以太坊的分片与Casper

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2307 天前

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1. 概述

纵观区块链发展历程，以太坊以图灵完备的EVM，引领了区块链2.0的发展，这是不争的事实，当然，以太坊不是完美的，但是V神和他的团队在区块链技术领域的权威有着高度共识，文章想聊聊v神以及他的团队如何操刀以太坊2.0版本。

2. 分片

交易拥堵一直是每个主链致力解决的问题，虽然以太坊的TPS对比比特币有了很大的提升，但是在技术快速更迭的区块链世界，依然面临着巨大的竞争压力，于是以太坊2.0希望在当前主链上扩容，不依赖超级节点，希望能达到数千级别TPS以提高以太坊基础公链底层竞争力。

分片后会有哪些问题呢，当然会有很多问题，分片后世界账本如何保持一致？每个分片采用什么共识？

2.1 ⼆次性分⽚提案

假设⼀个节点能处理N个交易，那么主链能追踪N个分⽚，每个分⽚都能处理N个交易，所以系统⼀共能处理N^2个交易。因此这个提案叫做⼆次性分⽚。

假设⽤变量 c 来表⽰⼀个节点的有效计算能⼒，那么在⼀个普通的区块链⾥，交易容量就被限定为 O(c)，因为每个节点都必须处理所有的交易。⼆次⽅分⽚的⽬的，就是通过⼀种双层的设计来增加交易容量。第⼀层不需要硬分叉，主链就保持原样。不过，校验器管理合约（validator manager contract，VMC）需要被发布到主链上，它⽤来维持分⽚系统。这个合约中会存在 O(c) 个分⽚（⽬前为 100），每个分⽚都像是一个独⽴的“银河”：它具有⾃⼰的账户空间，交易需要指定它们⾃⼰应该被发布到哪个分⽚中，并且分⽚间的通信是受限的（事实上，在第⼀阶段，不存在这种通信能⼒）。

2.2 世界状态如何保持一致性

分片后，首先要解决的问题是，如何将不同片区的交易导致的账本状态收敛到唯一的世界账本中，以太的账本基础数据结构是MPT（前缀树结合默克尔树的优化），如图：

我们知道，树这种数据结构是可以拼接的，如上图中，假如我们把第一层，一个块的stateroot作为另一颗树的子节点，那么这整条链降到了第二层，而这并不影响这棵树的任何属性，只是这时候第二层的块要换个名字，以太坊2.0叫它Collation：

我们来看看V神的账本结构图：

当然，同一个用户在同一个时间段内，只能分配到同一个片区内，交易需要指定它们⾃⼰应该被发布到哪个分⽚中。

而如前文所说，第一层中依然使用pow共识不变，只是这时块中的state_root是有众多的shard state root 收敛而来。块中不同片区的交易的执行，验证，世界账本的演化得到并发的执行，TPS 得到提高。

当然这里仅仅是从账本的数据结构来分析，分片后，世界账本如何既保证一致性，又能够很好的支持并发。保证世界账本的一致性，还有很多重要的问题要考虑，例如最长链选择策略等。

3 casper

3.1每个分片要用什么样的共识？

我们知道以太坊当前使用pow共识，抛去算力挖矿导致的电力浪费，温室气体排放，继而让大家觉得世界都不太美好了，那么pow除了排放温室气体，它能够用作分片片区中的共识算法吗？

分片意味着每个片区的节点数变少了，这让原来控制全网51%的算力几乎不可能变的没那么难了。显然不合适，就像大家知道的，pos成为了候选者。

当然在pos一开始被提出后，国内外很多项目一拥而上，但是现在存活下来的不多了，为什么呢，我们举两个导致使用pos系统性死亡的充分非必要例子：

1. 无厉害攻击问题。

2. 远程攻击问题。

我们来看一下无厉害攻击问题。

1. ⽆利害关系

早期的Pos机制下，只考虑到奖励，没有对应的惩罚机制，产块者倾向于两个分支都添加，因为它不用付出额外的代价，但是增加了收益概率：

在工作量证明中，这么做需要将算力一分为二，因此会影响收益：

引入惩罚机制后：

远程攻击问题：

如果某个时刻，网络中的大多数人从一个“历史久远的块”开始分叉怎么办？

所以我们需要一个协议去解决这些问题，这个协议就是casper，casper中定义了两个重要的惩罚消减条件：

Casper的白皮书对相关的安全性证明给出了详细的解释，这里不做累述，当然使用pos，还有很多问题需要考虑，例如大多数节点的生命周期管理，casper也提出了动态验证集概念，去解决对应的问题。

概括来说，在pow世界里，高昂的算力成本付出，让矿工自觉地向最长链收敛，那么在去算力的世界（pos）里，如何让产块者遵循统一的最长链选择策略？我们需要制定规则，以太坊2.0采用pos+BFT类共识，对相关的规则（casper）达成最终共识，解决这些致命的问题，而BFT类共识有需要N^2的通信代价，节点扩展性受到制约，这也是为什么分片（每个片区节点数有限）被选择作为以太坊2.0的扩容方案。