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LID:imToken Labs:以太坊 PoS 演進史_DAT

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Time:1900/1/1 0:00:00

前言

大家好!今天我們要來探討Ethereum以太坊的PoS演進史。以太坊為了提高區塊鏈的效能以及更加地環保,不斷推陳出新,讓整個區塊鏈世界產生了巨大的變革。隨著技術的不斷進步,以太坊也將開始向新的高度挑戰。讓我們一起來探討這個讓人感到振奮的演進過程!

因本文章有較深入的PoS介紹,建議已具備基礎PoW知識的讀者閱讀。

2020年12月PoS信標鏈上線

為了將耗能的PoW升級至節能的PoS,以太坊在2020年12月1日時,上線了以PoS共識機制為主的以太坊信標鏈!

PoS名詞解釋

在PoS中,有些名詞會和PoW稍微不同!

Block的概念改為Slot與Epoch。平均來說,每12秒會出一個Slot,而每32個Slot稱為一個Epoch。

Difficulty改為SlotPrevRandao。

Miner改為Validator與負責出塊的SlotProposer。

目前,若要成為Validator,需使用Validator私鑰及Withdrawal私鑰來建置不停機的驗證節點,接著將帶有以下指定Data32ETH的交易打到Deposit合約中:

pubkey:Validator公鑰,鏈上唯一識別用

withdrawal_credentials:將Withdrawal公鑰作SHA256后,將最左側2位元由0x00替換而得

signature:由Validator私鑰向(pubkey,withdrawal_credentials,deposit_amount)資料進行簽名

ImToken將支持MatterLabs擴容方案zkSync:3月29日消息,去中心化錢包imToken宣布與以太坊擴容團隊MatterLabs達成深度合作,將支持其Rollup方案zkSync。除了在錢包產品中原生支持zkSync之外,imToken在DApp瀏覽器中開放Layer2專區,上架優質Layer2DApp提供給用戶,還支持了自定義節點功能以及EIP-3085,大幅提升了imToken對Layer2項目的兼容性,即便沒有原生支持,只要手動配置節點就可進行支持。[2021/3/29 19:25:54]

deposit_data_root:由上述pubkey、withdrawal_credentials、signature建立HashTree,并取得其HashTreeRoot而得

Slot與Epoch、Validator與Proposer

成為SlotProposer要做的事

在下一個Epoch到來前,每個Slot會透過Randao隨機數指定1位Validator成為此Slot的Proposer,而他要完成2件事!

第1件事:建立區塊,并讓其他Validator進行驗證及投票。

理想上,SlotProposer會在最新的區塊后面,直接建置下一個區塊,如同PoW時期以維持最長鏈原則。但實際上,可能會因P2P網絡延遲、惡意節點嘗試攻擊等,導致SlotProposer未必能在最新的區塊后面建置下一個區塊,造成區塊鏈分叉。這時,需請其他的Validator進行區塊投票,得票高者即可成為下一個區塊。若惡意節點故意在同一個Slot時段內建立2個區塊,則會被施以嚴重的大幅削減處罰并退出網絡。

imToken開啟Polkadot錢包內測 將推出認領與質押功能:據官方消息,昨日imToken開啟了第一輪波卡錢包內測。并將于近日在其內測包中推出Polkadot的認領與質押功能。

隨著Polkadot正式進入NPoS階段,其活躍的社區驗證節點數迅速從20個增102個,進一步向去中心化網絡邁進。[2020/6/23]

第2件事:提出一個隨機數種子S,并公開Hash(S)結果。

因為少了過去PoW的算力競爭,但直接指定Proposer有違去中心化,所以需要一個由眾多SlotProposer一同決定的Randao隨機數,用來選定下一個Epoch的SlotProposer們

第1件與第2件事不斷重復,使得區塊鏈不斷地產生新區塊。

Slot的Validator數量推算

在說明每個區塊及Epoch需要多少票數前,先進行目前Slot的Validator數量推算!

回顧一下:每12秒為一個Slot,而每32個Slot為1個Epoch。由Beaconscan網站可得知,目前撰文時全球總共約有512,000名以太坊Validator。

所以,每1個Epoch約會有512,000名Validator進行投票。平均下來,每1個Slot約會有512,000/32=16,000名Validator進行投票。

每個Validator要做的事

扣除負責出塊的SlotProposer,剩下N-1的Validator需在每個Slot中完成Attestation工作,即向支持的區塊及Epoch來進行投票!

投票1:向支持的Epoch投票,支持的Epoch包含需同時選定TargetEpoch及SourceEpoch。

動態 | imToken 2018年數據統計:交易次數排名前三的代幣是ETH、EOS、BTC:imToken對其2018年的相關數據進行了統計,其中包括:累計安裝設備達到751萬;安卓和iOS 設備比率為7 : 3;除了中國安裝最多外,其他安裝imToken的國家排名依次是——美國、印度、印度尼西亞、韓國、菲律賓、馬來西亞、日本、越南、澳大利亞、泰國;累計交易次數突破245萬,交易次數排名前三的代幣是ETH、EOS、BTC。[2019/1/6]

Target為Validator認同當下所在的EpochSource為Validator認同最近的Epoch若某個TargetEpoch結束,并得到超過2/3Validator的票數,則此Epoch標示為Justified,故最快要等上1Epoch=6.4分鐘的時間。

承上,若此Target緊連的SourceEpoch也得到2/3票數,則此SourceEpoch標示為Finalized。因此,最快要等上2Epoch=12.8分鐘的時間

EpochFinalized之前的區塊規定不可再被更改

Justified與Finalized的Epoch判斷方式

投票2:向支持的區塊投票

可對過去1Epoch內的Slot區塊進行投票。

如果Validator有以下行為會無法拿到獎勵

投給舊的、錯誤的區塊投票經常延遲或設備離線,但如果網絡出現4個Epoch都沒被Finalized的情況,則會有罰款如果Validator有以下行為會進行嚴重處罰,同個私鑰同時存在兩臺不同機器上導致同一Epoch時間內有2次對區塊的投票行為。將機器遷移時,沒有將資料庫也遷移,導致遷移的機器向同一區塊重覆投票的行為如果被Slash處罰一次或因罰款導致余額低于16ETH,則會被強制踢出網絡。從beaconcha統計數據可得知,自信標鏈上線以來被Slash總共有229名Validator,大多為非惡意的機器設置錯誤導致,約占整體Validator的0.045%。

Imtoken持有200億美元的Coinbase客戶資產:據Coinbase的一位發言人說,Imtoken的這款應用已經儲存了超過350億美元的密碼貨幣資產,其中包括超過200億美元的Coinbase客戶資金。[2018/6/5]

本節重點整理

PoS是由鏈上所質押的ETH作擔保,來維持分散式共識,好處是:環保,且質押的ETH平均有4%年化報酬。

但此時要自建24小時不停機節點質押至少32ETH,門檻過高

對于僅有少量ETH卻又想參與PoS網絡的散戶該怎辦?所以,像是Lido等服務商,就有提供收取質押獎勵的10%作為手續費,讓散戶進行小額質押。而且,更特別的是Lido還提供質押ETH兌換stETH代幣,讓散戶可在二級市場進行stETH交易。

從Dune統計數據可得知,目前所有質押的ETH約占總供應量約14.66%

2022年9月PoS信標鏈與PoW以太坊完成合并

眾所期待的PoS以太坊終于在2022年9月15日完成合并!此時,只能使用Validator進行質押挖礦,而使用顯卡挖礦的礦工時代也真正地成為了過去!

雖然,一般使用者仍可按照過去PoW使用方式進行ETH轉帳或合約交易;但實際上經過TheMerge升級后,以太坊節點已拆分成ExecutionLayer執行層及ConsensusLayer共識層了

以太坊節點區分CL及EL層

在TheMerge后采用了PoS共識,雖然PoW機制被移除,但是PoW的ExcutionLayer卻合并到BeaconChain中。

前烏云社區的聯合創始人和首席技術官Blu加入imToken:據了解,安全界知名白帽,清華長三角研究院網安實驗室負責人,前烏云社區的聯合創始人和首席技術官Blue , 將以首席安全官的身份正式加盟 imToken,負責 imToken 的產品安全。[2018/3/12]

ExecutionLayer執行層仍與PoW時一樣進行:

執行EVM虛擬機但是,當區塊分叉時,取代PoW機制,會由CL層告知哪一個區塊是HeadBlockConsensusLayer共識層就負責:

進行ProofofStake共識當區塊分叉時,采LMD-GHOSTForkChoiceRule共識來決定

TheMerge升級前,ExecutionLayer的內容

完成TheMerge升級后,ExecutionLayer的內容與過去PoW時期相同

然而,對于執行以太坊節點的營運者,可以決定將CL節點、EL節點拆分建立,并使用元件所提供的EngineAPI來進行溝通。甚至可執行其中一個元件,另一個元件則與其他節點共用。

本節重點整理

TheMerge合并之后,將以PoS的取代PoW以太坊,無法使用顯示卡挖礦。

但此時Validator們仍無法贖回已質押的以太幣,所以才會有下一個重大的升級:上海硬分叉。

2023年第2季以太坊信標鏈進行上海硬分叉升級

以太坊PoS信標鏈于TheMerge后另一項重大的升級:上海硬分叉,終于讓為數眾多的的Validator開放讓為數眾多質押ETH的贖回申請,但考量到系統的穩定性,每個Epoch可退出的Validator或ETH數量是有限制的!

質押退出機制

關于欲將已質押的ETH贖回,除了您需等待2023年第2季上海硬分叉升級完成外,Validator還需將EL/CL節點升級、在CL節點上修改收益地址等前置作業,即可進行ETH贖回請求啦!分為2種形式:

關于前置作業細節可參考imToken先前發布的「上海升級,和你有關嗎?」文章!

部份贖回

將超過32ETH的其他ETH給贖回因目前一個12秒的Slot最多只能有16次的部份贖回額度,以全網有512,000Validator來計算,平均每個Validiator要等4.44天才能收到ETH。全部贖回并退出Validator角色

因目前一個6.4分鐘的Epoch只能退出6名Validator,所以會依照申請的順序來進行全部贖回注:實際上,為避免一次大量Validator退出網絡而導致安全性問題,所以每個Epoch可退出Validator數量會依照全網Validator總數來進行限制而以上無論是部份贖回,還是全部贖回,因為都在CL節點上廣播請求,所以也均無需Gas費用

每個Epoch可退出Validator數量會依照全網Validator總數來進行限制

上線前需充分測試

另外,此次升級還需在各個測試網上進行充分測試,才會正式上線!

2023/02/07可提款的Zhejiang測試網上線2023/02/28進行Sepolia測試網的上海硬分叉升級2023/03進行Goerli測試網的上海硬分叉升級還有其他的提案

而且,這次升級除了EIP-4895是主要提案外,還會一同實現以下EIP提案:

EIP-3651預熱COINBASE:啟動「COINBASE」地址的預熱功能,降低交易手續費消耗EIP-3855增加PUSH0指令:將常用的「常數0推送」操作變成一個指令,將可減少合約程式碼大小EIP-3860限制和計價initcode:增加合約部署規范,避免部署程式碼過大占用空間EIP-6049新增SELFDESTRUCT停用警告:更新SELFDESTRUCT指令的文件說明,警告使用者該指令未來將被停用未來,本專刊將會為重要的EIP提案來撰寫文章進行說明。

本節重點整理

開放質押的ETH贖回,但基于安全理由,每個Epoc只能退出6個驗證者(因此每天約有1,350個驗證者or43,200ETH可退出。

若您剛好是以太坊信標鏈的Validator,強烈建議在上海升級前閱讀「上海升級,和你有關嗎?」文章,來了解這次上海升級時您一定要做的幾件事情!

總結

綜觀整個PoS演進史,以太坊始終保持著為用戶提供最優秀的使用體驗和開發環境的初衷。PoW到PoS,不斷的改變也帶給了我們更加高效和環保的區塊鏈世界。上海硬分叉升級將為以太坊帶來更多的可能性;在未來,隨著這一系列EIP提案的引入,Ethereum將越來越容易地融入日常生活中,并且讓人們都可享受到區塊鏈帶來的安全性與方便性。讓我們一起期待以太坊的更美好未來!

參考資料

中文以太坊SafeHead機制介紹https://medium.com/imtoken/safe-head-part-1-14071f14016bEth2.0的共識層和執行層分工及TheMerge影響https://medium.com/taipei-ethereum-meetup/eth-2-0-cl-el-separation-and-impact-of-the-merge-dbeb6828c907英文Blocknative-AStaker'sGuidetoEthereumSlashing&OtherPenaltieshttps://www.blocknative.com/blog/an-ethereum-stakers-guide-to-slashing-other-penaltiesETHWithdrawalsFAQhttps://notes.ethereum.org/@launchpad/withdrawals-faqHowdoestheNEWEthereumwork?https://www.preethikasireddy.com/post/how-does-the-new-ethereum-workProofofStakeRewardsandPenaltieshttps://ethereum.org/en/developers/docs/consensus-mechanisms/pos/rewards-and-penalties/

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