详解“后以太坊时代”The Merge的共识机制

在本文中，我们将深入探讨：

信标链的当前状态。 块按计划每 12 秒生成一次。在 https://beaconcha.in 查看实时数据

共识机制定义了分布式节点网络如何确定网络的当前状态、哪些块在链上以及以什么顺序。 区块生产是一个通用术语，描述谁扫描内存池以挑选未决交易，将它们排序到区块中，并将新区块附加到现有区块链。 三种常见的共识机制是股权证明、工作证明和权威证明。

以太坊的 PoS 实施在一年中的大部分时间里一直受到群众的嘲笑，但随着信标链运行 18 个月并在测试网上成功执行实时合并，实施看起来已初具规模。 我将重点关注 PoS 链如何在其稳定状态下运行的细节，而不是迷失在合并的实现细节中。

另一个著名的权衡三角形。 选择两个，或者在中间的某个地方找到自己。

信标链上有大约 400,000 个验证器，您可以在其中跟踪实时统计数据和区块。 验证者是指在主网的信标链存款合约中特定存入32个代币； 一个用户可以运行多个验证器。 解冻提款今天不启用，合并时也不会启用，但会在稍后的上海硬分叉更新中启用。 每 12 秒出现一个周期，在该周期内随机选择一个验证者提交区块。 一个纪元由 32 个纪元（或 6.4 分钟）组成。 如果验证器处于离线状态并且未在其槽内提议区块，则该槽留空。 因此，以太坊的出块时间会从平均出块时间为13秒的泊松分布（Poisson distribution，这是统计学和概率论中常见的离散概率分布，由法国数学家Simone Denis Poisson Siméon-Denis Poisson 发表1838 年），过渡到正好 12 秒的偶尔空槽。 每个纪元内的第一个块被认为是检查点块。

如果每个时期只有一个验证者提议一个区块，那么其他验证者在等待轮到他们时都在做什么？ 他们创建证明，这些证明是描述他们认为当前链头的签名选票，以及到父检查点块的链接。 由于证明是由特定验证者以加密方式签名的，因此如果验证者逃避陈述或在同一高度投票给两个区块，则验证者可能会被追究责任。 400,000 个证明的通信和存储开销非常高，因此在每个 epoch 内，每个验证者只分配一个 slot 进行验证。 每个时隙的验证者被分配给委员会，这些委员会进一步分组，最小规模为 128。然后聚合器使用 BLS 聚合来组合来自多个验证器的签名，然后只将消化后的数据存储到块中。

验证器证明如何聚合并最终包含在块中的技术概述。

Epoch 是由 32 个槽组成的组，经历三个阶段：提案、演示和最终确定。 一旦绝大多数或当前验证者的三分之二证明了一个时期，它就可以继续前进。 证明与成对的检查点块相关联，一个来自以前的时代，一个来自当前时代。 我们用一对源和目标块来表示它。 一个区块由验证者提出，当绝大多数证明将其标记为头部时，它被认为是有效的。 绝大多数验证者将一个合理的纪元标记为前一个纪元，它被认为是最终确定的。 因此，一个epoch通常是在一个epoch（或6分钟）之后完成的。

当交易无法在不消耗大量 ETH 的情况下重新聚合时完成。 由于三分之二的验证者已经证明了最终区块，为了在同一高度创建不同的最终纪元，三分之二的验证者也需要证明同一高度的单独区块。 因此，至少三分之一的验证者将被证明是模棱两可的。 等价交换的惩罚是切断验证者的全部质押，因此攻击者必须承诺至少销毁所有质押的 ETH 的三分之一。 即使以今天低迷的价格计算，重组最后一个区块的成本也高达数十亿。

恶意行为者还可以通过隐瞒证据来阻止最终性，从而永远无法达到绝对多数。 当链无法完成 4 个或更多时期时，不活跃的验证者将受到不活跃泄漏的惩罚。 这将慢慢消耗离线验证者的余额，直到在线验证者再次拥有绝对多数并可以恢复有效性。 奖励证明暂停，直到那些链上的人再次开始敲打以使审查和 DoS 攻击更加昂贵。

许多人对 Staking 的印象是扭曲的以太坊运行机制，因为该术语在 DeFi 和 NFT 中被广泛使用。 在许多此类协议中，“质押”意味着将代币存入托管合约，从而降低卖家的流动性，而代币则被动地坐在那里。 没有下行风险，没有积极参与，只是贿赂时间偏好低的人。

绝对清楚，这些游戏不是我们正在谈论的。 真正的协议级质押意味着进入一个上升和下降的承诺，这需要持续积极参与提议新区块和证明他人创建的区块。 这意味着您可以因诚实参与高正常运行时间而获得奖励，或者您可以因离线或支持恶意分叉而蒙受损失。 这些规则不是由中心化的一方任意应用的； 它们是预先明确定义的，并深深地嵌入到去中心化协议本身中。

验证者必须遵循两个关键的等价交换规则，摘自 Gasper 的论文：

直接取自 Gasper 论文的削减条件

诚实的共识层客户端被编程为明确地永远不会这样做，因此普通的诚实用户不必担心这些机制的启动。但是，它们提供了针对恶意验证者的重要保护并优雅地解决了无风险问题。

虽然讨价还价只适用于行为错误，但对不作为的错误也有较小的惩罚，称为不活动泄漏。 诚实的用户应该特别注意他们的验证器的正常运行时间，因为离线验证器总比没有差。 如果超过 1/3 的验证者离线，那么这个区块就无法最终确定，而且这些离线节点实际上是在假装存在网络分区来建立自己的影子分叉，这也是情有可原的。 停机惩罚对于避免这种情况非常重要。

等价删除、不活动泄漏和用户激活的软分叉的组合具有强大的冲击力。 等效删除处理安全错误，不活动泄漏处理有效性错误，而 UASF 甚至允许少数诚实的人从恶意的绝大多数中恢复。

等分是指验证者在同一高度验证两个不同的区块，这可能会导致平行分叉，最终重新分裂。 这是“无利害关系”问题的关键要素，即在所有可能的分叉上构建，因为这对它们没有好处。 通过收集签名证明，网络监管者可以证明这发生了，并大幅削减等价交换者的股份。

不活动泄漏是指验证者未能提供证明。 这不能被证明是恶意的，因为验证器可能会意外离线，但这对网络是有害的。

用户激活的软分叉是指一部分验证者认为主线忽略了他们和他们的交易，因此他们联合起来形成自己的区块生产分叉。

让我们来看几个理论场景，其中验证者的恶意子集想要审查交易，例如来自 FATF 黑名单国家的交易。 在不同持股门槛下会如何发展？

拥有 10% 股份的巨鲸想要审查交易。 他拒绝将列入黑名单的交易纳入他提议的区块。 这些交易包含在其他 90% 的区块中。 鲸鱼赚的钱稍微少一些，因为他绕过了某些高收入的内存池交易。

拥有 10% 股份的鲸鱼拒绝将列入黑名单的交易纳入其区块提案，并拒绝为包含这些交易的其他区块提供证明。 块继续被最终确定，因为绝大多数的证据有利于诚实的块。 鲸鱼因较低的交易贿赂和错过的证明奖励而蒙受损失。

拥有 40% 股份的鲸鱼想要审查交易，但要证明其他人提出的诚实区块。 这与少数懒惰审查的情况相同。

一群拥有 40% 股份的鲸鱼想要审查交易并拒绝证明诚实的区块。 由于不再有诚实的绝对多数以太坊运行机制，区块不再被最终确定。 该链将分叉成两条子链，就好像有一个干净的网络分区一样。 诚实的验证者会看到两个分叉，但会建立在诚实的分叉之上，因为它在 LMD-GHOST 分叉选择规则中具有更大的权重。 审查验证者也会看到两个分叉，但手动覆盖 LMD-GHOST 分叉选择规则并选择继续审查链，假装他们不知道诚实链。

在 Honest Chain 上，一旦块停止被最终确定，不活动泄漏就会开始。 这意味着所有审查验证者都将离线，因为他们拒绝证明诚实的区块。 审核验证者的质押会慢慢燃烧，直到他们的有效余额下降到足以将他们从验证者集中移除为止。 在这一点上，诚实的验证者现在拥有绝大多数，并且区块再次开始最终确定。

请注意，这不需要硬分叉。 现有的降价惩罚和不活动泄漏逐渐从集合中移除恶意或离线验证器，其余验证器可以重新获得绝对多数，而无需任何链上停机。

我们已经看到，即使诚实的验证者没有绝对多数，通过提出诚实的区块，审查验证者拒绝证明，审查验证者将被迫退出验证者集。 如果诚实的验证者占多数，而审查验证者占绝大多数，会发生什么情况？

有趣的是，机制几乎相同。 一个关键的区别是诚实的验证者必须明确地联合起来承认彼此的证据并推翻分叉选择规则，否则他们可以形成自己的子链，恶意的绝大多数将慢慢地从验证者集中消失，直到诚实的次多数重新获得绝对多数.

此外，值得注意的是，正如我们在 The DAO 2016 年的违规事件中看到的那样，没有明确的协议级别更改来自特定用户的明确硬分叉令牌。 相反，它是等价削减和不活动泄漏的组合，这意味着未建立在同一链上的验证者会逐渐失去他们的股份。 这是一种相当优雅的机制，它允许诚实的少数人从恶意的多数人手中恢复过来。

当然，以太坊 PoS 有几个方面需要进一步改进。 例如：

以太坊没有链上治理（尽管 PoS 协议的一个子集有）。 就像比特币全节点让矿工诚实地产出满足状态转移函数的有效区块一样，以太坊全节点让验证者诚实地产出满足状态转移函数的有效区块。 即使是绝大多数恶意验证者也无法欺骗诚实的全节点。

共识机制是一种将新交易添加到链中的方式，而不是强制区块链状态的任意权力。 状态转换规则被编码到协议本身并且是不可侵犯的，除非由社会层规定。 比特币的状态转移不变量之一是 UTXO 输出的总和必须等于输入； 以太坊的状态转换不变量之一是一个账户只能移动自己的 ETH。 只要非验证者在网络上运行自己的节点来验证诚实的状态转换，矿工和铸币者都不能违反这些规则，即使有绝大多数人的支持。

不知道人们这么说是什么意思。 我最好的猜测是指中央计划对货币供应和利率等宏观经济因素的操纵。 如上所述，验证者没有能力更改状态转换功能，并且以太坊的机制更改即使不是提前数年，也会在公开月份进行大量讨论。 治理在社交层面是链下的，而不是链上的。 验证者在这里没有权力。

这是假的。 Gas 费用反映了区块空间的供需情况。 改变共识机制不会增加区块空间的供应，但分片会。 该分区本应是以太坊路线图的重要组成部分，但已被取消优先级，并且要等到合并后相当长一段时间才会发生。 请参阅 proto-danksharding 说明以跟踪数据可用性分片计划的当前状态。

CPU、GPU 和 ASIC 在数学竞赛中搅动以最快找到哈希预映射的想法有一种平等主义的优雅。 一个主权个人，即运行家用游戏电脑的个人，可以与国家竞争 6.25 个新铸造的 BTC 的权利。

不幸的是，ASIC 供应链很容易受到进出口法规的控制，更不用说对台湾的危险依赖了。 对廉价、丰富的能源的需求是阻止个人运行谨慎的采矿设置的另一个弱点。 而且由于我们还没有进入后资源匮乏的乌托邦，您需要预先付款才能购买矿机。 更糟糕的是，技术进步意味着矿工需要不断升级他们的设备以保持竞争力，这意味着如果情况变坏，对供应链的依赖将成为一个持续的弱点。

PoW 可以看作是 PoS 的一个具体实例，用户通过押注购买矿机，然后竞争出块权。 您的质押本金可以随时提取，但其价值遵循与您的计算机芯片当前市场价值相对应的衰减曲线。 PoW 和 PoS 对前期资本的需求是相同的，主要区别在于，在 PoW 中，资本是通过计算机芯片供应链强制执行的，而在 PoS 中，它可以是纯粹的抵押品。

PoS 通过增加对同时在两个父块上构建的验证者的惩罚来解决 nothing-for-nothing 问题。

许多人指出 PoW 矿工的微薄利润，并将其与铸币厂产生的丰厚收益进行比较。 然而，市场是有效率的，天下没有免费的午餐。 对于选择将资金投入 ETH 而不是数以千计其他投资机会的投机者来说，看似免费的资金实际上是巨大的资本机会成本，他们的本金存在真正的贬值风险。 导致 BTC 挖矿相对于其他投资机会利润微薄的市场动态同样适用于 ETH 定期投资相对于其他投资机会利润微薄。

这往往来自从未尝试过大规模移动订单簿的人。 当然，你无法以当前现货价格购买所有供应，就像你无法以当前现货价格购买所有 ASIC 一样。 随着需求的增加，价格以高度凸的方式上涨。

推荐大家看看Vitalik的“弱主观性”一文和EF的说明。 当一个节点第一次上线时，它必须有一些参考框架来知道如何引导自己。 这不是 PoS 特有的问题； 即使是一个完整的比特币节点也需要知道哪个客户端软件是有效的，哪个 IP 可以启动它的历史等等。PoS 在这里只添加了少量额外的信任假设。

在那些将“现实世界”连通性视为可以赋予数字资产合法性的唯一属性的人与那些将“现实世界”连通性视为构建自给自足系统时需要避免的危险依赖的人之间，存在着令人着迷的心理鸿沟。

今天的实现当然很难理解，因为要摸索新的词汇和分布式系统的先决条件。 然而，在深入了解所有活动部件之后，感觉没有什么是多余的，并且正在积极努力尽可能地简化它。 现代社会建立在一系列逐渐复杂的抽象之上； 如果因为最初的不可控性而放弃这些抽象，那么大规模的创新就会被放弃。

虽然以太坊不在协议层委托 PoS，但应用层的替代方案已经出现。 Lido 领先股权份额，其次是少数中心化交易所。 用户无需运行自己的验证器，而是将 ETH 发送给这些锚定器并接收标记化的锚定衍生品，例如 stETH。 然后，这些质押提供者通常可以完全控制验证者的运作方式。 拥有巨大投票控制权的托管人最有可能被监管机构抓住。 至少最近他们都在把赌客的资金洗白到杠杆游戏中，所以最后剩下的钱就是那些实行自我托管的人了。

信标链存款的来源

当资产被锚定时，不是因为链上的机制，而是因为链外1:1的可赎回性，在中心化的发行人中，发行人选择标准化的链来赎回和创造。 今天最好的例子是像 USDC 或 USDT 这样的稳定​​币，但未来几年肯定会有更多代币化的 RWA。 MakerDAO 正在领导许多探索性的工作。

如果没有偶尔的重新分配或革命，金钱和资源往往会积累在少数人手中。 令人难以置信的技术基础所产生的隐含的个人影响在经验上加剧了幂律动力学。 因此，虽然 PoS 是比 PoW 更清晰的抽象，但这两种共识机制都会阻止世界上大部分地区的参与。 在目前的盲人状态下，很难想象在更公平的参与下会出现什么替代的共识机制，但不排除这种可能性。

最后一节是关于实际问题的。 如果你有兴趣抵押自己的 ETH，年收益率估计在 5-15% 之间，这取决于加入的人数和 MEV 的贿赂程度。 现在可以进行有趣的“持有至到期”交易，许多流动性抵押衍生品的交易价格低于其最终可赎回的 1ETH 价值。 为什么会这样？ 很多人在做杠杆stETH/ETH交易，希望提高收益，但是由于要等到上海硬分叉合并后才可以提现，流动性需求来了，买家又不够。 你应该知道，流动性抵押衍生品绝不是与 ETH 的价值“挂钩”，只是它们应该在到期时可以 1:1 赎回。 但愿意在未知期限内承担风险的勇敢买家有机会获得丰厚的回报。

近三个月 StETH/ETH 价格波动

这是一个奇怪的建议，因为整篇文章一直在强调避免恶意串通的能力，现在我们描述如何将资金引入托管衍生品。 但是，让人们 1:1 进入锁定状态而不知道他们可以通过承担期限 + 治理 + 智能合约的风险并从过度杠杆化的资金中挖掘廉价代币而获得报酬，这将是一种疏忽。

如果您有兴趣运行自己的验证器节点，有一个很好的单独演练指南 (https://ethereum.org/en/staking/solo/)。

许多 PoS 协议已经存在，但以太坊正在建立新的质量标准。 重点是支持广泛的验证器、明确的削弱惩罚、有效性和安全性之间的明确权衡，以及维护多个软件客户端的痛苦前期工作。 该系统并不完美，但它是我们拥有的最优雅的创新之一。 希望这个解释能帮助您理解所有运动部件是如何组合在一起的。 （金色财经）

海量资讯，精准解读，尽在新浪财经APP