合并后时代：以太坊新共识的破局重生 撰文：Frank Fan、0xCryptolee，Arcane Labs
‘只要勇于做出承诺，世界自会助你铲除不可逾越之障碍。去完成未竟之梦想，宇宙绝不会抑制你前进的步伐，这即是奥义所在。’
——以太坊 PoW 时代最终区块留言
以太坊经历了历史性的升级，发展进入了新的阶段。合并之后，以太坊将继续沿着扩容和去中心化的方向前进。The Merge 仅仅是 PoS 时代的第一步，以太坊依然面临着巨大的挑战，验证者群体中心化，扩容，Lazy Validator Problem 等问题依然制约着应用的爆发和以太坊的安全扩展，本文将从 The Merge 开始，逐步分析 POS 采用的共识算法，重点探索使用 DVT 技术来解决验证者单点风险的问题，和从业者一起分析以太坊的问题和未来的发展机会，建议具备一定以太坊基础的读者阅读此文章。
The Merge 是以太坊有史以来最大的技术升级，在 2022 年 9 月 15 日实现了 Execution Layer 和 Consensus Layer 的合并，其最大的变化是将以太坊的 PoW 共识切换为 PoS 共识。
除此之外，合并以后以太坊的能源消耗降低了将近 99.95%，据 Vitalik Buterin 推文，以太坊合并将使全球用电量减少 0.2%。
切换为 PoS 共识以后，以太坊的算法由 Ethash 转换为了 Casper FFG（Gasper），相较之前的算法，Gasper 更加节能，不需要再通过专门的矿机计算难度值，而是通过随机的方式来出块，让我们往下继续探索以太坊的共识算法和出块方式！
目前信标链上面质押了13，830，378 个 ETH，活跃验证者的数目为432，203 个（截至 2022 年 9 月 23 日），根据 PBFT 的特点，beacon chain 的验证者数目很多，网络通信数据量大，简单的 PBFT 不再适用于以太坊网络，于是以太坊在网络结构上面采用 PBFT 的思想对网络架构进行了改进和设计，使用了 Gasper 算法。
Gasper 为 beacon chain 协议中的终局性工具（finality gadget），用于确定哪些区块应被参与者认定为已经确定的、不可更改的，同时在分叉的时候用于确定哪个分叉链是主链。Gasper 的终局性一般化了《Casper Friendly Finality Gadget（casper FFG）》论文中的概念。
Epoch 开始的时候，通过 RANDAO 为每一个 Slot（时隙）分配一个 Committee（验证者委员会）对上一个 Epoch 进行 Attestation（签名投票）。
为当前 Epoch 的 32 个 Slot 分配多个 Aggregator 将 committee 对上一个 Epoch 的 Attestation 聚合以后记录进 Slot 区块里。
RANDAO 通过生成随机数确定 Proposer 负责出块。
在当前 Epoch，每一个 Slot 在出块的时候，committee 都对上一个 Epoch 的检查点进行 Attestation，连着两个检查点 Attestation 以后，上一个检查点才 Finalised，直到 32 个 Slot 都依次对检查点进行了 Attestation，本轮 Epoch 结束。Post-Epoch 的第一个 Slot 开始的时候，Pre-Epoch 达到了终局性的共识，即 Post-Epoch 经历了 Pre-Epoch 和当前 Epoch，一共两轮 Epoch（因为两个 Attestation 的检查点之外，还有冲突的检查点的话，必然有 1/3 的验证人作恶了，比如 32 64 96 三个区块高度，可能 64 号高度没有达成检查点，到了 96 号才有检查点，这时候 32 号高度才是 Finalised），时间上为 12.8Min，交易就在链上确定下来了，即所谓的终局性。
RANDAO 赋予了链上的随机数。RANDAO 生成的随机数将会放进 Execution Layer Block，智能合约能够直接使用该随机数，在拥有链上的原生随机数以后，DeFi 可能会有新的应用诞生，比如博彩类的 DeFi 应用可以直接信任和使用 RANDAO 产生的随机数。
在以太坊新的 POS 共识机制中使用 LMD-GHOST 作为分叉选择规则，当发生分叉的时候，GHOST 会选择获得更多消息支持的子树。其背后的理念是在计算链头时，只考虑每个验证者最近的投票，而不是过去产生的任何投票，以此降低运行 GHOST 所需的计算量。
想要深入学习的可以查阅：https：//eprint.iacr.org/2013/881.pdf
质押门槛：验证者为了履行职责参与共识出块需要质押 32ETH 作为保证金资产。
验证者的职责：在协议规定的时间生产区块和 attestation。
在节点运营方面，Lido 选择指定部分专业的运营商来运行网络节点，这也是其相对中心化的一点，运营商掌握签名私钥，用户的资产部分信赖 Lido 和运营商，至于提款私钥，2021 年 7 月之前，提款地址是一个 6/11 的多签地址，多签私钥由行业内 OG 保管，2021 年 7 月之后，提款地址指向一个可升级的合约地址，该合约由 DAO 进行管理。Rocket Pool 在节点方面选择更加去中心化，任何人只需要提供 16 个 ETH 和相应的软硬件设备就可以作为运营商运行节点，虽然降低了运营商门槛，但是 Rocket Pool 引入 $RPL 质押来降低运营商作恶的风险。
Staking Pool 的方案使得普通的用户可以将小额的 ETH 存入合约来获得以太坊的挖矿奖励，同时返还生息代币如 stETH 和 rETH 来释放质押资产的流动性，进一步增强了以太坊的去中心化程度和资金使用效率，是社区最为看好的方向。
是否合并以后真的就万事大吉？我觉得未必，从下图的数据我们可以窥探一下解除信标链提款限制以后的局面。
目前以太坊的质押量主要集中在 Lido，Coinbase 和 Solo Staking，合并以后新的以太坊质押则大量流向了 Lido 和 Coinbase 这类相对中心化的机构和协议里，在解除提款限制以后，我觉得原来质押的以太坊会被重新分配到 Lido 和 Coinbase 里，随着时间的流逝，Lido 和 Coinbase 将会掌握越来越多的以太坊验证者和质押量，最终对以太坊的去中心化带来严重的威胁，当他们控制住以太坊以后，对于想要重新打破这种局面的交易，将会被 Lido 或 Coinbase 这样的大矿池所拒绝，因为你想质押 ETH 到以太坊的这笔交易能否上链也是他们说了算，并且新产生的 ETH 也将会往 ETH 越多的人手里集中，因为他们在质押的时候就掌握了大量的 ETH，这无疑对以太坊的去中心化会是新的挑战，我们可以期待社区和核心开发者一起来解决这个问题。
在质押层面，虽然我们有去中心化的质押解决方案来降低质押门槛和提高质押服务的去中心化，但是在 Validator 层面，依然存在着单点风险，现在单个验证者运行着网络的多个客户端，如果因为网络原因或者是断电等物理因素会造成怠工惩罚，slot 也无法收集到有效的签名，我们无法通过冗余的方式在多个地方运行同一个验证者节点，因为这会造成签名的混乱，会被认为是对网络的攻击，但是我们可以将签名私钥拆分，通过 DVT 技术来降低单点故障的风险，在实施升级的时候，也为节点提供了升级空间，并不会因为网络升级导致节点的大面积掉线，具体分析，请让我们往下探究！
私钥被盗
节点宕机
Crash Faults：
Byzantine Faults：
当验证者对区块达成一致需要签名时，采用 BLS 阈值签名方案来实现签名。其允许 N 个验证者共同签名数据，并且在 t+1（0） 个验证者正确签名的情况下实现完整签名。通过 tss 的方案，既实现了每一个验证者都无法获得完整的签名私钥，又保证了完整签名的顺利生成。
表面上看，SSV 提供了稳健的、去中心化的进入以太坊质押（Staking）生态系统的途径。再深入一点，SSV 是一个复杂的、配有共识层的多签钱包，SSV 在信标链节点和验证者客户端之间充当缓冲器的作用。
Obol 是一种通过 multi-operator 促进 staking 信任最小化的协议，该协议能够被作为多种类 web3 产品的核心模块以低信任成本获得以太坊质押收益。
执行层客户端包括：Go-Ethereum、Nethermind、Erigon。
分布式验证者客户端通过标准化的 REST API 拦截验证者客户端↔共识层客户端的信息流，并聚焦于两个核心职责：
行文通篇，从 The Merge 开始叙述，讲述合并以后以太坊采用的 Casper FFG 算法，熟悉了合并以后区块的产生方式以及新的一些技术概念，随后讲到了以太坊新的挖矿方式以及目前存在的 Staking 方案，了解到验证者存在的单点故障问题，随后又深入到 DVT 技术，并通过两个项目的案例简述 DVT 如何解决了这个问题，整篇文章按照去中心化的思路叙述，为读者了解以太坊的共识算法和去中心化发展方向提供了一定的参考。
以太坊在 The Merge 以后，将会逐步实现 Danksharding，首先通过 EIP-4488 降低 calldata 的 gas 花销，从 16gwei 降低到 3gwei，为 rollup 的提速扩容进行强有力的支持，之后一步是在 Proto-danksharding 中引入 Blobs 的交易类型，使得以太坊能够为 rollup 提供更多的存储空间，降低 D/A 的成本，并逐渐实现 Danksharding。
要实现 Danksharding 中描述的数据可用性采样（DAS）、区块提议者 / 构建者分离（PBS）等设想，必须要确保以太坊网络的节点足够多，足够去中心化，数据可用性采样才能实施，也就是说要确保扩容和低成本的 D/A，以太坊的去中心化是最为重要的一环，因为去中心化的质押方案和 DVT 等技术对以太坊后续的发展至关重要。
特别感谢前火币研究院首席研究员李炼炫、Arbitrum 的集成工程师 JasonWan、Lido 社区的 Jerry、Unipass 研究员 cyberorange、Web3Q 的周齐博士以及石榴矿池的币圈李白对于本文成文的建议和审阅。
日期： 2022-09-27 14:55
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