以太坊2.0原理详解——信标链（二）

从架构图中我们可以看出灯塔链介于POW主链和分片链之间。 PoW链为灯塔链提供权益基础，分片链为所有分片链提供管理功能。

2 为什么需要“灯塔链”

Lighthouse 链是一条权益证明链，在整个以太坊 2.0 系统中扮演着重要的角色，类似于合唱团指挥官的角色。

灯塔链的主要功能是管理自己的权益证明协议和所有分片链。 这有很多方面：管理验证者及其权益； 在每一步为每个分片提名区块生产者； 将验证者组织成委员会，对提议的区块进行投票； 验证者奖励和惩罚； 处理跨分片交易。

在进一步研究这些功能之前，让我先介绍一下这个名字的由来和含义： Beacon Chain这个名字起源于“随机信标”的概念——在NIST中，它为系统的其他部分，即区块链项目提供随机性来源Dfinity 采用了随机数信标的概念。 虽然“信标”是向系统其余部分广播光的中心点，但在区块链中情况并非如此：一切都是去中心化的。 每个参与节点维护自己的灯塔链，努力与其他节点保持同步。

术语介绍：

验证者：任何人都可以抵押一部分 ETH 来称为验证者

Proposer/Block Producer：可以选择验证者成为提议者，只有提议者才有权出块

Committee：从验证人集合中选出一部分进入委员会，有点像国会，然后对提议的区块进行投票，投票的区块可能最终得到确认。

2.1 主要功能 2.1.1 管理验证者

信标链的一个主要工作是维护一组验证者，这些验证者是抵押了 32 个以太币（抵押的以太币以太坊2.0测试币最新消息，我们下面称之为权益）的节点集，负责运行以太坊 2.0 系统。 验证者可以有多个状态，但只有那些标记为“活跃”的才能参与以太坊 2.0 协议。

节点通过将其股份发送到 PoW 链上的智能合约来加入验证器集。 经过一些有效性检查后，以太币被锁定，合约发出日志条目（Solidity 中的“事件”），信标链客户端可以接收这些日志条目。 然后将节点导入灯塔链上的验证器集合。

一旦被激活，验证者就开始参与区块生产，如果被选为区块生产者，他们将在灯塔链和分片链（如果已实施）上生产区块。 验证者也被选入委员会并对区块进行投票。

当一个验证者宣布退出或不再参与出块等，经过一段时间（目前为97天，可调整），他们的抵押，加上奖励，减去罚款，将归还到一条分片链上。 除非整个系统出现故障并且社区同意退款，否则不可能解锁 PoW 主网上的初始权益。

所有这些都由 Beacon Chain 管理。

2.1.2 提供随机数

在区块链系统中很难产生高质量的随机性以太坊2.0测试币最新消息，但权益证明协议的一个关键要求是随机性来源是分布式的、可验证的、不可预测的和（合理地）不可替代的。 灯塔链负责为系统的其余部分提供这种随机性：下面描述的几个协议特性都依赖于它。

当前的随机数生成方法是 RANDAO，一种提供类似“哈希洋葱”结构的验证器。 RANDAO 只是一种将许多参与者提供的单个随机数组合成单个随机数输出的方法。 为了防止任何一个参与者操纵随机性，使用了密码学的承诺方案。 当验证者注册时，它需要提供一个承诺值，该值是从其选择的随机数中多次散列的。 验证者每次被选为提议者时，都需要提供最后一个公开值的原像（实际上是承诺值的原像，是验证者选择的随机数）来剥掉一层或多层洋葱. 其他人都可以检查这是否正确完成，因此提议者不能通过改变其贡献来欺骗系统。

虽然此方案并非完全不可替代——如果提议者不喜欢它们，可以跳过它们——但它被认为对于当前的协议设计来说足够稳健。

2.1.3 区块提议者

在 PoW 系统中，下一个出块节点是最快解决挖矿问题的节点。 PoS 中没有挖矿，区块生产者是根据上一节提到的随机数随机选择的。

PoW 系统的另一个特点是出块时间是不规则的，尽管在以太坊上它们的平均出块时间约为 15 秒。 相比之下，我把 Beacon Chain 比作一个心跳，以太坊 2.0 每 16 秒出一个块（如果测试表明可以减少到 8 秒）。 这些 16 秒的时间段称为“时隙”。

在每个时隙，被选中的提议者收集灯塔链验证者集对前一个块的所有投票（证明），并将它们组合成一个新块。 --> 灯塔块

一旦分片链就位，每个分片将在每个插槽中都有自己的提议者，它将收集该分片的所有交易并将它们打包成一个块，由分片委员会投票表决。 --> 片段块

2.1.4 委员会

POS 区块链的安全来源是投票决定哪些区块构成链的真实历史的委员会。 Lighthouse Chain 依赖于其委员会的投票计数，称为“证明”，以同意并最终确定（最终确定）其历史。 理想情况下，如果可以快速收集证明，委员会将成为系统中所有活跃的验证者。

此外，信标链会随机分配较小的子委员会给每个分片，负责在适当的时候确认分片提议者的正确行为。

2.1.5 奖惩

信标链的另一个治理角色是跟踪和更新验证者存款。

验证者因表现出色和尽自己的本分而获得奖励：这是一种参与的激励。 但是，如果验证者违反规则，他们将受到惩罚，并且 32 Ether 存款将减少（削减）。 旷工（不投票）也有轻微处罚。 这样做的原因很微妙，即使在发生灾难等大量验证者离线的情况下，系统也能保持处理能力。

如果验证者的权益低于 16 个以太币，灯塔链会将其从验证集中移除。

2.1.6 交叉链接

最后，灯塔链执行交联过程。 交叉链接将整个分片系统连接在一起，将每个分片锚定到 Lighthouse 链上。

周期性地，每个分片的当前状态（“合并数据的默克尔根”）被记录为灯塔链块的交叉链接。 当一个信标链区块被终结时，相应的分片区块也被认为是最终的，其他分片知道它们可以依赖它进行跨分片交易处理。

上图是灯塔链加上 8 个分片链（浅蓝色方块）和交叉链接（浅蓝色线）的可视化

所有区块链上的黄色区块代表已经完成的区块。 时间从左向右延伸。 注意：此图片来自 Casey Detrio。

2.1.7 构建灯塔链

Lighthouse Chain 本身可能看起来不是特别有用，因为它不处理任何交易，没有智能合约，没有 EVM，甚至不能做任何有用的事情。 但是，作为以太坊2.0的第一个组件，它是构建以太坊2.0的基础，整个架构都基于此，所以它必须足够强大。

如果您想了解更多关于信标链的信息，请参考规范

灯塔链的设计让我想起了计算机领域的一句经典名言：“计算机科学领域的任何问题都可以通过增加一个间接中间层来解决”