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(jì)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(jì)理念。此外，Casper FFG 是以太坊2.0 的共識機(jī)制，理解其運(yùn)作也能幫助研究員與開發(fā)者進(jìn)一步理解以太坊2.0 的設(shè)計(jì)。

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(shí)現(xiàn)基于PoS的共識協(xié)議」此一目標(biāo)前進(jìn)。PoS共識的設(shè)計(jì)是一個(gè)跨領(lǐng)域且相當(dāng)復(fù)雜的問題，其包含計(jì)算機(jī)科學(xué)/經(jīng)濟(jì)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(tuán)隊(duì)，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(jì)，同時(shí)添加新的機(jī)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(gè)具有二輪投票機(jī)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(diǎn)能參與共識。

· 基于領(lǐng)袖的（Leader-based）：只由主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)「提案」（Propose），其他節(jié)點(diǎn)只負(fù)責(zé)投票，因此需要視域變換（View Change）機(jī)制來節(jié)制不誠實(shí)的主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)。

· 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(shí)敲定（Instant Finality）的特性。

其中PBFT所具備的即時(shí)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(shí)敲定性，但并不具有抵抗共謀的能力，因此需要一個(gè)懲罰機(jī)制來遏止作惡的行為，只要節(jié)點(diǎn)做出逾越規(guī)則的行為，便必須承受經(jīng)濟(jì)損失—透過經(jīng)濟(jì)學(xué)法則來調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)的行為正是PoS的設(shè)計(jì)理念。任何支付押金的節(jié)點(diǎn)，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?yàn)槿魏悟?yàn)證節(jié)點(diǎn)可以加入和退出。但如果在他加入的時(shí)候，鏈要維持一個(gè)驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)清單，從這個(gè)角度看又有點(diǎn)是「許可制」。從PBFT 的角度看，投票的驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)也必須從許可的清單中挑選。

那么下一個(gè)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(yùn)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(diǎn)的預(yù)備訊息后才能提交。

2.預(yù)備（prepare_req）：每個(gè)預(yù)備訊息只能指向某個(gè)也具有2/3節(jié)點(diǎn)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(gè)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(gè)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(gè)高度送出兩次預(yù)備。

這4 條規(guī)則可以進(jìn)一步簡化為2 條：

某驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)v必不可發(fā)出兩個(gè)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(yàn)證節(jié)點(diǎn)必不可對某高度發(fā)出兩個(gè)相異投票。

2. h（s1） 《 h（s2） 《 h（t2） 《 h（t1）

驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)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(yùn)作？

Casper FFG是一個(gè)將出塊機(jī)制（Block Proposing Mechanism）抽象化的覆蓋層（Overlay），只負(fù)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(jī)制由底層網(wǎng)路實(shí)作，而來自底層網(wǎng)路的出塊（Block Proposal）稱為檢查點(diǎn)（Checkpoints）。檢查點(diǎn)組成檢查點(diǎn)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(diǎn)則稱為根檢查點(diǎn)（Root）。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)都必須對檢查點(diǎn)送出投票（Vote），投票的內(nèi)容是由兩個(gè)不同高度的檢查點(diǎn)組成的連結(jié)（Link），連結(jié)的起點(diǎn)高度較低，稱為源頭（Source）；連結(jié)的終點(diǎn)高度較高，稱為目標(biāo)（Target）。節(jié)點(diǎn)會將投票廣播到網(wǎng)路中，并同時(shí)收集來自其他節(jié)點(diǎn)的投票。其中若投票給某連結(jié)L的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)開始，若兩個(gè)檢查點(diǎn)之間形成絕對多數(shù)連結(jié)，則該連結(jié)的目標(biāo)進(jìn)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(jìn)入「已敲定」（Finalized）狀態(tài)；根檢查點(diǎn)則預(yù)設(shè)為「已證成」及「已敲定」?fàn)顟B(tài)。由此可知，每個(gè)檢查點(diǎn)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(yàn)證節(jié)點(diǎn)該對哪個(gè)檢查點(diǎn)建立連結(jié)？每個(gè)節(jié)點(diǎn)都必須遵循分岔選擇規(guī)則（Fork Choice Rule）來選擇下一個(gè)要連接的檢查點(diǎn)，Casper FFG的規(guī)則是：選擇最高的「已證成」?fàn)顟B(tài)的檢查點(diǎn)。

由于Casper FFG能讓任何存入押金的節(jié)點(diǎn)參與共識，因此驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)集合（Validator Set）會動態(tài)地隨著時(shí)間變化。節(jié)點(diǎn)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(gè)檢查點(diǎn)C都有其對應(yīng)的朝代數(shù)（Dynasty），其定義為：從根檢查點(diǎn)開始至C為止的已敲定檢查點(diǎn)數(shù)量，例如上圖中，b3的朝代數(shù)為3。每一代檢查點(diǎn)都對應(yīng)兩種驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)集合：前端（Front）驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)集合（包含于此代加入的節(jié)點(diǎn)）以及后端（Rear）驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)集合（包含于此代退出的節(jié)點(diǎn)）。理論上每代檢查點(diǎn)的前端/后端集合會高度重復(fù)，但難保節(jié)點(diǎn)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(cuò)時(shí)可能會砍不到壞節(jié)點(diǎn)的押金（因?yàn)閴墓?jié)點(diǎn)已退出）導(dǎo)致安全性受到威脅。例如上圖中，驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)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?yàn)橐淹顺觯?/p>

為了讓每代檢查點(diǎn)在出錯(cuò)時(shí)都能確實(shí)歸責(zé)，因此需要縫合機(jī)制（Stitching Mechanism）將檢查點(diǎn)的前端/后端集合「縫」起來，確保每個(gè)錯(cuò)誤都必定能歸責(zé)（出錯(cuò)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(jìn)：

· 經(jīng)濟(jì)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(yùn)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(jì)損失的風(fēng)險(xiǎn)來制約節(jié)點(diǎn)的行為，節(jié)點(diǎn)之間不需要任何信任基礎(chǔ)也能共同運(yùn)行協(xié)定，實(shí)現(xiàn)真正的去中心化。

· 抽象的出塊機(jī)制：PBFT仰賴誠實(shí)的主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生區(qū)塊并需要視域變換機(jī)制節(jié)制拜占庭節(jié)點(diǎn)；Casper FFG不需理會底層的出塊機(jī)制，只需負(fù)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(fù)擔(dān)。例如：每100個(gè)底層區(qū)塊只產(chǎn)生1個(gè)檢查點(diǎn)。

· 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(gè)形成連結(jié)的檢查點(diǎn)，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(diǎn)，會于兩個(gè)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(jìn)。相似的設(shè)計(jì)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(qiáng)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(jī)制來防御這兩種攻擊：針對遠(yuǎn)程攻擊，節(jié)點(diǎn)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(jī)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(shí)作了合約版本的Casper FFG：

然而，這個(gè)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(jì)算投票報(bào)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(dá)成共識。而要修正這個(gè)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(shí)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(gè)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(shí)現(xiàn)PoS，還試圖將每秒交易數(shù)（TPS）擴(kuò)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(diǎn)都能成為驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)。

分片（Sharding）即是為了增加可擴(kuò)展性（Scalability）的重要設(shè)計(jì)，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(gè)簡單的例子來說明分片的概念（實(shí)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(diǎn)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(gè)片（Shard），每片分別運(yùn)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(jì)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(gè)抽象層，并不特指某一群節(jié)點(diǎn)。為了更了解這個(gè)概念，筆者擴(kuò)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(gè)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(gè)片，還會有1024個(gè)持續(xù)委員會（Persistent Committee）與1024個(gè)交聯(lián)委員會（Crosslink Committee）：

· 每個(gè)片都會對應(yīng)1 個(gè)持續(xù)委員會與1 個(gè)交聯(lián)委員會，如同上例中每個(gè)題目可以依照讀/寫的步驟來對應(yīng)不同的個(gè)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(shí)作細(xì)節(jié)留待筆者日后詳述）。

· 持續(xù)委員會負(fù)責(zé)維護(hù)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(hù)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(diǎn)（Block Proposer）也交由鏈上亂數(shù)決定。

換句話說，每個(gè)驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)都需維護(hù)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(gè)交聯(lián)委員會與1 個(gè)持續(xù)委員會。

Casper FFG是運(yùn)行于以太坊2.0之上的覆蓋層，這個(gè)覆蓋層同樣由檢查點(diǎn)構(gòu)成，各檢查點(diǎn)之間的跨度稱為時(shí)期（Epoch），1個(gè)時(shí)期（Epoch）切成64個(gè)時(shí)段（Slot ），每個(gè)時(shí)段對應(yīng)16個(gè)片（16 = 1024 ÷ 64），因此每片在每時(shí)期中都有對應(yīng)的時(shí)段，并只能在輪到自己時(shí)才廣播其對檢查點(diǎn)的投票，且每分片只能1個(gè)時(shí)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(gè)檢查點(diǎn)的投票應(yīng)該要與底層出塊機(jī)制的投票分開；實(shí)際上，以太坊2.0 的底層投票內(nèi)容會同時(shí)包含頂層投票內(nèi)容（檢查點(diǎn)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(gè)時(shí)期結(jié)束時(shí)，每個(gè)片都會收到所有其他片在該時(shí)期的投票，Casper FFG 活躍性得以維持。

結(jié)語

Casper FFG 是一個(gè)實(shí)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(diǎn)（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(shí)，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。