ETH2.0中的CASPER FFG机制

我上一篇文章 何为CASPER FFG讨论的是关于Casper Friendly Finality Gadget （Casper FFG）的基础知识，那么这篇文章的第一部分将重点介绍信标链Casper FFG机制实现的高层级细节，第二部分将讨论分叉选择规则（fork choice rule）和活性的其他相关因素。

这篇文章解释的是直接从Eth2.0规范中挑选的概念，我会尽可能地提供规范中参数与函数的相关链接。这些链接仅供参考，因此无需查阅这些链接也能读懂这篇文章。

Casper FFG 机制

Slots、 Epochs 及 Attestations

Slots （时隙）：区块链上的时间是按照 slot 来划分的，每个slot期间有一个新区块被提议。每个slot为12秒，一个slot分配一个验证者提议产生一个新区块。

Epochs（时段）：Casper FFG机制无需在完整的区块树上运行，仅处理投票所需的某些特定slot的区块即可。因此，在通过查看投票情况以对区块进行最终确定时，能够免于查看过多来源区块 – 目标区块对，从而减少了成本。由于这些特殊slot为验证者提供了足够的投票时间，因此当每次进行FFG最终确定性检查时，预计将看到绝大多数验证者的新投票结果。每个epoch由32个slot组成，所以每个epoch的时间长度为6.4分钟，即 1 epoch = 32 slots * 12s = 6.4mins。FFG机制只处理这些epoch的边界区块（称为”检查点（checkpoints）”或“epoch边界区块（EBB）”）。

假设每个epoch由3个slot组成，Slots和Epochs之间的关系示意图，其中区块A、D、G是检查点

Attestations（证明）：指的是Casper FFG投票，其中包含诸如来源区块、目标区块、进行证明时的slot编号及验证者的标识符等信息。证明由验证者广播到p2p网络，最终再由区块生产者打包进区块。

Casper FFG 机制的变化

与我以前的文章中提到的相比较，最终确定性的定义有所改变。

Finalization（最终确定性）：区块B已最终确定的条件如下：

• 或是充当创世区块
• 或是B_0已被证明，条件如下：
  • slot编号按顺序递增，检查点也随之按[B_0, B_1, … , B_n]顺序排列，其中n >= 1，这些检查点区块位于同一条链上且已被证明。
  • 同时超过2/3的验证者已将票投给 (B_0, B_n)

黄色区块处于已证明状态，红色区块处于最终确定性状态

更改后的定义仍然保留了上一篇文章中Casper FFG安全证明的概要。关于完整证明的内容，请参见本文的“安全性”部分。

Casper FFG 最终确定性检查

信标链采用链上FFG机制来处理区块与证明，以检测最终确定性。在每个epoch边界，该机制都会处理新的证明，并更新已证明与已最终确定区块的信息。

为了尽可能降低任何来源区块-目标区块对之间证明的处理成本，链上FFG机制仅处理特定的来源区块-目标区块对，即只处理当前与上一个epoch的证明（事实上还要满足更多条件）。这种特性导致链上FFG机制无法检测所有最终确定性实例！简而言之，这种链上机制是合理的，但并不完善。

另外，由于仅处理最后两个epoch的证明，该机制还引入了网络同步假设（etwork synchrony assumption），假设证明在两个epoch的时间内广播到全网。

链上FFG机制规范十分简单：

• 第一步要检查区块合理性。采用最后两个epoch的新证明来检查它们的边界区块是否合理。
• 下一步要检查区块最终确定性，检查对象是最后两个epoch的边界区块。仅对四组来源区块-目标区块对进行最终确定性检查，以求提高性能和简化规范。

此图展示最终确定性检查涉及的检查点，黄色区块为已证明状态，红色区块为已最终确定区块

分叉选择与验证者计划

尽管Casper FFG机制对区块最终确定保证规则进行了概述，但并未提及在实践中如何保证网络活性。（注意：本文并非试图证明网络活性，而是概述有望保证活性的过程。相关严谨分析，请参阅此文。）

本文这部分将重点关注两个主要的活性相关因素：

• 验证者用来查找区块链头所执行的分叉选择规则
• 验证者遵循的区块生成与证明计划

HLMD GHOST 分叉选择规则

提议区块的验证者首先必须找到本地区块链头，为此，他们要遵循Hybrid Latest Message Driven (HMLD)GHOST作为分叉选择规则。

分叉选择规范如下：

1. 在每个epoch开始的时候，验证者确定当前视图下的最新已证明区块。这一变量会在该epoch内被冻结，并在下一个epoch开始时再次更新。
2. 筛选并排除出没有把步骤1确定的已证明区块作为此区块链中最新已证明区块的区块。
3. 遵循一般LMD GHOST规则，由上至下遍历区块树，直到找到叶节点为止。

分叉选择的更多相关信息，请参见此文的“Hybrid HLMD GHOST”部分。

验证者计划

每个验证者对网络负有两大主要责任：提议新区块和在其本地视图中证明最佳区块，为此制定了验证者计划，以防止产生混乱和简化网络中的消息传递。此计划由每个验证者利用从当前信标链状态获取的随机性计算而得，以免攻击者支配验证者计划。

提议计划（Proposal Schedule）：在每个epoch中的每个slot，都会有一位验证者被分配为提议者。该验证者遵循分叉选择规则在区块树的本地视图中找到链头，并为该链头生成一个新的子块。验证者将其见到的证明打包到区块中并获取奖励。当进行最终确定性检查时，这些证明将输入到链上FFG机制。

证明计划（Attestation Schedule）：每个epoch中的每个slot中的每个验证者都要生成证明。实际上，对于每个epoch，整个验证者集被随机划分为SLOTS_PER_EPOCH个等同大小的委员会，这些委员分别被分配到一个特定的slot，然后生成证明。在生成证明时，验证者将根据其本地视图，以最后一个已证明区块作为来源区块，以链头后的最新检查点作为目标区块。

验证者计划的更多相关信息，请参阅Eth2.0规范中的验证者指南。

来源 | adiasg.me 作者 | Aditya Asgaonkar 感谢Danny Ryan与笔者共同讨论及审阅文章。