什么是信標(biāo)鏈（Beacon Chain）？它和以太坊主網(wǎng)到底有什么不同
簡介
借由信標(biāo)鏈，以太坊將正式從 PoW 過渡到 PoS 機(jī)制， The Merge 即將來到，而在這盛大的計(jì)劃中信標(biāo)鏈究竟扮演什么樣的角色？ 會(huì)為加密世界帶來什么影響？
信標(biāo)鏈（Beacon Chain），從字面來說 Beacon 是燈塔，就像是以太坊合并計(jì)劃中的明燈，以工作量證明（PoW）機(jī)制過渡到權(quán)益證明（PoS）機(jī)制的方式來照亮整個(gè)以太坊網(wǎng)絡(luò)。信標(biāo)鏈于 2020 年 12 月發(fā)布，是 Serenity 升級(jí)的首要階段。而信標(biāo)鏈?zhǔn)且粋€(gè)采用權(quán)益證明 （PoS）的新區(qū)塊鏈，其用途在于將以太坊導(dǎo)入權(quán)益證明（PoS）共識(shí)機(jī)制。其中 PoS 用質(zhì)押代幣的方式取代以往使用的工作證明方式。
信標(biāo)鏈將 PoS 機(jī)制引進(jìn)以太坊網(wǎng)絡(luò)，目的在于解決效率低與高耗能的問題，以優(yōu)化以太坊網(wǎng)絡(luò)。其引入方式是采用信標(biāo)鏈與始于 2015 年的舊有以太坊區(qū)塊鏈并行運(yùn)作，而非直接銜接以太坊網(wǎng)絡(luò)。
信標(biāo)鏈扮演管理監(jiān)督與驗(yàn)證區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的角色。其中信標(biāo)鏈?zhǔn)遣捎秒S機(jī)的方式來選擇驗(yàn)證者，驗(yàn)證成功者將得到獎(jiǎng)勵(lì)，但若是存在惡意行為將會(huì)受到懲罰。
需要注意的是，目前信標(biāo)鏈不支持交易智能合約，因此并不會(huì)干擾以太坊區(qū)塊鏈上進(jìn)行的交易，用戶可以自由地使用錢包進(jìn)行交易或造訪以太坊區(qū)塊鏈的 DApps。
為什么要?jiǎng)?chuàng)建信標(biāo)鏈？
信標(biāo)鏈的誕生是為解決舊以太坊網(wǎng)絡(luò)使用 PoW 機(jī)制造成的三個(gè)主要問題：可持續(xù)性、安全性和可擴(kuò)展性。
可持續(xù)性從比特幣到以太坊，工作量證明（PoW）機(jī)制被廣泛使用，而它依賴眾多礦工們花費(fèi)的時(shí)間與消耗設(shè)備的算力，來挖掘區(qū)塊進(jìn)而廣播以保持網(wǎng)絡(luò)的正確。PoW 機(jī)制存在著其運(yùn)算所需的電力耗損對(duì)環(huán)境帶來無法復(fù)原的傷害的弊端，迫使以太坊舍棄 PoW 機(jī)制。而信標(biāo)鏈采用 PoS 機(jī)制，且即將與以太坊主網(wǎng)合并，未來以太坊將以質(zhì)押驗(yàn)證的 PoS 共識(shí)機(jī)制取代耗費(fèi)電力的 PoW 機(jī)制，會(huì)大幅減少約 99.95% 的能量消耗，顯著降低碳排放。
安全性采用 PoS 比 PoW 機(jī)制更安全，雖然 PoW 機(jī)制的 51% 攻擊需要克服幾乎不可能達(dá)成的算力難度， 但還是存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，如果真的集結(jié)一半以上的礦工，后果將不堪設(shè)想；反觀 采用質(zhì)押驗(yàn)證與懲罰機(jī)制的 PoS ，一旦出現(xiàn)惡意行為意圖欺騙網(wǎng)絡(luò)，則有可能造成質(zhì)押的代幣被全數(shù)沒收的風(fēng)險(xiǎn)，此機(jī)制從源頭遏止攻擊行為。這有利于網(wǎng)絡(luò)的去中心化并減少 51% 攻擊的可能。
可擴(kuò)展性隨著用戶爆發(fā)式增長，以太坊網(wǎng)絡(luò)已不堪重負(fù)，現(xiàn)在 TPS（每秒處理的交易筆數(shù)）只有 15 ，由此可見，目前以太坊面臨的最大問題即是可擴(kuò)展性不足。然而，隨著 PoS 機(jī)制以及最終的測試網(wǎng) Goerli 也依序合并到信標(biāo)鏈，經(jīng)過多次影子分叉和測試網(wǎng)的合并，目前距離以太坊正式從 PoW 轉(zhuǎn)換到 PoS 僅剩一步之遙。
By vitalik.eth
從上圖可以看到，以太坊發(fā)展路線的第一步是 Merge ，還有 Surge（激增）、Verge（邊緣）、 Purge（清除）以及 Splurge（揮霍）這4個(gè)階段， 目前還處于 Merge 階段。而接下來的 Surge 是關(guān)于導(dǎo)入分片以提高網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性。
信標(biāo)鏈在升級(jí)路線圖中的作用
信標(biāo)鏈只是針對(duì)上述以太坊網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容問題的提議解決方案中的第一個(gè)階段。以太坊升級(jí)的路線圖接下來是合并，而第三階段是分片。
第一階段：
信標(biāo)鏈于 2020 年發(fā)布，重為啟后階段的基礎(chǔ)。當(dāng)引入信標(biāo)鏈引進(jìn)新的共識(shí)模型，分片鏈才能到下一階段的合并。用戶通過質(zhì)押代幣到信標(biāo)鏈上，成為網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證者并獲得區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)。
第二階段：
以太坊路線圖的下一階段，即合并（ The Merge ），在這一階段，以太坊將成為一個(gè)由 PoS 共識(shí)模型支持的區(qū)塊鏈。The Merge 處在承前啟后的關(guān)鍵位置，將大大提升網(wǎng)絡(luò)安全性、降低資源消耗，并為未來的分片擴(kuò)容方案打下扎實(shí)基礎(chǔ)。
第三階段：
在這一階段，以太坊將實(shí)施分片鏈，以解決可擴(kuò)展性問題并允許以太坊網(wǎng)絡(luò)提升交易效率。
信標(biāo)鏈與以太坊主網(wǎng)有何不同？
信標(biāo)鏈作為一個(gè)全新的、權(quán)益證明（ PoS ）機(jī)制的、單獨(dú)的區(qū)塊鏈，擁有自己的共識(shí)模型，前期與以太主網(wǎng)并行運(yùn)作，彼此并不會(huì)互相干擾，因此信標(biāo)鏈不會(huì)中斷用戶在以太坊區(qū)塊鏈上的活動(dòng)。
信標(biāo)鏈由分片鏈（ Shard Chains ）、驗(yàn)證者（ validators ）、見證（ Attestations ）、委員會(huì)（ Committees ）、檢查點(diǎn)（ Checkpoints ）以及最終確定性（ Finality ）構(gòu)成。
分片鏈
升級(jí)后的以太坊將具有多個(gè)分片鏈，每個(gè)分片鏈都分別管理各自的交易。這將大幅提升以太坊的交易處理能力。
驗(yàn)證者
有別于采用 PoW 的礦工， PoS 機(jī)制中用戶需要質(zhì)押 32 顆以太幣以獲得成為驗(yàn)證者的資格，而成為驗(yàn)證者后驗(yàn)證者會(huì)被賦予兩種身份，即提議者與見證者，提議者需要?jiǎng)?chuàng)建區(qū)塊，見證者負(fù)責(zé)證明被創(chuàng)建的區(qū)塊是否存在違規(guī)等惡意行為。
被系統(tǒng)選中的驗(yàn)證者會(huì)變成區(qū)塊的提議者，將各個(gè)分片與信標(biāo)鏈上的資料集成來創(chuàng)建新的區(qū)塊。
見證
信標(biāo)鏈與以太坊主網(wǎng)上的數(shù)據(jù)并沒有相連，而僅儲(chǔ)存驗(yàn)證者信息和見證信息。
見證信息是分片當(dāng)下的狀態(tài)，即驗(yàn)證者在驗(yàn)證比對(duì)后會(huì)對(duì)交易簽名而后經(jīng)過哈希運(yùn)算變成一串代碼再儲(chǔ)存到信標(biāo)鏈上。一旦有任何改變，驗(yàn)證者就會(huì)立即傳送給信標(biāo)鏈，以維持信標(biāo)鏈與分片鏈的連接。
委員會(huì)
此外，為了提高安全性，信標(biāo)鏈組織了一個(gè)由 128 名驗(yàn)證者組成的委員會(huì)，在信標(biāo)鏈和每一條分片鏈都會(huì)有一組委員會(huì)，負(fù)責(zé)監(jiān)督其他驗(yàn)證者的行為，以避免攻擊者控制一組委員中三分之二的驗(yàn)證者，其雙重檢查使信標(biāo)鏈易于揭發(fā)惡意行為者。其中委員會(huì)并非固定不變， 會(huì)隨著區(qū)塊進(jìn)行變更。
信標(biāo)鏈與名為“ RANDAO ” 的偽隨機(jī)工程達(dá)成共識(shí)。在每時(shí)段（ Epoch ），挑選出所有時(shí)隙 （Slot） 的提議者，并將剩余的驗(yàn)證者隨機(jī)分配到各個(gè)不同的委員會(huì)里。
檢查點(diǎn)
檢查點(diǎn)是指在每一個(gè)時(shí)段內(nèi)的第一個(gè)時(shí)隙里被創(chuàng)建的區(qū)塊，而一個(gè)區(qū)塊可能是多個(gè)時(shí)段的檢查點(diǎn)。在發(fā)起一次LMD GHOST投票時(shí)，驗(yàn)證者要為最近一個(gè) Epoch 的檢查點(diǎn)投票，該檢查點(diǎn)叫做 “目標(biāo)檢查點(diǎn)” （target）。該投票叫做 Casper FFG 投票，而且還包括對(duì)前一個(gè)檢查點(diǎn)的投票，叫做“來源檢查點(diǎn)”（source）。
最終確定性
如果一個(gè)檢查點(diǎn)在時(shí)段結(jié)束時(shí)，投票時(shí)得到超過三分之二以上的認(rèn)可，則該檢查點(diǎn)就會(huì)被確定。
如何在信標(biāo)鏈質(zhì)押？
目前，信標(biāo)鏈不支持智能合約或以太坊交易，但仍然可以通過質(zhì)押至少 32 ETH 成為信標(biāo)鏈上的驗(yàn)證者。而作為質(zhì)押加密貨幣并為驗(yàn)證鏈上區(qū)塊做出貢獻(xiàn)的回報(bào)，質(zhì)押者將通過質(zhì)押金額的多少且以交易手續(xù)費(fèi)的形式獲得獎(jiǎng)勵(lì)。
存入 ETH 會(huì)激活一個(gè)驗(yàn)證器軟件，質(zhì)押者將使用該軟件來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、創(chuàng)建區(qū)塊和處理交易。不同的質(zhì)押選項(xiàng)可以更好滿足質(zhì)押者對(duì)獎(jiǎng)勵(lì)以及質(zhì)押的數(shù)量的偏好。
結(jié)論
信標(biāo)鏈作為以太坊升級(jí)第一個(gè)階段的重要基礎(chǔ)，通過協(xié)助與儲(chǔ)存以太主網(wǎng)的交易見證信息解決了以太坊的共識(shí)與擴(kuò)展性問題。如果沒有信標(biāo)鏈的成功，也不會(huì)有后續(xù)的發(fā)展。在信標(biāo)鏈正式發(fā)布近兩年后，以太坊歷史性的“合并”（The Merge）已于 2022 年 9 月 15 日?qǐng)A滿完成。自那時(shí)起，以太坊網(wǎng)絡(luò)已成功過渡到權(quán)益證明（PoS）共識(shí)機(jī)制，為以太坊后續(xù)的模塊化升級(jí)路線圖（如已落地的坎昆升級(jí)及后續(xù)擴(kuò)容）掌燈，開辟了一條明媚的發(fā)展道路。
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