Post-Merge 时代：以太坊新共识的破局重生

以太坊经历了历史性的升级，发展进入了新的阶段。合并之后，以太坊将继续沿着扩容和去中心化的方向前进。The Merge仅仅是PoS时代的第一步，以太坊依然面临着巨大的挑战，验证者群体中心化，扩容，Lazy Validator Problem等问题依然制约着应用的爆发和以太坊的安全扩展，本文将从The Merge开始，逐步分析POS采用的共识算法，重点探索使用DVT技术来解决验证者单点风险的问题，和从业者一起分析以太坊的问题和未来的发展机会，建议具备一定以太坊基础的读者阅读此文章。

 一：The Merge 

1.1 背景 

The Merge是以太坊有史以来最大的技术升级，在2022年9月15日实现了Execution Layer和Consensus Layer的合并，其最大的变化是将以太坊的PoW共识切换为PoS共识。 

除此之外，合并以后以太坊的能源消耗降低了将近99.95%，据Vitalik Buterin推文，以太坊合并将使全球用电量减少0.2%。 

 1.2 合并带来的改变

 

 

  

 切换为PoS共识以后，以太坊的算法由Ethash转换为了Casper FFG（Gasper），相较之前的算法，Gasper更加节能，不需要再通过专门的矿机计算难度值，而是通过随机的方式来出块，让我们往下继续探索以太坊的共识算法和出块方式！ 

二：Gasper 

目前信标链上面质押了13,830,378个ETH，活跃验证者的数目为432,203个（截至2022年9月23日），根据PBFT的特点，beacon chain的验证者数目很多，网络通信数据量大，简单的PBFT不再适用于以太坊网络，于是以太坊在网络结构上面采用PBFT的思想对网络架构进行了改进和设计，使用了Gasper算法。

Gasper为beacon chain协议中的终局性工具（finality gadget），用于确定哪些区块应被参与者认定为已经确定的、不可更改的，同时在分叉的时候用于确定哪个分叉链是主链。Gasper的终局性一般化了《Casper Friendly Finality Gadget（casper FFG）》论文中的概念。 

 2.1 概念

  

2.2 流程 

Epoch开始的时候，通过RANDAO为每一个Slot（时隙）分配一个Committee（验证者委员会）对上一个Epoch进行Attestation（签名投票）。 

为当前Epoch的32个Slot分配多个Aggregator将committee对上一个Epoch的Attestation聚合以后记录进Slot区块里。 

RANDAO通过生成随机数确定Proposer负责出块。

 

在当前Epoch，每一个Slot在出块的时候，committee都对上一个Epoch的检查点进行Attestation，连着两个检查点Attestation以后，上一个检查点才Finalised，直到32个Slot都依次对检查点进行了Attestation，本轮Epoch结束。

Post-Epoch的第一个Slot开始的时候，Pre-Epoch达到了终局性的共识，即Post-Epoch经历了Pre-Epoch和当前Epoch，一共两轮Epoch（因为两个Attestation的检查点之外，还有冲突的检查点的话，必然有1/3的验证人作恶了，比如32 64 96三个区块高度，可能64号高度没有达成检查点，到了96号才有检查点，这时候32号高度才是Finalised），时间上为12.8Min，交易就在链上确定下来了，即所谓的终局性。 

2.3 特性

RANDAO赋予了链上的随机数。RANDAO生成的随机数将会放进Execution Layer Block，智能合约能够直接使用该随机数，在拥有链上的原生随机数以后，DeFi可能会有新的应用诞生，比如博彩类的DeFi应用可以直接信任和使用RANDAO产生的随机数。

2.4 Latest Message Driven GHOST（LMD-GHOST，由最新消息驱动的GHOST） 

在以太坊新的POS共识机制中使用LMD-GHOST作为分叉选择规则，当发生分叉的时候，GHOST会选择获得更多消息支持的子树。其背后的理念是在计算链头时，只考虑每个验证者最近的投票，而不是过去产生的任何投票，以此降低运行GHOST所需的计算量。 

2.5 随之而来的问题 三：以太坊质押挖矿

3.1 Staking  

质押门槛：验证者为了履行职责参与共识出块需要质押32ETH作为保证金资产。

验证者的职责：在协议规定的时间生产区块和attestation。

3.1.1 Staking方式

3.1.2 风险与隐患

是否合并以后真的就万事大吉？我觉得未必，从下图的数据我们可以窥探一下解除信标链提款限制以后的局面。

  目前以太坊的质押量主要集中在Lido，Coinbase和Solo Staking，合并以后新的以太坊质押则大量流向了Lido和Coinbase这类相对中心化的机构和协议里，在解除提款限制以后，我觉得原来质押的以太坊会被重新分配到Lido和Coinbase里，随着时间的流逝，Lido和Coinbase将会掌握越来越多的以太坊验证者和质押量，最终对以太坊的去中心化带来严重的威胁，当他们控制住以太坊以后，对于想要重新打破这种局面的交易，将会被Lido或Coinbase这样的大矿池所拒绝，因为你想质押ETH到以太坊的这笔交易能否上链也是他们说了算，并且新产生的ETH也将会往ETH越多的人手里集中，因为他们在质押的时候就掌握了大量的ETH，这无疑对以太坊的去中心化会是新的挑战，我们可以期待社区和核心开发者一起来解决这个问题。 

3.1.3 奖励类型

 

 

 

 3.1.4 惩罚类型 

3.2 私钥类型 

3.3 ETH2质押风险 

四：分布式验证者技术（DVT） 

在质押层面，虽然我们有去中心化的质押解决方案来降低质押门槛和提高质押服务的去中心化，但是在Validator层面，依然存在着单点风险，现在单个验证者运行着网络的多个客户端，如果因为网络原因或者是断电等物理因素会造成怠工惩罚，slot也无法收集到有效的签名，我们无法通过冗余的方式在多个地方运行同一个验证者节点，因为这会造成签名的混乱，会被认为是对网络的攻击，但是我们可以将签名私钥拆分，通过DVT技术来降低单点故障的风险，在实施升级的时候，也为节点提供了升级空间，并不会因为网络升级导致节点的大面积掉线，具体分析，请让我们往下探究！ 

4.1 概念

4.2 分布式验证者节点需要运行

4.3 DV如何防范ETH2质押风险

4.4 总体架构

 

 

4.5 实现DVT技术的两种路径

4.6 Threshold Signature Schemes (TSS)（阈值签名方案） 

当验证者对区块达成一致需要签名时，采用BLS阈值签名方案来实现签名。其允许N个验证者共同签名数据，并且在t+1（0tn)个验证者正确签名的情况下实现完整签名。通过tss的方案，既实现了每一个验证者都无法获得完整的签名私钥，又保证了完整签名的顺利生成。 

五：从主流项目看DVT 

5.1 SSV 

表面上看，SSV提供了稳健的、去中心化的进入以太坊质押（Staking）生态系统的途径。再深入一点，SSV是一个复杂的、配有共识层的多签钱包，SSV在信标链节点和验证者客户端之间充当缓冲器的作用。 

5.1.1 配置的主要组成部分

5.1.2 SSV生态的三类参与者

5.1.3 ssv.network DAO负责以下工作：

5.2 Obol 

Obol 是一种通过multi-operator促进staking信任最小化的协议，该协议能够被作为多种类web3产品的核心模块以低信任成本获得以太坊质押收益。 

5.2.1 Obol的四个核心公共产品：

 

5.2.2 关键概念：

 

六：总结与展望 

6.1 总结 

行文通篇，从The Merge开始叙述，讲述合并以后以太坊采用的Casper FFG算法，熟悉了合并以后区块的产生方式以及新的一些技术概念，随后讲到了以太坊新的挖矿方式以及目前存在的Staking方案，了解到验证者存在的单点故障问题，随后又深入到DVT技术，并通过两个项目的案例简述DVT如何解决了这个问题，整篇文章按照去中心化的思路叙述，为读者了解以太坊的共识算法和去中心化发展方向提供了一定的参考。 

6.2 展望 

以太坊在The Merge以后，将会逐步实现Danksharding，首先通过EIP-4488降低calldata的gas花销，从16gwei降低到3gwei，为rollup的提速扩容进行强有力的支持，之后一步是在Proto-danksharding中引入Blobs的交易类型，使得以太坊能够为rollup提供更多的存储空间，降低D/A的成本，并逐渐实现Danksharding。

要实现Danksharding中描述的数据可用性采样（DAS）、区块提议者/构建者分离（PBS）等设想，必须要确保以太坊网络的节点足够多，足够去中心化，数据可用性采样才能实施，也就是说要确保扩容和低成本的D/A，以太坊的去中心化是最为重要的一环，因为去中心化的质押方案和DVT等技术对以太坊后续的发展至关重要。