了解ETH2.0分片化共识：支持数十万验证者且保证吞吐量

作者：Carl Beekhuizen
翻译：阿剑

特别感谢 Sacha Yves -Leger 和 Joseph Schweitzer 的指正。

Sharding （「分片」）是 Eth2 对比 Eth1 的许多升级之一。这个名词来源于数据库研究，就是将一个大的数据库切分为许多部分，而一个分片就是一个部分。那么放到 Eth2 和数据库的语境下，分片就意味着要把整个系统的存储和计算切分开来、相互独立地处理各分片，然后随实际需要组成最终结果。具体来说，Eth2 系统中包含了许多分片链，而每一个条分片链的功能（capability）都与 Eth1 区块链相似，这就能带来大幅度的可扩展性提升。

不过，在 Eth2 中还有一种不那么为人所知的分片类型，而且从协议设计的角度来看，这个类型可能更为激动人心：分片化的共识（sharded consensus）。

分片化的共识

就像网络中最慢节点的处理能力限制了网络的吞吐量，单个验证者的计算资源也决定了能够参与共识的验证者总数量。因为每新增一个验证者，都会给系统中的所有其他验证者带来额外的工作量，那么随着验证者数量的增加，最终会达到一个状态：资源最少的那个验证者将不再能够参与共识（因为它不再能够全程追踪所有其他验证者的投票）。那么 Eth2 处理这个问题的方案就是分片化的共识。

分析

Eth2 的系统中有两种基本的时间单位，时隙（slot）和时段（epoch）。

一个时隙是 12 秒，这是我们预期可出一个区块的时间；区块其实是一种让验证者的投票能集合发布到链上的机制，不止于包含交易让链变得有用。

一个时段由 32 个时隙组成（因此是 6.4 分钟），在一个时段中，信标链要执行所有跟链的维护相关的计算，包括：合理化及敲定新区块、给验证者发放奖励和惩罚。

我们在本系列的第一篇文章中提到，验证者会被分配到不同的委员会中执行工作。那么在任一时刻，都有验证者同时既是信标链委员会成员、也是某一个分片链委员会的成员；每个验证者在一个时段中都要发出见证消息一次 —— 为已经提出的信标链区块投票。

Eth2 的分片化共识的安全模型，基于这样一个观念：让委员会在某种程度上就是整个验证者集合的准确统计学代表。

举例而言，如果整个验证者集合中有 33% 的验证者是恶意的，那么他们可能就会进入到同一个委员会中。那就完蛋了。

所以，我们需要确保事情不至于如此。换句话来说，我们需要保证的是，如果 33% 的验证者是恶意的，那么在一个委员会中只有约 33% 的验证者是恶意的。

我们需要两个举措来实现这一点：

举个例子，如果单个委员会由 128 个随机选出的验证者组成，那么一个控制了全网 1/3 验证者的攻击者能够控制单个委员会的 2/3 验证力量的概率是非常非常小的（概率低于 2^-40）。

综合

验证者提交的投票叫做 「见证消息」。见证消息由几个部分组成：

把尽可能多的部分都组合到一条见证消息中，系统的整体效率便得以提升，因为，在检查验证者的签名时，不再需要分别验证对信标链区块的投票和对分片链区块的投票，节点只需基于见证消息做运算，即可得知信标链区块的状态和每一条分片链的状态。

如果每一个验证者都提交了自己的见证消息，而每一条见证消息都需要被所有其它节点单独验证一次，那么 Eth2 的节点的开销可能会变得很大。这就是为什么我们需要 「聚合技术」。

见证消息被设计成容易组合的形式，因此，如果有两个乃至更多验证者做了同样的投票，那就可以用一条见证消息把他们的投票都汇总起来，只需把签名字段放在一起即可。这就是 「聚合」 和含义。

委员会的投票在根本上来说也是易于聚合的，因为这些验证者都被分配到了同一个分片上，因此分片状态的投票和对信标链区块的投票很可能是相同的。这就是 Eth2 能随着验证者数量的增加而扩展吞吐量的机制。通过把验证者打散到委员会内，验证者将只需关心自己所在委员会的成员，也只需检查极少数从其它委员会处传来的、已经聚合过的见证消息。

签名聚合

Eth2 使用了 BLS 签名方案 —— 一种在多条椭圆曲线上得到定义、对签名聚合较为友好的方案。在方案所选定的曲线上，单个签名的大小是 96 字节。

如果占总量 10% 的 ETH 参与了质押，则 Eth2 会拥有约 35 万个验证者。这就意味着，单个 epoch 产生的签名数据量大小可能会达到 33.6 MB，那么一天就是 7.6 GB。那么，只要 133 天，签名数据就会超过 1 TB。

解决方案是，BLS 签名是可以聚合的。如果 Alice 提交了签名 A，而 Bob 所提交的签名 B 是对相同数据签的名，那么只需存储 C = A+B，就能验证 Alice 和 Bob 的签名。使用了签名聚合技术，整个委员会的验证者前面都可以聚合成一个签名。这样就能将签名数据的存储需求降低到每天 2 MB。

总结

把验证者分配到不同委员会中的设计，让验证 Eth2 所需付出的工作量降低了几个数量级。

对于一个想要验证信标链和所有分片链的节点来说，它要做的仅仅是监测来自每一个委员会的聚合见证消息，只需如此便可知道每条分片链的状态，以及各验证者对哪些区块 属于 / 不属于 信标链主链的看法。

因此，委员会机制帮助 Eth2 实现了两大设计目标：只需消费者级别的笔记本即可参与 Eth2 网络、支持尽可能多的验证者来实现尽可能的去中心化。

用数字来说明：大多数拜占庭容错式的权益证明协议只能支持数十位验证者（在某些案例中可支持数百位验证者），但 Eth2 可以支持数十万验证者同时为系统安全性作贡献，又不牺牲执行时延和吞吐量。