Напрямок розвитку Ethereum: як працює механізм PoS на Beacon Chain?

【TL; DR】

---

1. Представники Ethereum Foundation нещодавно оголосили, що відмовляються від термінів “Ethereum 1.0” (ETH1) та “Ethereum 2.0” (ETH2) і замість них будуть використовуватись терміни “executive layer” (виконавчий рівень) та “consensus layer” (рівень консенсусу) відповідно.

2. Слот, епоха та валідатор є ключовими термінами у механізмі PoS на Beacon Chain.

3. Якщо Beacon Chain (координаційний ланцюг) назвати серцем оновлення Ethereum, то слот та епоха – це цикли биття серця.

4. Через дизайн безпеки алгоритму Ethereum механізм консенсусу PoS вважається безпечним.


25 січня 2021 року Віталік Бутерін, засновник Ethereum, опублікував статтю Paths toward single-slot finality на ethereum.org, в якій представив свої останні плани щодо розвитку Ethereum.

Розуміння шляху розвитку є дуже важливим для розуміння Ethereum, але ще є деякі концептуальні проблеми, які необхідно вирішити, перш ніж читати статтю Віталіка. У цій статті ми розповімо про те як Ethereum буде генерувати та підтверджувати блоки на beacon chain і як він забезпечуватиме свою безпеку після прийняття механізму PoS.

План оновлення Ethereum

---

З початком швидкого розвитку Ethereum масштабованість блокчейна стала великою проблемою для всіх користувачів. Як найпопулярніший блокчейн-проект смарт-контрактів, Ethereum має величезний обсяг транзакцій, що часто призводить до перевантаження, а комісії за обробку стають високими, що сильно впливає на користувацький досвід і просування різних проектів. Для вирішення проблеми продуктивності мережі Ethereum було створено концепції Layer 2 та Ethereum 2.0.

Ethereum 2.0 – це оновлена версія Ethereum 1.0 із фазовим кодом “Serenity”. Ethereum 1.0 використовує механізм консенсусу PoW, аналогічний механізму мережі Bitcoin, в той час як Ethereum 2.0 використовує механізм консенсусу PoS, який енергоекономніший і ефективніший за PoW. Після оновлення Ethereum сформує структуру beacon chain + shard chain + layer 2. Блок beacon chain безпосередньо міститиме інформацію про транзакцію. Перед оновленням весь контент із ланцюжка PoW буде перенесено на beacon chain. Цей процес називається "Merge" (злиття). Після злиття Ethereum повністю перейде на механізм консенсусу PoS.

Однак Ethereum 1.0 і Ethereum 2.0 - це не просто перехід від попередника до послідовника, який хакери часто неправильно розуміють і яким навіть намагаються скористатися з метою отримання неправомірної вигоди.

У міру наближення злиття представники Ethereum Foundation нещодавно оголосили, що відмовляються від термінів “Ethereum 1.0” (ETH1) та “Ethereum 2.0” (ETH2) і замість них будуть використовуватись терміни “executive layer” (виконавчий рівень) та “consensus layer” (рівень) консенсусу) відповідно.

На виконавчому рівні зберігаються всі смарт-контракти та мережеві правила Ethereum, а рівень консенсусу відповідає за обробку консенсусу PoS. Після злиття дві мережі будуть об'єднані в одну та у майбутньому стануть повноцінним Ethereum.

Процес оновлення Ethereum буде здійснюватися послідовно. У грудні 2020 року було запущено beacon chain (попередня назва Ethereum 2.0) на основі механізму PoS, і на ній користувачі робили стекінг ETH для отримання доходу. Після хардфорків Berlin та London у 2021 році були внесені зміни до beacon chain та був представлений механізм знищення плати для тимчасового контролю плати за газ. У 2022 році основна мережа Ethereum буде об'єднана з beacon chain, що і є згадані вище "виконавчий рівень" та "рівень консенсусу". Отже, історія, статус та смарт-контракт вихідної основної мережі будуть перенесені слідом. Шардинг може статися пізніше за злиття, що планується на 2022 або 2023 році.

В основному це пов'язано з активним розвитком Layer 2, який знижує навантаження на мережу Ethereum. Основна мета шардингу - подальше підвищення продуктивності Ethereum та зниження навантаження мережі. Усього буде запущено 64 шардчейна.

Для детального пояснення оновлення Ethereum можна прочитати наступні статті:
Endgame: у пошуку оптимального рішення масштабування блокчейну з Віталіком Бутеріним
Чи стануть Layer 2 або оновлення шардинг найкращими рішеннями масштабованості Ethereum у 2022 році?

Механізм PoS на Beacon Chain: слот, епоха та валідатор

---

Слот, епоха та валідатор, згадані у статті Віталіка, є ключовими термінами у механізмі PoS на beacon chain.

Beacon chain у майбутньому стане ядром Ethereum. Крім надання proof of stake для всього Ethereum та формування рівня консенсусу, координаційний ланцюг також виконуватиме функцію синхронізації посилань на шарди. Потім користувачі зможуть зробити стекінг ETH у beacon chain. Потрібно внести 32 ETH на депозитний контрактний рахунок Ethereum 1.0, щоб стати валідатором. Ці валідатори є “віртуальними майнерами”, які мають велике значення для Ethereum.

Якщо beacon chain порівняти із серцем оновлення Ethereum, то слот та епоха – це цикли биття серця. Кожен слот триває 12 секунд, а кожна епоха складається із 32 слотів (в іншій версії попередньої технічної специфікації говорилося, що один слот триває 6 секунд, а 64 слоти становлять епоху). Всі шарди повинні бути синхронізовані зі слотами та епохами координаційного ланцюжка. Таким чином кожна епоха триває приблизно 6,4 хвилини.


В Ethereum 1.0, який у цей час використовує механізм PoW, система генерує блок кожні 15 секунд. У майбутньому оновленому Ethereum часовий інтервал між кожним блоком невідомий, проте в рамках механізму PoS, beacon chain для кожного слота випадковим чином вибиратиме вузол з валідаторів, який стане ініціатором блоку. У шардчейні кожен слот також генеруватиме ініціатора блоку.


Крім того, у кожну епоху beacon chain буде рівномірно розподіляти валідаторів по кожному слоту, а потім випадковим чином вибирати масив нодів (не менше 128 у кожній групі) з валідаторів кожного слота, створюючи комітети валідації (Committee). Ноди комітету будуть нести відповідальність за атестацію блоків, згенерованих beacon chain та шардчейном. Валідація блоків beacon chain та шардчейну проводиться шляхом голосування. Якщо комітет прийде до консенсусу щодо валідності блоку, блок буде підтверджений у ланцюжку, вузол буде успішно виведений у цей слот, дані голосування сертифікатора будуть записані в ланцюжок, а валідатора буде винагороджено.

Навпаки, якщо консенсус не буде досягнуто, то слот буде порожнім, як і у випадку, якщо ініціатор блоку знаходиться офлайн. Через наявність порожніх слотів, згенерований блоком слот не фіксується. Через цілу епоху (тобто 32 слоти або приблизно 6,4 хвилини) система повторно обере ноди з валідаторів, знову організує та сформує комітет з валідації. Після того, як шардинги будуть офіційно запущені, кожен шардінг також матиме свій власний ініціатор блоку та комітет з валідації в кожному слоті та епосі. Після завершення перевірки учасникам шардів також необхідно підключити головну мережу beacon chain. Цей процес називається crosslinking.


У поточному механізмі консенсусу PoW кожен вузол повинен перевіряти та виконувати кожну транзакцію в мережі, що призводить до величезних накладних витрат. Умовно кажучи, механізм консенсусу PoS працює швидше та споживає менше енергії. Крім того, завдяки дизайну безпеки алгоритму Ethereum PoS, цей механізм консенсусу дуже безпечний. Теоретично, доки будь-який валідатор володіє менше 1/3 частки всіх валідаторів, він може гарантувати, що кількість потенційних хакерів у кожному комітеті буде меншою за 1/3, і систему не можна буде зламати.

Щодо кількості нодів, оскільки для забезпечення безпеки кожному комітету потрібно 128 вузлів, загальна кількість нодів має становити 128*32 = 4096 для забезпечення найвищого рівня безпеки. Коли загальна кількість вузлів перевищує 4096*2=8192, кожен слот може бути переданий двом або більше комітетам для перевірки.

Висновок

Оновлення Ethereum стане історичною подією у криптопросторі. У наступній статті ми продовжимо обговорення напряму розвитку Ethereum, опублікованого Віталіком.



Автор: дослідник Gate.io Edward H.
*Ця стаття містить лише точку зору дослідників і не є посібником з інвестування.
*Всі права на текст цієї статті належать Gate.io. Репост цієї статті буде дозволено у разі зазначення Gate.io як джерело. В іншому випадку буде переслідуватись юридична відповідальність у зв'язку з порушенням авторських прав.