以太坊：Safe Head 機制介紹（二）_TTE:TEST

作者：NicLin，imTokenLabs資深區塊鏈工程師

本文受眾：區塊鏈開發者

上一篇介紹了SafeHead機制，這一篇將介紹imToken嘗試實踐的SafeHead版本以及除了SafeHead之外能做的事，最后會介紹CasperFFG以及該怎么使用Checkpoint和SafeHead。

上一篇最后有提到SafeHead算法還沒落地，雖然目前PoS運作都正常，但我們在imToken仍嘗試設計出自己的SafeHead版本，希望在過渡期能獲得比BlockConfirmationRule更可靠的區塊參考，讓使用者的體驗比較不會受到網絡波動所影響。

過渡期及SafeHead之外能做的事

imToken在嘗試自己的SafeHead版本

目前的版本是由BlockConfirmationRule加上得票率的篩選，例如未來三個區塊得票率都大于90%，或是未來四個區塊得票率都大于70%。如此雖然比單純BlockConfirmationRule還可靠，但只單純看未來X個區塊存在無法反映實時投票率變化的缺點。未來還需要更多的迭代和改進。

那除了SafeHead，還有什么是現在我們能做的呢？

監控區塊及epoch投票率

PoS的優點之一是我們能透過觀察投票狀況來提前察覺網絡是否有問題、攻擊是否正在發生等等，能夠有一個監控系統來監測可以讓我們提前做出反應，不管是送出警報、拉高SafeHead門檻，或是將SafeHead設回一個更保守的區塊。

Michael J. Casey：向股權證明的重大轉變的影響并未計入以太坊市場:金色財經報道，CoinDesk首席內容官Michael J. Casey表示，向股權證明的重大轉變的影響并未計入以太坊市場。眾所周知，合并是加密貨幣歷史上對區塊鏈協議最重要的改變。投資者的問題是，以太坊的原生代幣ETH市場是否正在為這一重大轉變定價。我認為不是，主要是因為機構投資者最終會在“以太坊 2.0”中找到價值。我對更高的以太坊價格的期望并不一定意味著以太坊 2.0 將完全遵守最純粹的去中心化原則。它們是兩個不同的東西。

以太坊的投資者有多年的歷史先例，懷疑這件事能否繼續發展。即使合并確實進行了，在這個極其復雜且具有內在爭議的轉變中，故障和失敗的可能性很大。如果發生這種情況，DappRadar 警告說，去中心化金融 (DeFi) 協議和其他建立在以太坊之上的系統可能會產生負面的連鎖反應。[2022/9/3 13:05:47]

而這些都只需要算出區塊投票率即可，也就是第一篇提到的步驟

查詢新的區塊并記錄區塊，包含分叉鏈的區塊也要能查詢得到獲取區塊里的Attestation并記錄Attestation針對每個區塊，搜尋所有Attestation.beaconBlockRoot==Block.blockRoot的Attestation，去掉重復的Validator得出該區塊得票數算出每一個slot的總Validator數量，除上得票數，算出得票率注：計算epoch投票率會在第三步和區塊投票率不太一樣，在后面會再補充解釋。

以太坊網絡當前已銷毀254.18萬枚ETH:金色財經報道，據Ultrasound數據顯示，截止目前，以太坊網絡總共銷毀2541859.06枚ETH。其中，OpenSea銷毀230049.48枚ETH，ETHtransfers銷毀234389.71枚ETH，UniswapV2銷毀135015.88枚。

注：自以太坊倫敦升級引入EIP-1559后，以太坊網絡會根據交易需求和區塊大小動態調整每筆交易的BaseFee，而這部分的費用將直接燃燒銷毀。[2022/7/17 2:19:18]

其中第二步、第三步及第四步在實踐上有一些需要注意的地方：

第二步：獲取區塊里的Attestation

同一個slot且同一個committee的Validator所產生的Attestation不會總是被完美合并成一個，所以會常常出現同一個slot同一個committee的Validator的Attestation在不同區塊被收錄。如果你透過beaconcha.in來查詢一個區塊的話，你會看到投給它的Attestation分散在不同區塊，以區塊4835000為例，你可以看到雖然大多數的committee的Attestation都在下一個slot4835001被收錄，但仍有些投票是在后面的slot才被收錄：

?Committee10其中一個Validator的Attestation在slot4835010才被收錄

以太坊未確認交易為109,719筆:金色財經消息，據OKLink數據顯示，以太坊未確認交易109,719筆，當前全網算力為396.12TH/s，全網難度為5.26P，當前持幣地址為55,646,588個，同比增加160,934個，24h鏈上交易量為2,958,916.75ETH，當前平均出塊時間為12s。[2021/3/1 18:01:46]

所以在資料庫里要唯一識別「同一個slot且同一個committee的Validator所產生的Attestation」會有點麻煩，要不(1)遇到同樣的Attestation但在不同區塊收錄時，將Validator合并起來，但如此就沒辦法呈現像上圖那樣的資訊，也分辨不出合并過哪些Attestation；要不(2)用Attestation被收錄的區塊號碼及Attestation被收錄的排序來識別Attestation，如此就能分得出同樣的Attestation在不同區塊被收錄的情況。

區塊4835000收錄的65個Attestation中的第一個Attestation

第三步：AggregationBits

每個Attestation會有一項叫做AggregationBits，這是一個bit陣列，用來記錄這個Attestation是由committee中的哪幾個Validator的Attestation所合并而來。

以slot4823390的區塊里所含的第一個Attestation為例，其CommitteeIndex為42，代表這個Attestation是由committee42的Validator的Attestation所合并而成。另外其AggregationBits為214個bits，其中只有4個bit是1，代表這個Attestation是由committee42一共214個Validator中第28、第58、第84及第147位Validator的Attestation所合并而成。

聲音 | 以太坊開發者：“冰河時代”實施存在不必要的復雜性，且在社區交流上很混亂:以太坊開發者已提出了一種名為Muir Glacier的硬分叉，以應對即將到來的“冰河時代”，而這可能會導致以太坊主網的運行速度顯著放緩。冰河時代也被稱為難度炸彈，這段代碼人為地降低了以太坊區塊鏈上區塊的生產速度，因此對那些在以太坊過渡到PoS之后可能選擇繼續使用PoW的礦工起到了威懾作用。然而，根據開發人員James Hancock的說法，現有的冰河時代實施存在一些不必要的復雜性，并且在社區交流上是混亂的。他補充說，對該設計的任何更新都應該能夠以一種簡單明了的方式對網絡的影響進行建模，這種方式很容易預測硬分叉何時會發生。但目前他認為情況并非如此。Hancock進一步指出，以太坊即將進行的硬分叉將“在合理的范圍內”推遲該機制，以便給開發人員時間來決定是更新冰河世紀從而使其表現變得可預測，還是完全刪除它。（Cointelegraph）[2019/12/4]

這四位Validator的編號分別是218385、32675、220759及323143

另外需要注意的是你從節點要回來的Attestation，里面的AggregationBits會是經過SSZ編碼過后的值，不是你在上圖中看到的格式，所以需要自己先用SSZ解碼。以下是解碼上面這個Attestation的AggregationBits的范例：

import{BitArray,BitListType}from"//DeserializebytearraytobitlistwithSSZlibraryconstCommitteeBits=newBitListType(byteArraySize*8)constaggregationBitList=??????CommitteeBits.deserialize(byteArray)????????.toBoolArray()????????.map((v)=>(v?1:0))

動態 | 以太坊未確認交易34246筆:根據etherscan.io數據顯示，目前以太坊的網絡未確認交易筆數為34246筆，相較之前有所緩解，但整體網絡依舊較為擁堵。[2018/11/20]

第四步：算出Slot的Validator數量

實際上要獲取每一個slot確切的Validator數量會需要用eth/v1/beacon/states/{slot}/committees這個API，回傳的資料會包含該slot每一個committee所有的Validator的編號，加總所有committee的Validator數量就能得到該slot確切的Validator數量。但如果不要求精準的話其實也可以直接將當前Validator總數除以32個slot。

計算epoch投票率

前面有提到epoch投票率和區塊投票率在計算上不太一樣。計算區塊得票率時，要找的是投給該區塊的Attestation，也就是Attestation.beaconBlockRoot==Block.blockRoot，但epoch的投票目標則會是epoch第一個區塊的blockRoot。

計算epoch得票數：搜尋所有Attestation.epochTargetRoot==getEpochFirstBlock(epoch).blockRoot的Attestation，去掉重復的Validator得出該epoch得票數。

epoch總投票數則是加總該epoch每個slot的Validator數量，再除上得票數即能得到epoch得票率。

注：如果epoch第一個slot是空區塊，則往前從過去的slot中找到最近一個非空區塊。

Epoch10第一個區塊是空區塊，則投給epoch10的票要填入epoch9最后一個區塊

第一篇及以上部分算是介紹完了SafeHead的機制，最后這邊再搭配CasperFFG的介紹，讓DApp開發者或使用者能知道如何來利用這兩個工具。

CasperFFG

CasperFFG是以epoch為單位的共識機制，一個epoch要先獲得超過2/3Validator投票成為JustifiedCheckpoint，接著再獲得一次超過2/3投票才會變成FinalizedCheckpoint。

JustifiedCheckpoint

一個epoch要變成Justified最快要經過一輪的投票，也就是一個epoch，6.4分鐘。但變成Justified后還不代表是真的安全的，攻擊者還是能讓兩條分叉鏈上的epoch輪流變成Justified，導致一直沒有新的epoch能變成Finalized。雖然新的區塊還是會一直被propose出來，但從CasperFFG的角度來看，共識機制基本上停擺了，即共識機制的liveness被破壞。

不過要能攻擊成功需要攻擊者占有一定的Validator數量，以及網絡要出現問題導致Validator的投票無法實時傳遞到網絡的另一端。

更多介紹可以參考BouncingAttack。

FinalizedCheckpoint

一個epoch要變成Finalized最快要經過兩輪的投票，也就是兩個epoch，12.8分鐘。雖然比較久但是安全非常非常多，攻擊者要能成功讓兩條分叉鏈上的epoch被Finalized不只需要攻擊者占有超過1/3的Validator，以及網絡出現問題，攻擊者在事后更會被slash至少1/3的Validator，1/3Validator抵押的Ether目前約等價于72億美元。這樣的攻擊破壞的是共識機制的安全性。

要怎么使用Checkpoints及SafeHead？

用Checkpoint來當作Finality

在PoW里，每個DApp都只能自己主觀預估一個BlockConfirmationNumber來確保Finality，但在PoS里，協議本身就提供一個客觀的Finality，雖然等待的時間可能比BlockConfirmationRule還久，但安全性會遠勝于BlockConfirmationRule。

當你在查詢某個鏈上狀態時，你可以透過指定BlockTag為finalized，節點就會回傳給你FinalizedCheckpoint那當下的狀態：

awaitprovider.getBalance("vitalik.eth","finalized")

用SafeHead呈現即時資訊

DApp需要Finality的話可以使用Checkpoint，那在平時前端顯示畫面給使用者時，數據要參考什么時間點的呢？總不可能顯示久久才更新一次的Checkpoint時間點的信息吧？

在PoW中DApp都是拉latest區塊的資訊來顯示，也就是節點看到的最新區塊。但PoS中latest區塊不再那么可靠，這時就可以用safe區塊的信息來顯示，雖然會延遲四秒，但是比latest區塊可靠許多。

參考資料

BalancingAttack:LMDEdition-Consensus-EthereumResearchAnalysisofbouncingattackonFFG-Proof-of-Stake-EthereumResearchUpgradingEthereum|OnePageAnnotatedSpecEthBeaconNodeAPIv2.3.0-Eth2Specv1.1.0OAS3https://beaconcha.in@chainsafe/ssz-npm特別感謝Chih-ChengLiang，Chang-WuChen，StevenWu和doublespending校對本文并提供改進建議。

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