Understand the development direction of ethereum : how does the beacon chain mechanism PoS work？

(TL; DR)

---

1. Die Ethereum-Stiftung hat kürzlich angekündigt, dass sie die Begriffe "Ethereum 1.0" (ETH1) und Ethereum 2.0 (ETH2) verbieten und stattdessen "Executive Layer" bzw. "Consensus Layer" verwenden wird.

2. Slot, Epoch und Validator sind Schlüsselbegriffe im PoS-Mechanismus der Beacon-Chain.

3. Wenn die Beacon-Chain mit dem Herz der neuen Generation von Ethereum verglichen wird, sind Slot und Epoche die Schlagzyklen des Herzens.

4. Aufgrund des Sicherheitsdesigns des Ethereum-Algorithmus gilt dieser PoS-Konsensmechanismus als sicher.


Am 25. Januar 2021 veröffentlichte Vitalik Buterin, der Gründer von Ethereum, auf ethereum.org einen Artikel mit dem Titel Paths towards single-slot finality, in dem er seine neuesten Pläne für die Entwicklung von Ethereum vorstellte.

Das Verständnis des Entwicklungspfades ist sehr wichtig für das Verständnis von Ethereum, aber es gibt noch einige konzeptuelle Probleme, die vor dem Lesen des von Vitalik Buterin veröffentlichten Artikels gelöst werden müssen. Wie wird Ethereum nach der Umstellung auf den PoS-Mechanismus die Blöcke der Beacon-Chain generieren und bestätigen und wie wird die Sicherheit gewährleistet?

Einführung in das Ethereum Upgrade Schema

---

Seit dem rasanten Wachstum der Ethereum-Anwendung ist die Skalierbarkeit für Ethereum und seine Nutzer ein schwieriges Thema. Als das derzeit beliebteste Smart-Contract-Blockchain-Projekt hat Ethereum ein riesiges Transaktionsvolumen, das oft zu Staus führt und die Bearbeitungsgebühr bleibt hoch, was die Nutzungserfahrung von Händlern und die Förderung verschiedener Projekte stark beeinträchtigt. Um das Leistungsproblem des Ethereum-Netzwerks zu lösen, wurden die Konzepte von Layer 2 und Ethereum 2.0 entwickelt, um Ethereum zu skalieren.

Ethereum 2.0 ist eine verbesserte Version von Ethereum 1.0, mit dem Phasencode "Serenity". Ethereum 1.0 verwendet den PoW-Konsensmechanismus, der dem von Bitcoin entspricht, während Ethereum 2.0 den PoS-Konsensmechanismus verwendet, der energiesparender und effizienter ist als der PoW-Mechanismus. Nach dem Upgrade wird Ethereum eine "Beacon Chain + Shard Chain + Layer 2"-Struktur bilden. Der Beacon-Chain-Block wird direkt Transaktionsinformationen enthalten. Vor dem Upgrade wird der Inhalt der PoW-Kette nahtlos auf die Beacon-Kette übertragen. Dieser Vorgang wird als "Merge" bezeichnet. Nach der Fusion wird Ethereum vollständig auf den PoS-Konsensmechanismus umgestellt.

Ethereum 1.0 und Ethereum 2.0 entsprechen jedoch nicht der einfachen Beziehung zwischen Letzterem und Ersterem, die oft missverstanden und sogar von Gesetzesbrechern betrogen wird.

Mit dem nahenden Zusammenschluss hat auch die Ethereum-Stiftung kürzlich angekündigt, die Verwendung der Begriffe "Ethereum 1.0" (ETH1) und Ethereum 2.0 (ETH2) zu verbieten und stattdessen "Ausführungsschicht" bzw. "Konsensschicht" zu verwenden.

Dabei speichert die Ausführungsschicht alle Smart Contracts und Netzwerkregeln auf Ethereum, während die Konsensschicht für die Abwicklung des PoS-Konsenses zuständig ist. Nach der Fusion werden die beiden Chains zu einer einzigen zusammengeführt und bilden in Zukunft ein vollständiges Ethereum.


Der Upgrade-Prozess von Ethereum wird Schritt für Schritt abgeschlossen. Im Dezember 2020 wurde die auf dem PoS-Mechanismus basierende Beacon-Chain (zuvor bekannt als Ethereum 2.0) eingeführt, auf die die Nutzer ETH setzten, um Einkommen zu erzielen. Mit der Aktualisierung von Berlin und London im Jahr 2021 wurde die Beacon-Kette angepasst und ein Gebührenvernichtungsmechanismus eingeführt, um die Gasgebühren vorübergehend zu kontrollieren. Im Jahr 2022 wird das aktuelle Ethereum-Hauptnetzwerk mit der Beacon-Kette verschmolzen, d. h. die oben erwähnte "Exekutivschicht" und "Konsensschicht" sowie die Geschichte, der Status und der Smart Contract des ursprünglichen Hauptnetzwerks werden vollständig übernommen. Das Sharding kann später als die Fusion erfolgen und wird voraussichtlich im Jahr 2022 oder 2023 stattfinden.

Dies ist vor allem auf die starke Entwicklung von Layer2 zurückzuführen, die den Leistungsdruck von Ethereum mildert. Der Hauptzweck des Sharding besteht darin, die Leistung von Ethereum weiter zu verbessern und die Netzwerküberlastung zu verringern. Zu diesem Zeitpunkt werden insgesamt 64 Shard Chains eingeführt.

Eine ausführliche Erklärung des Ethereum-Upgrades finden Sie in unserem früheren Blogbeitrag:
Endgame: Entdeckung der optimalen Lösung für die Blockchain-Skalierung mit Vitalik Buterin
Werden Layer 2 und das zukünftige Sharding-Update, das 2022 aktiviert werden soll, Ethereums ultimative Lösung zur Steigerung der Skalierbarkeit sein?

Einführung in den PoS-Mechanismus der Beacon Chain: Slot, Epoche und Validator

---

Slot, Epoch und Validator, die in Vitaliks Artikel erwähnt werden, sind Schlüsselbegriffe im Beacon Chain PoS-Mechanismus.

Beacon Chain wird in Zukunft das Herzstück von Ethereum sein. Neben der Bereitstellung von Proof of Stake (PoS) für das gesamte Ethereum und der Bildung einer Konsensschicht wird sie auch die Rolle der Synchronisation mit anderen Shard-Chain-Crosslinks spielen. Die Nutzer können dann ETH auf der Beacon-Kette platzieren, 32eth auf das Deposit-Vertragskonto auf Ethereum 1.0 einzahlen und zum Validator von Ethereum werden. Diese Validatoren sind "virtuelle Miner" auf Ethereum, was besonders wichtig für das Blockout von Ethereum ist.

Wenn wir die Beacon-Kette mit dem Herz der neuen Generation von Ethereum vergleichen, sind Slot und Epoche die Schlagzyklen des Herzens. Jeder Slot dauert 12 Sekunden, und jede Epoche besteht aus 32 Slots (eine andere Version der früheren technischen Spezifikation besagte dass ein einzelner Slot 6 Sekunden dauert und 64 Slots eine Epoche bilden). Alle Shard Chains müssen mit den Slots und Epochen der Beacon Chain synchronisiert werden. Daher dauert jede Epoche etwa 6,4 Minuten.


Bei Ethereum (Ethereum 1.0), welches derzeit den PoW-Mechanismus verwendet, erzeugt das System alle 15 Sekunden einen Block. Bei dem zukünftigen Upgrade von Ethereum ist das Zeitintervall zwischen den einzelnen Blöcken ungewiss; im Rahmen des PoS-Mechanismus wählt die Beacon-Kette jedoch für jeden Slot zufällig einen Knoten aus dem Validator aus, der zum Block-Proposer wird. Für die Shard-Kette wird für jeden Slot ebenfalls ein Block-Proposer generiert.


Darüber hinaus werden in jeder Epoche die Validierer gleichmäßig auf die einzelnen Slots verteilt und dann die Array-Knoten (mindestens 128 in jeder Gruppe) zufällig aus den Validierern jedes Slots ausgewählt, um die Komitees zu bilden. Die Knoten des Komitees sind für die Zertifizierung der von der Beacon-Chain und der Shard-Chain erzeugten Blöcke verantwortlich, wobei die Gültigkeit der Blöcke der Beacon-Chain und der Shard-Blöcke durch eine Abstimmung beurteilt wird. Erreicht der Ausschuss einen Konsens über die Gültigkeit des Blocks, wird der Block in der Kette bestätigt, ein Knoten wird in diesem Slot erfolgreich ausgegeben, die Abstimmungsdaten des Zertifizierers werden in der Kette aufgezeichnet und der Validierer wird belohnt.

Wird hingegen kein Konsens erzielt, bleibt der Slot leer. Wenn der Blockproposer in diesem Slot offline ist, ist der Slot ebenfalls leer. Da es leere Slots gibt, ist der vom Block erzeugte Slot nicht festgelegt. Nach einer ganzen Epoche (d. h. 32 Slots oder ca. 6,4 Minuten) wählt das System erneut Knoten aus den Validierern aus, ordnet sie und bildet erneut einen Validierungsausschuss. Nach dem offiziellen Start der Shardings hat jedes Sharding in jedem Slot und jeder Epoche seinen eigenen Blockproposer und Validierungsausschuss. Nach Abschluss der Validierung müssen die Mitglieder der Sharding-Kette auch den Kopf der Sharding-Kette mit der Beacon-Kette verbinden. Dieser Prozess wird als Crosslinking oder Erstellen von Crosslinks bezeichnet.


Beim derzeitigen PoW-Konsensmechanismus muss jeder Knoten jede Transaktion im Netzwerk validieren und ausführen, was einen enormen Zusatzaufwand mit sich bringt. Relativ gesehen läuft der PoS-Konsensmechanismus schneller und verbraucht weniger Energie. Darüber hinaus ist der PoS-Konsensmechanismus aufgrund des Sicherheitsdesigns des Ethereum PoS-Algorithmus sehr sicher. Theoretisch kann er sicherstellen dass die Anzahl der potenziellen Hacker in jedem Komitee weniger als 1/3 der Einsätze aller Validierer beträgt und das System nicht gehackt werden kann, solange jeder Validierer weniger als 1/3 der Einsätze aller Validierer hält.

Da jeder Ausschuss 128 Knoten benötigt, um die Sicherheit zu gewährleisten, muss die Gesamtzahl der Knoten 128 * 32 = 4096 erreichen, um die beste Sicherheit zu gewährleisten. Wenn die Gesamtzahl der Knoten größer als 4096 * 2 = 8192 ist, kann jeder Slot zwei oder mehr Komitees zur Validierung zugewiesen werden.

Fazit

---

Das Ethereum-Upgrade wird ein historisches Ereignis auf dem Gebiet der Kryptowährung sein. Im nächsten Artikel werden wir die von Vitalik veröffentlichte Entwicklungsrichtung von Ethereum weiter diskutieren.
Bleiben Sie dran!



Autor：Gate.io Observer Edward H. , übersetzt von Cedric P.
*Dieser Artikel gibt nur die Meinung des Forschers wieder und stellt keine Investitionsempfehlungen dar.
*Gate.io behält sich alle Rechte an diesem Artikel vor. Die Wiederveröffentlichung des Artikels ist erlaubt, sofern Gate.io genannt wird. In allen anderen Fällen werden rechtliche Schritte aufgrund von Urheberrechtsverletzungen eingeleitet.