破碎与重生：以太坊合并后的新征程

原文：《后合并时代：以太坊新共识的突破与重生》

作者：Frank Fan，0xCryptolee，Arcane Labs

“只要你有勇气做出承诺，世界会帮你扫除无法逾越的障碍。为了完成你未完成的梦想，宇宙永远不会阻止你前进的步伐，这就是它的本质。”

——以太坊 PoW 时代最后的区块消息

以太坊经历了历史性升级，发展进入新阶段。 合并后，以太坊将继续朝着扩张和去中心化的方向前进。 Merge只是PoS时代的第一步。 以太坊仍然面临着巨大的挑战。 验证者群体的中心化、膨胀、Lazy Validator Problem等问题仍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，着重探索利用DVT技术解决验证者单点风险问题，与从业者分析以太坊存在的问题和未来发展机会. 推荐对以太坊有一定基础的读者阅读本文。

一、Merge1.1背景

Merge 是以太坊历史上最大的技术升级。 2022 年 9 月 15 日，执行层和共识层合并。 最大的变化是将以太坊的 PoW 共识切换为 PoS 共识。

此外，合并后以太坊的能源消耗降低了近99.95%。 根据 Vitalik Buterin 的推文，合并以太坊将使全球电力消耗减少 0.2%。

1.2 合并带来的变化

在切换到 PoS 共识后，以太坊的算法已经从 Ethash 转换为 Casper FFG（Gasper）。 区块，让我们继续探索以太坊的共识算法和区块生成方式！

2.加斯帕

目前信标链上质押了13,830,378 ETH，活跃验证者数量为432,203（截至2022年9月23日）。 根据 PBFT 的特点，信标链中的验证者数量多，网络通信数据量大。 简单的PBFT已经不适用于以太坊网络，所以以太坊利用PBFT的思想在网络结构上改进和设计了网络架构，并使用了Gasper算法。

Gasper是信标链协议中的一个finality tool（finality gadget），用于确定哪些区块应该被参与者认可为固定的和不可更改的，用于在分叉时确定哪条分叉链是主链。 链。 Gasper 的终结性概括了“Casper Friendly Finality Gadget (casper FFG)”论文中的概念。

2.1 概念

2.2 过程

在Epoch开始时，RANDAO为每个Slot（时间段）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，聚合委员会对前一个Epoch的Attestation记录到Slot块中。

RANDAO通过产生随机数来确定Proposer负责出块。

在当前Epoch中，当每个Slot都在出块时，委员会会对上一个Epoch的checkpoint进行Attestation。 两个 Checkpoint 的 Attestation 完成后，最后一个 Checkpoint 被 Finalized，直到 32 个 Slot 依次被 checked。 进行鉴证，本轮Epoch结束。 当Post-Epoch的第一个Slot开始时，Pre-Epoch达成最终共识，即Post-Epoch经历了Pre-Epoch和current Epoch，一共两轮Epoch（因为这两个Attestation checkpoints，如果有冲突检查点，肯定有1/3的验证者作恶了，比如32 64 96这三个区块高度可能在64的高度都达不到检查点，而在第96处会有一个检查点，这时候， 32高度被Finalised），时间为12.8Min，交易在链上得到确认，也就是所谓的finality。

2.3 特点

RANDAO 在链上给出随机数。 RANDAO生成的随机数会被放入Execution Layer Block，智能合约可以直接使用随机数。 在链上有了原生随机数之后，DeFi 可能会有新的应用。 例如，赌博 DeFi 应用程序可以直接信任和使用 RANDAO 生成的随机数。

2.4 Latest Message Driven GHOST（LMD-GHOST，最新消息驱动的GHOST）

在以太坊新的POS共识机制中，采用LMD-GHOST作为分叉选择规则。 当发生分叉时，GHOST 会选择一个接收更多消息支持的子树。 它背后的想法是通过在计算链头时仅考虑每个验证者最近的投票而不是过去产生的任何投票来减少运行 GHOST 所需的计算量。

想了解更多的可以参考：

2.5 随之而来的问题

3. 以太坊质押挖矿 3.1 Staking

质押门槛：为了履行职责参与共识区块生成，验证者需要质押32ETH作为保证金资产。

验证者的职责：在协议规定的时间出块和证明。

3.1.1 质押方式

在节点运营方面，丽都选择指定一些专业的运营商来运营网络节点，这也是其相对中心化的一点。 运营方持有签名私钥，用户资产部分信任丽都和运营方。 提现私钥，2021年7月之前，提现地址为6/11多重签名地址，多重签名私钥由OG在业界保管。 2021年7月之后，提现地址指向一个可升级的合约地址，由DAO管理。 Rocket Pool 在节点方面选择更加去中心化。 任何人只要提供16个ETH和相应的软硬件设备，就可以作为运营商运行一个节点。 虽然降低了运营商的门槛以太坊通缩率，但Rocket Pool引入了$RPL质押，以降低运营商作恶的风险。

Staking Pool的解决方案使得普通用户可以将少量的ETH存入合约，获得以太坊的挖矿奖励以太坊通缩率，同时返还stETH、rETH等生息代币，释放质押资产的流动性，进一步提升以太坊的去向中心化程度和资金使用效率是社区最看好的方向。

3.1.2 风险及隐患

合并后真的就万事大吉了吗？ 我不这么认为。 从下图中的数据，我们可以窥见信标链解除提现限制后的情况。

目前以太坊的质押量主要集中在Lido、Coinbase和Solo Staking。 合并后，大量新增的以太坊质押流向了Lido、Coinbase等相对中心化的机构和协议。 提现限制解除后，我想原来质押的以太坊会重新分配给Lido和Coinbase。 随着时间的推移，Lido 和 Coinbase 将掌握越来越多的以太坊验证者和质押物，最终将为以太坊带来去中心化。 一个严重的威胁，当他们控制了以太坊之后，对于想要再次打破这种局面的交易，他们会被Lido或者Coinbase这样的大型矿池拒绝，因为你想要质押ETH到以太坊的交易能否通过他们说了算上链与否，新产生的ETH也会集中到ETH多的人手里，因为他们质押时有大量的ETH，这无疑有利于以太坊的去中心化。 新的挑战，我们可以期待社区和核心开发者共同努力解决这个问题。

3.1.3 奖励类型

3.1.4 处罚类型

3.2 私钥类型 3.3 ETH2 质押风险

4.分布式验证器技术（DVT）

在质押层面，虽然我们有去中心化的质押方案来降低质押门槛，提高质押服务的去中心化程度，但是在Validator层面，仍然存在单点风险。 现在单个验证者运行网络的多个客户端 最后，如果由于网络原因或者断电等物理因素会造成减速惩罚，槽将无法收集到有效签名，我们不能运行同一个验证者节点以冗余的方式在多个地方，因为这样会造成签名的混乱，会被认为是对网络的攻击，但是我们可以拆分签名私钥，使用DVT技术来降低单点故障的风险。 由于网络升级，导致大面积节点离线。 具体分析，请让我们进一步探讨！

4.1 概念

4.2 分布式验证人节点需要运行 4.3DV 如何防范 ETH2 质押风险

私钥被盗

节点宕机

崩溃故障：

拜占庭错误：

4.4 总体架构

4.5 实现DVT技术的两条路径

4.6 门限签名方案（TSS）（threshold signature scheme）

当验证者对区块达成共识，需要签名时，采用BLS门限签名方案实现签名。 它允许 N 个验证者共同签署数据，如果 t+1(0) 个验证者正确签名，则获得完整签名。 通过tss方案，实现了每个验证者无法获得完整的签名私钥，也保证了完整签名的顺利生成。

5.从主流项目查看DVT5.1 SSV

从表面上看，SSV 为以太坊质押生态系统提供了一个强大的、去中心化的入口。 再深入一点，SSV 是一个复杂的多重签名钱包，具有共识层，SSV 充当信标链节点和验证者客户端之间的缓冲区。

5.1.1 配置的主要组成部分

5.1.2 SSV生态的三类参与者

5.1.3 ssv.network DAO负责以下任务：

5.2 欧宝

Obol 是一种通过多运营商促进最小化信任的协议。 该协议可以作为各种web3产品的核心模块，以较低的信任成本获得以太坊质押收益。

5.2.1 Obol的四大核心公共产品：

5.2.2 关键概念：

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，专注于两个核心职责：

所有验证人签名的候选责任共识 将所有验证人的签名组合成一个分布式验证人签名

六、总结与展望 6.1 总结

整篇文章，从The Merge开始，介绍合并后以太坊采用的Casper FFG算法，熟悉合并后的出块方式和一些新的技术概念，然后讲以太坊新的挖矿方式和现有的staking解决方案，了解了validator的单点故障问题，然后深入到DVT技术，通过两个项目的案例简单描述了DVT是如何解决这个问题的。 整篇文章按照去中心化的思想进行描述，为读者理解以太坊的共识算法和去中心化的发展方向提供了一定的参考。

6.2 展望

The Merge之后，以太坊将逐步实现Danksharding。 首先，EIP-4488会将calldata的gas成本从16gwei降低到3gwei，为rollup的提速和扩容提供有力支持。 下一步是在 Proto-danksharding 中引入 Blobs 交易类型，使得以太坊可以为 rollup 提供更多的存储空间，降低 D/A 的成本，逐步实现 Danksharding。

为了实现Danksharding中描述的数据可用性采样（DAS）和区块提议者/构建者分离（PBS）的思想，需要保证以太坊网络中有足够的节点和足够的去中心化来实现数据可用性采样. 也就是说，要保证扩容和低成本D/A，以太坊的去中心化是最重要的一环，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。

特别感谢火币研究院前首席研究员李连轩、Arbitrum集成工程师Jason Wan、Lido社区Jerry、cyberorange、Unipass研究员、Web3Q周奇博士、石榴矿池李白的建议和帮助这篇文章的评论。

参考

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