系統。驗證者可以具有多種狀態，但只有那些被標記爲“active”的節點纔可以參與運行以太坊 2.0 協議。

而想要加入驗證者集的參與者，可通過當前的以太坊 PoW 主鏈，向一個 Beacon 鏈合約發送 32 以太幣，在經歷一些有效性檢查之後，這些幣會被鎖定，而合約則會發出日誌條目（Solidity 中的“事件”），它們可被 Beacon 鏈客戶端所接收。然後被選中的節點就可以導入到 Beacon 鏈的驗證者集當中。

一旦激活之後，驗證者就可以提出區塊並參與以太坊 2.0 協議，當這些區塊被選中之後，它們就會同時出現在 Beacon 鏈以及分片鏈上（一旦它們被實現的情況下）。如下所述，這些驗證者還會加入對區塊進行投票的委員會。

驗證者也可以發出信號，表明他們希望退出系統，並停止參與協議的運行。經過一段時間（目前爲 97 天 ，但可能會更靈活），他們的押金（32 以太幣）加上獎勵再減去罰款，將被退回到一個分片鏈當中。解鎖 PoW 主網上的初始權益，是不太可能的，除非整個系統失敗，並且社區同意給退出者退款。

以上的所有工作，都是由 Beacon 鏈在負責管理的。

提供隨機性

在區塊鏈系統中很難產生良好的隨機性，而一個權益證明（ proof-of-stake）協議的關鍵要求，就是隨機性的來源，它必須是分佈式的、可驗證的、不可預測的，並且是不可剝奪的。而 Beacon 鏈就是負責向系統的其餘部分提供這種隨機性：下面所描述的幾個協議功能就取決於這種隨機性。

區塊鏈上的隨機性是一個很棘手的問題

當前的隨機數生成是通過 RANDAO 結構完成的，驗證者會提供一個“哈希洋蔥”。 而 RANDAO 結構只是將很多參與者提供的貢獻（單個隨機數）組合成單個輸出數字的一種方式。爲了防止任何一個參與者顯着地操縱隨機性，開發者使用了一種提交泄露（commit–reveal）方案。當驗證者註冊時，它會提供一個承諾值，該值是其選擇的原始數字經多次哈希後產生的。每次選擇驗證者作爲提議者時，它通過提供最後一個揭示數字的原像來剝離“洋蔥”的一層或多層。其它人都可以檢查這是否是正確完成的，因此提出者不能通過改變其貢獻來欺騙系統。

雖然這種方案並不是不可替代的，如果提出者不喜歡這個隨機數，他可以選擇跳過它，但對於當前的協議設計來說，這已經是足夠健壯的。

區塊提出者

Beacon 鏈會管理它的 PoS 協議，以及每個分片鏈。在工作量證明系統當中，礦工節點會負責選出下一個區塊。而在 PoS 系統當中，是不存在挖礦這個過程的，因此區塊生產者是基於上述協議內的隨機性，隨機地選擇區塊提出者。

PoW 系統的另一個特性是，區塊時間是不規則的，儘管以太坊的區塊生成時間平均約爲 15 秒。相比之下，我們將 Beacon 鏈的區塊生成描述爲心跳（heartbeat）。以太坊 2.0 的區塊是每 16 秒定期生成一次的（如果測試可行，也可能減少到 8 秒）。這個 16 秒的週期被稱爲 “slot”（時隙）； 在每個時隙（slot），Beacon 鏈所選擇的提出者，會收集來自先前區塊的 Beacon 鏈驗證者集的所有協議投票（證明），並將它們納入其發佈的區塊。

一旦分片鏈準備就緒，每個分片在每個時隙（slot）中都會有自己選擇的提出者，它們將收集該分片的交易，並將它們納入一個由分片委員會投票得出的區塊當中。

委員會

驗證者委員會的投票活動，在確保以太坊 2.0 系統安全性方面起到了關鍵作用

權益證明（proof-of-stake）區塊鏈的一個重要安全來源是委員會，它們負責對構成區塊鏈真實歷史的區塊進行投票。而 Beacon 鏈就依賴於計算來自其委員會的投票，我們將其稱爲“證明”，以便同意並最終確定其歷史。在理想的情況下，如果能夠快速收集證明，則該委員會的成員，都可以成爲系統中的有效驗證者。

此外，Beacon 鏈將隨機爲每個分片指定較小的子委員會，這將在適當的時候負責確認分片的提出者行爲是正確的。

獎勵和懲罰

Beacon 鏈的另一個管理角色，是跟蹤和更新驗證者的存款。

如果驗證者表現良好，併發揮出了自己的作用，則他們會獲得獎勵：這是驗證者參與以太坊 2.0 系統的動力。但是，如果驗證者違反了規則。那麼他們的 32 個以太幣存款會減少（被削減），到達一定程度的情況下，這些驗證者會被系統剔除。如果驗證者出現缺席的狀況（不對區塊進行投票），系統也會有小小的懲罰，我們將其稱爲“二次泄漏”（quadratic leak）。其原因很微妙，即使在大量驗證器脫機時（例如在發生災難時），系統也能夠繼續處理區塊。

如果驗證者的存款低於 16 以太幣 ，則 Beacon 鏈會把驗證者從驗證者集當中剔除出去；

交聯（Crosslinks）

最後，Beacon 鏈會執行交聯的處理。交聯負責將整個分片系統連接在一起，其負責將每個分片錨定在 Beacon 鏈的脊柱當中。

週期性地，每個分片的當前狀態（“組合數據根”）會被記錄到 Beacon 鏈當中，並作爲交聯。當 Beacon 鏈區塊完成時，相應的分片區塊就被認爲是最終確定的，而其它分片則可確信它們可依賴它進行跨分片交易。

可視化的 Beacon 鏈（藍色部分），它有 8 個分片鏈（碧綠色部分）以及相關交聯（淺藍色線）。所有鏈上的完成區塊都是黃色的，時間從左到右增加。

構建 Beacon 鏈

很快，我們就要結束我們的 Beacon 鏈閃電之旅了！就其本身而言，Beacon 鏈可能看起來並不是特別有用。它無法處理任意交易：它沒有智能合約，它沒有 EVM 虛擬機。你沒法用它做任何事情。但是，它作爲以太坊 2.0 的第一個組成部分，它是整個系統的基礎。整個壯觀的以太坊 2.0 建築都將以此爲基礎。所以，它必須是堅實的。

如果你想深入瞭解細節，那麼目前有一份正在進行當中的 Beacon 鏈規範。這份規範的所有創建和維護過程都是公開進行的：歡迎有興趣的人加入。

(在開發 Beacon 鏈的團隊)

爲了運行 Beacon 鏈，你就需要用到一個 Beacon 鏈客戶端。而很多大家所熟知的以太坊客戶端（Geth，Parity，Pantheon 等）都在進行相關的開發。你可以在此處查看我所知道的列表，其中包含指向其 GitHub 代碼庫的鏈接。

Prysmatic 和 Lighthouse 正在定期更新它們的客戶端開發進度，也有一些團隊正在向貢獻者提供獎勵。

關於進度…… 在撰寫本文時，Beacon 鏈的技術規範完成度接近了 60%。儘管如此，開發者們預計會在今年年底前合理地完成這份規範，並且可能到 2019 年第一季度末運行多客戶端的 Beacon 鏈測試網絡。最近幾周，相關的開發非常迅速，關於以太坊 2.0 的真正討論正在拉開序幕！

原文：https://media.consensys.net/state-of-ethereum-protocol-2-the-beacon-chain-c6b6a9a69129
作者：Ben Edgington
翻譯：灑脫喜
稿源（譯）：巴比特資訊（http://www.8btc.com/ethereum-beacon-chain)

FileCoin 指南

公衆號：ipfstech

微博：IPFS 挖礦指南_韓拾貳

讓部分人先讀懂 FileCoin 看到未來