Ethereum 2.0: Chuỗi Casper & Beacon

Lưu ý của biên tập viên: Bài viết này đến từUnitimes（ID：Uni-times）, Tác giả: Colin Schwarz, Trình biên dịch: Jhonny, được xuất bản với sự cho phép.

tiêu đề phụ

Thông tin lai lịchTrong bài viết đầu tiên của loạt bài này, "Serenity sẽ mang lại điều gì?", chúng tôi phác thảo lịch sử của mạng Ethereum cho đến nay và giải thích các vấn đề chính mà Eth 2.0 rất được mong đợi sẽ giải quyết. Trong bài viết thứ hai "tiêu đề phụ

thuật toán đồng thuận

thuật toán đồng thuận

Trong các mạng trao đổi thông tin và giá trị truyền thống, thường có một bên trung gian bảo mật và xác minh mạng. Ví dụ: các ngân hàng cung cấp bảo mật cho tài sản của khách hàng và tập trung kiểm soát các giao dịch và thông tin trực tuyến của khách hàng. Trong lĩnh vực chuỗi khối, vì mạng chuỗi khối được phân cấp nên không cần các bên trung gian như vậy.

Vì không có trung gian, các mạng blockchain phải sử dụng một số dạng hệ thống để duy trì bảo mật và đảm bảo tính hợp lệ của thông tin mới được thêm vào sổ cái phân tán. [1]

Nghĩa là, phần lớn các nút trong mạng chuỗi khối phải "đạt được sự đồng thuận" trên một phiên bản duy nhất của trạng thái mạng để giữ an toàn cho mạng.Để đạt được điều này, các chuỗi khối sử dụng nhiều "thuật toán đồng thuận", là một tập hợp các quy tắc được xác định trước được ghi vào mã giao thức cho phép mạng đạt được sự đồng thuận và đạt được mục đích cuối cùng. Tính hữu hạn có nghĩa là "một khi một thao tác cụ thể được hoàn thành, thao tác đó sẽ được khắc vĩnh viễn vào hồ sơ lịch sử và thao tác đó sẽ không bị đảo ngược." [2] [Nhận xét, về tính hữu hạn của chuỗi khối, độc giả có thể tham khảo Unitimes trước đó bài báo đã xuất bản "Ethereum 2.0:》]。

Làm thế nào để đạt được sự hữu hạn?

Proof of Work (PoW) là thuật toán đồng thuận chuỗi khối sớm nhất được Bitcoin sử dụng, đảm bảo tính bảo mật và phân cấp của mạng Bitcoin. Gần đây, nhiều nền tảng blockchain khác đã giới thiệu các thuật toán đồng thuận khác như PoS (Proof of Stake), DPoS (Proxy Proof of Stake) và PoA (Proof of Authority) vì nhiều lý do.

tiêu đề phụ

Tại sao PoS lại cần thiết?

Các hệ thống bằng chứng công việc (PoW) như Bitcoin liên quan đến nhiều công cụ khai thác được kết nối với mạng chuỗi khối thông qua phần cứng máy tính. Thuật toán đồng thuận PoW sẽ đặt giá trị mục tiêu cho mỗi khối mới và những người khai thác sẽ cạnh tranh để trở thành người đầu tiên tìm ra giá trị mục tiêu và thêm khối mới để họ có thể nhận phần thưởng khai thác.

Để làm điều này, họ chạy dữ liệu tiêu đề của khối được đề xuất thông qua một hàm băm trả về/xuất ra một chuỗi có độ dài cố định (giá trị băm). Những người khai thác sẽ tiếp tục thay đổi "giá trị nonce" đầu vào của họ, nghĩa là băm lại tiêu đề khối, cho đến khi "giá trị nonce" đầu vào tạo ra một giá trị băm khớp với giá trị đích. Tại thời điểm này, khối mới sẽ được phát tới tất cả các nút trong mạng và các nút này sẽ xác minh khối và thêm nó vào sổ cái, đồng thời những người khai thác đào thành công khối đó sẽ nhận được phần thưởng khai thác.

Khía cạnh quan trọng của hệ thống PoW là việc tìm đầu vào hàm băm chính xác đòi hỏi rất nhiều sức mạnh tính toán (tức là có độ khó khai thác), nhưng một khi người khai thác đã tìm thấy đầu vào chính xác (tức là "giá trị nonce"), thì sẽ dễ dàng xác minh đầu ra ( Nghĩa là giá trị băm được trả về bởi hàm băm). Độ khó của quy trình khai thác đảm bảo tính bảo mật của mạng và các nút xác minh từng khối tương đối đơn giản, điều này cho phép hàng nghìn nút mạng duy trì các bản ghi mới nhất của chuỗi khối.

Nhưng thật không may, khó khăn trong việc tìm kiếm từng giá trị mục tiêu bằng cách băm đòi hỏi rất nhiều sức mạnh tính toán và điện năng, điều này làm giảm hiệu quả của mạng và lợi nhuận của những người khai thác. Tất cả những người khai thác phải tiêu tốn rất nhiều điện và tính toán để cố gắng xác nhận các khối và giành phần thưởng, nhưng chỉ một trong số họ sẽ khai thác thành công một khối mới. Do đó, việc khai thác từng khối lãng phí rất nhiều năng lượng và tính toán. Điều này có nghĩa là mặc dù thuật toán PoW có thể đảm bảo tính bảo mật của mạng nhưng hiệu quả của thuật toán là rất thấp.

Ngoài sự kém hiệu quả của các chuỗi khối PoW, không gian khai thác cũng dễ bị độc quyền thị trường vì phương pháp khai thác này mang lại lợi thế không công bằng cho những người tham gia có nhiều tài nguyên hơn. Các cá nhân và tổ chức giàu có và quyền lực có thể mua số lượng lớn phần cứng khai thác nhanh hơn và mạnh hơn, mang lại cho họ cơ hội tốt hơn để khai thác thành công các đồng tiền mới. Hiện tại, khoảng 65% hoạt động khai thác Bitcoin được thực hiện bởi 5 nhóm khai thác lớn và về mặt lý thuyết, họ có thể kết hợp để kiểm soát hơn 50% thị trường điện toán (mặc dù không chắc là họ sẽ làm như vậy). Điều này tạo ra một tình huống trong đó Bitcoin và các mạng chuỗi khối PoW khác không được phân cấp như chúng được hình dung ban đầu, điều này gây nguy hiểm cho tính độc lập và tiện ích của chúng.

Trong mạng PoS, "thợ mỏ" được thay thế bằng "người xác thực" sở hữu mã thông báo gốc của mạng. Người xác thực tham gia xác minh khối trong mạng bằng cách đặt cược một số lượng mã thông báo nhất định (bao gồm cả khối đề xuất và khối chứng minh). cổ phần. Trong mạng PoS, việc không khai thác như PoW khiến nó tiết kiệm chi phí và tiết kiệm năng lượng hơn hàng nghìn lần so với hệ thống PoW.

tiêu đề phụ

Vấn đề "Không có gì bị đe dọa"

Một trong những vấn đề lớn nhất trong việc triển khai thuật toán bằng chứng đồng thuận PoS là vấn đề "Không có gì bị đe dọa". Mọi người đã thử nghiệm sự đồng thuận của PoS từ năm 2013 và những người chấp nhận sớm như Peercoin đã nhanh chóng gặp phải vấn đề này [4].

Việc áp dụng sớm giao thức PoS cho phép bất kỳ ai sở hữu mã thông báo gốc của mạng đóng vai trò là người xác thực mạng. Các dự án PoS này giả định rằng những người sở hữu mã thông báo có quyền lợi nhất định đối với sự thành công của mạng (tức là sẽ tự động tham gia với tư cách là người xác thực cho lợi ích của mình, và xác minh một cách trung thực).

Những người có nhiều mã thông báo hơn sẽ được trao nhiều quyền xác thực hơn với giả định rằng những người có nhiều mã thông báo hơn có ít động cơ tấn công.

Tuy nhiên, các dự án PoS ban đầu nhanh chóng nhận ra rằng logic này là thiếu sót. Thông thường, những người khai thác/người xác thực chỉ được cung cấp một khối để xác thực. Tuy nhiên, do độ trễ, thường có nhiều khối được đề xuất và người khai thác/người xác thực được cung cấp hai khối để lựa chọn.

Trong hệ thống PoW truyền thống, những người khai thác chỉ có thể khai thác trong một chuỗi rẽ nhánh tại một thời điểm [5]. Để thay thế thành công một chuỗi phân tách bất hợp pháp bằng "chuỗi có thẩm quyền" trước đó (nghĩa là chuỗi dài nhất), nó cần phải có hơn 50% sức mạnh tính toán của mạng, mức cực kỳ cao đối với mạng chuỗi khối PoW lớn như Bitcoin .rất khó.

• Trong mạng PoS, người xác minh có thể xác minh các khối trên hai chuỗi rẽ nhánh khác nhau cùng một lúc và không cần phải chịu thêm chi phí. Trên thực tế, trong giai đoạn đầu của việc áp dụng PoS, về mặt lý thuyết, lợi ích kinh tế của người xác thực là đặt cược vào bất kỳ đợt fork nào có sẵn, vì bằng cách đó, người xác thực sẽ nhận được phần thưởng phí giao dịch, đây là "No Stake (không mất phí để làm) ác, lợi ích không giới hạn)" vấn đề.

• Hậu quả tồi tệ nhất của loại vấn đề này có thể được minh họa bằng các giả định bảo mật sau:

• Người xác nhận sẽ cố gắng tối đa hóa lợi nhuận của chính họ, ngay cả khi điều đó gây tổn hại cho toàn bộ mạng;

Không có trình xác thực nào sẽ xác thực một cách vị tha (các khối chỉ được xác thực trên một chuỗi);

Trình xác thực sẽ sửa đổi phần mềm của họ hoặc tải xuống phần mềm đã sửa đổi, cho phép họ xác thực nhiều chuỗi phân nhánh (phần mềm tiêu chuẩn có logic bên trong để chọn đúng chuỗi phân nhánh khi xảy ra phân tách).

Do các giả định bảo mật nêu trên, nhiều chuỗi phân nhánh có thể xuất hiện, điều này sẽ làm chậm trễ và phức tạp hóa sự đồng thuận của mạng, nếu không được giải quyết thì cũng có thể dẫn đến các lỗ hổng bảo mật lớn trong mạng. Nếu mọi trình xác minh thực sự có thể xác minh các khối của mọi chuỗi phân nhánh trong mạng, thì trình xác minh độc hại sẽ có thể thực hiện một cuộc tấn công chi tiêu gấp đôi (nghĩa là cùng một mã thông báo đã được sử dụng nhiều lần). Họ có thể gửi mã thông báo thông qua một trong các nhánh tới một sàn giao dịch, rút ​​mã thông báo khỏi sàn giao dịch đó và sau đó chỉ xác thực các khối trên nhánh kia.

Vì người ta cho rằng tất cả các trình xác thực đang xác thực đối với hai chuỗi rẽ nhánh khác nhau, nên chuỗi thứ hai sẽ ngày càng có nhiều bằng chứng hơn và cuối cùng trở thành chuỗi hợp lệ duy nhất. Điều này có nghĩa là các giao dịch mã thông báo được sử dụng trước đây trên chuỗi rẽ nhánh đầu tiên và được rút khỏi các sàn giao dịch sẽ không còn hiệu lực. Bằng cách này, một khoản chi tiêu kép thành công xảy ra và sàn giao dịch bị lừa đảo tiền, bất kể số tiền liên quan lớn đến đâu.

Nói tóm lại, việc không yêu cầu mỗi trình xác thực đóng góp giá trị thực tế trong các lần thử PoS ban đầu khiến mạng có khả năng bị trì hoãn, phức tạp và không an toàn.

tiêu đề phụ

Giải pháp cho vấn đề “Không có gì bị đe dọa”: Casper

May mắn thay, nhóm Ethereum đã học được từ những thiếu sót của các dự án PoS ban đầu và đã thiết kế giao thức Casper để loại bỏ vấn đề "Không có gì bị đe dọa". Vào năm 2014, Vitalik lần đầu tiên đề xuất ý tưởng loại bỏ vấn đề "Không có gì bị đe dọa" trong một bài báo có tên "Slasher" [5]. Bài báo đề xuất một giải pháp đơn giản: "Làm cho chuỗi chính biết về các chuỗi rẽ nhánh khác. Sau đó, nếu một người khai thác bị bắt quả tang đang khai thác trên cả hai chuỗi cùng một lúc, người khai thác đó sẽ bị trừng phạt.

"Mặc dù khái niệm này đã phát triển đáng kể kể từ khi nó được đề xuất, nhưng nó đã trở thành nền tảng của thuật toán đồng thuận Casper.

Casper là một thuật toán để xử phạt những người xác thực xác thực nhiều chuỗi phân nhánh hoặc gây ra thiệt hại cho mạng.

Lần triển khai đầu tiên của Casper sẽ sử dụng cơ chế đề xuất PoW hiện tại của Ethereum để giới thiệu các khối mới trên chuỗi Eth2.0. Nếu hai khối được đề xuất cùng một lúc, thì trình xác thực sẽ chỉ được thưởng khi đặt cược vào một chuỗi, do đó, nên đặt cược thông qua chuỗi Eth1.0 hiện tại, vì chuỗi cũ này là chuỗi có khả năng thành công cao nhất.

Quan trọng hơn, giao thức Casper giới thiệu một cơ chế theo đó nếu bất kỳ trình xác thực nào cố gắng hỗ trợ chuỗi rẽ nhánh không hợp lệ bằng cách xác thực nhiều khối cùng một lúc, tài sản mã thông báo được cam kết bởi trình xác thực sẽ bị hủy. Điều này đạt được thông qua một cơ chế bảo vệ đặc biệt thực thi hai "điều răn Casper" [6]:

"Điều răn Casper" đầu tiên là người xác thực không thể đưa ra hai phiếu bầu khác nhau ở cùng một chiều cao khối (tức là không thể ký hai khối khác nhau ở cùng một chiều cao khối);

"Điều răn Casper" thứ hai là những người xác thực không thể bỏ phiếu lại trong các khung thời gian bỏ phiếu khác nếu họ đã bỏ phiếu.Bất kỳ người xác thực nào vi phạm một trong những nguyên tắc này đều được coi là người xác nhận độc hại và toàn bộ tiền gửi của họ (không chỉ tiền đặt cọc) sẽ bị mất. Để cải thiện tính khả dụng của mạng và giảm bớt sự kiểm duyệt giao dịch, những người xác thực có nút ngoại tuyến cũng bị trừng phạt vừa phải. Để biết chi tiết, vui lòng tham khảo bài viết được xuất bản trước đó bởi Unitimes "Eth 2.0 AMA Giai đoạn 2 | Vitalik:Ethereum 2.0 không có thách thức nghiên cứu nào chưa được giải quyết

“. Nhà nghiên cứu Vlad Zamfir của Casper đã ví cơ chế bảo mật PoS mới này giống như phần cứng khai thác được sử dụng bởi bất kỳ ai thực hiện cuộc tấn công 51% trong hệ thống PoW sẽ ngay lập tức bốc cháy và đốt cháy [2].

Nếu cơ chế Casper được triển khai chính xác, nó sẽ loại bỏ vấn đề "Không có gì bị đe dọa" và cho phép mạng Ethereum chuyển sang cơ chế PoS một cách an toàn.

Casper FFG sẽ cho phép Ethereum chuyển đổi suôn sẻ từ cơ chế đồng thuận PoW sang cơ chế đồng thuận PoS. Do đó, mô hình Casper FFG tích hợp giao thức PoS mới này bằng cách phủ giao thức PoS mới này lên giao thức Ethereum PoW hiện tại. Các khối vẫn được khai thác thông qua PoW, nhưng vị trí cuối cùng trong mỗi kỷ nguyên là điểm kiểm tra PoS (cứ sau 64 khối được tạo (khoảng 6,4 phút) được gọi là một kỷ nguyên) và trình xác minh mạng sẽ ở điểm kiểm tra Đánh giá tính hữu hạn của khối kể từ điểm kiểm tra cuối cùng . Casper CBC sẽ được triển khai sau FFG để hoàn tất quá trình chuyển đổi sang đồng thuận PoS.

tiêu đề phụ

chuỗi đèn hiệu

Cơ chế bằng chứng cổ phần của Casper sẽ được triển khai thông qua chuỗi beacon, đây sẽ là một chuỗi độc lập chạy song song với chuỗi Ethereum PoW hiện tại. Chuỗi đèn hiệu sẽ là "chuỗi hệ thống" của chuỗi Eth2.0 và trách nhiệm chính của nó là lưu trữ và duy trì sổ đăng ký trình xác thực, xử lý liên kết chéo giữa chuỗi phân đoạn và chuỗi đèn hiệu và mở chuỗi trong mỗi kỷ nguyên . Ngẫu nhiên hóa và chỉ định trình xác minh cho từng chuỗi phân đoạn (sẽ có 1024 chuỗi phân đoạn trong hệ thống Eth2.0), v.v.

Người dùng có thể tham gia vào giao thức bằng chứng cổ phần của chuỗi đèn hiệu bằng cách gửi 32 ETH (tiền đặt cọc) trong một hợp đồng thông minh sẽ được triển khai trên chuỗi Ethereum cũ hiện tại. Khoản tiền gửi này sẽ tạo ra một biên lai chứa ID cho biết trình xác thực này được phân đoạn chuỗi phân đoạn nào (đọc bài viết này [12] để tìm hiểu thêm về phân đoạn phân đoạn).

Sau khi người dùng cam kết, anh ta sẽ trở thành người xác thực đang chờ xử lý trong chuỗi đèn hiệu. Sau khi chờ đợi một khoảng thời gian, người dùng sẽ được "kích hoạt" để trở thành người xác nhận tích cực và sau đó có thể tham gia xác minh giao thức PoS [9]. Chỉ sau khi chuỗi đèn hiệu đã xử lý biên nhận cam kết từ chuỗi Eth1.0, người dùng mới có thể được "kích hoạt" với tư cách là người xác thực hợp lệ. Trình xác thực được kích hoạt sẽ thay phiên nhau đề xuất các khối mới và bỏ phiếu về tính hợp lệ của các khối.

Các phiên bản đầu tiên của Casper sẽ sử dụng cơ chế đề xuất PoW hiện có và các phiên bản sau sẽ sử dụng cơ chế đề xuất hiệu quả hơn. Vitalik hình dung "việc chuyển đổi các đề xuất khối thành cơ chế chữ ký khối tròn PoS." [6] Để ngăn chặn các trình xác thực thông đồng khởi động các cuộc tấn công, chuỗi đèn hiệu chỉ định ngẫu nhiên các trình xác thực cho các phân đoạn khác nhau bằng cách thực hiện xác minh biểu quyết/đề xuất khối ngẫu nhiên trong chuỗi [ số 8]. Nếu những người xác thực không biết khi nào họ sẽ được chỉ định vào chuỗi phân đoạn nào, điều đó sẽ ngăn họ thông đồng trước để khởi động một cuộc tấn công.Trong trường hợp phân nhánh, người xác thực sẽ sử dụng quy tắc lựa chọn phân nhánh chuỗi beacon của khách hàng của họ để tự động chọn chuỗi chính xác. Quy tắc lựa chọn ngã ba sử dụng "Tin nhắn cuối cùng DriVEN Greediest Heavyest Observed SubTree (LMD GHOST, GHOST được thúc đẩy bởi tin tức mới nhất)" để xác định chuỗi nào là "chuỗi chính tắc". Nếu kẻ tấn công tiềm năng muốn xác minh chuỗi phân tách sai, anh ta phải sửa đổi hoặc loại bỏ thủ công quy tắc lựa chọn phân nhánh LMD GHOST. [Chú thích: Để biết thêm thông tin về LMD GHOST, độc giả có thể tham khảo bài viết "Ethereum 2.0:》]

Làm thế nào để đạt được sự hữu hạn?

tiêu đề phụ

bản đồ lộ trình

bản đồ lộ trình

Beacon chain (nghĩa là giai đoạn 0 của Eth2.0) dự kiến ​​sẽ được ra mắt vào đầu năm 2020, nhưng chỉ khi số lượng ETH được cam kết trong hệ thống đạt yêu cầu về số lượng tối thiểu và có ít nhất ba khách hàng sẵn sàng sản xuất , chuỗi đèn hiệu có thể được khởi chạy. Đã bắt đầu thành công. Giai đoạn 1 và 2 dự kiến ​​sẽ diễn ra lần lượt vào năm 2021 và 2020.

Giai đoạn 1 sẽ giới thiệu cấu trúc shard chain cơ bản, thực chất là giai đoạn vận hành thử cấu trúc shard, dùng để kiểm tra xem hệ thống shard sẽ vận hành như thế nào. Do đó, Giai đoạn 1 sẽ không nhận ra ngay tiềm năng mở rộng đầy đủ của sharding. Giai đoạn này sẽ giải quyết sự đồng thuận và tính hữu hạn của chuỗi phân đoạn, đồng thời sẽ cho phép chuỗi đèn hiệu giám sát việc thực thi chuỗi phân đoạn.

Giai đoạn 2 sẽ chứng kiến ​​một hệ thống Eth2.0 được tích hợp đầy đủ với các phân đoạn trở thành chuỗi hoạt động đầy đủ. Giai đoạn 2 cũng sẽ giới thiệu Máy ảo Ethereum hoàn toàn mới eWASM.

Điều quan trọng cần lưu ý là mặc dù các giai đoạn này tách biệt về mặt khái niệm, nhưng công việc trong mỗi giai đoạn đang được thực hiện đồng thời do sự liên quan lẫn nhau của các giai đoạn.

Ngoài ra, các nỗ lực hiện đang được tiến hành để cải thiện chuỗi Eth1.0, còn được gọi là Eth 1.x, nhằm mục đích tăng thông lượng của mạng thông qua tối ưu hóa phía máy khách và triển khai "phí nhà nước" để đảm bảo hoạt động đầy đủ. các nút, cũng như phí giao dịch ổn định và sự phát triển của các tiện ích cuối cùng có thể được sử dụng để kết nối chuỗi Eth1.x với chuỗi Eth2.0.