什么是Beacon鏈，為什么我們需要一個(gè)Beacon鏈

以太坊2.0并不是一個(gè)新主意，早在2014年，Vitalik就提到了以太坊2.0的概念，他說：“我們要么解決可擴(kuò)展性和共識(shí)問題，要么就死于嘗試，” 好吧，我們還活得不錯(cuò)，而他幾周前發(fā)布的最新觀點(diǎn)是：“對(duì)于以太坊2.0來說，理論上已沒有明顯未解決的問題。”

現(xiàn)在正是實(shí)現(xiàn)這些理論的時(shí)候了，而Beacon鏈正是以太坊2.0交付計(jì)劃的第一個(gè)組成部分。在這篇文章當(dāng)中，我們將討論它的作用、它為什么是這樣做的，以及開發(fā)者們是如何開發(fā)它的。

關(guān)于Beacon鏈的介紹

在之前的一篇文章當(dāng)中，作者介紹了以太坊2.0的概念，在這里我們通過Hsiao-Wei Wang提供的以太坊2.0系統(tǒng) 架構(gòu)圖進(jìn)行展示：

此圖還可作為開發(fā)和交付以太坊2.0的分步路線圖，順序?yàn)閺纳系较拢?/p>

· PoW 主鏈?zhǔn)墙裉煲蕴淮嬖诘牟糠郑杭串?dāng)前的以太坊主網(wǎng)。在以太坊2.0系統(tǒng)當(dāng)中，它會(huì)繼續(xù)像今天那樣運(yùn)行。而下面的所有東西都是新的。

· Beacon鏈目前正在開發(fā)當(dāng)中，它也將成為第一個(gè)被交付的組件；

· 分片鏈會(huì)是下一個(gè)交付組件，它也是可擴(kuò)展性的來源。最初，分片鏈將簡(jiǎn)單地聚合交易，并就其排序達(dá)成共識(shí)，而不會(huì)執(zhí)行它們。這將是對(duì)系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施以及安全性的一個(gè)良好測(cè)試；

· VM層是以太坊2.0系統(tǒng)的最后一個(gè)重要組成部分，它將提供合約以及交易的執(zhí)行；

為什么我們需要一個(gè)“Beacon”鏈？

Beacon鏈?zhǔn)且粋€(gè)全新的PoS區(qū)塊鏈。它是支撐整個(gè)新以太坊2.0系統(tǒng)的脊柱。它的存在，使得整個(gè)系統(tǒng)能夠保持活力，其負(fù)責(zé)指揮以太坊2.0系統(tǒng)所有的組成部分。

（Beacon鏈指揮整個(gè)以太坊2.0系統(tǒng)）

Beacon鏈的關(guān)鍵功能是管理PoS協(xié)議（Casper）以及所有的分片鏈。它有很多方面的工作要做：管理驗(yàn)證者以及他們的權(quán)益（stakes）；在每一步為每個(gè)分片指定所選的區(qū)塊提議者；組織驗(yàn)證者進(jìn)入委員會(huì)，對(duì)擬議的區(qū)塊進(jìn)行投票；應(yīng)用共識(shí)規(guī)則；對(duì)驗(yàn)證者實(shí)施獎(jiǎng)勵(lì)和處罰；并且，作為一個(gè)錨點(diǎn)，其中分片會(huì)注冊(cè)它們的狀態(tài)，以促進(jìn)跨分片交易；

在我們更深入地研究這些功能之前，請(qǐng)先了解一下術(shù)語。Beacon鏈的名字起源于“隨機(jī)beacon”的概念，它為系統(tǒng)的其他部分提供隨機(jī)性來源，而Dfinity項(xiàng)目在其區(qū)塊鏈環(huán)境中也采用了隨機(jī)beacon的概念。每個(gè)參與節(jié)點(diǎn)都會(huì)維護(hù)自己的本地Beacon鏈，努力與其它節(jié)點(diǎn)保持同步。也許上面帶有指揮的圖像是有誤導(dǎo)性的，雖然Beacon鏈確實(shí)指揮了系統(tǒng)的其余部分，但其指揮者是去中心化的，這就像每個(gè)音樂家都有自己的節(jié)奏感一樣。

關(guān)于Beacon鏈的一些功能

讓我們來看看Beacon鏈的一些功能。

管理驗(yàn)證者

Beacon鏈的主要工作之一就是維護(hù)驗(yàn)證者集合，這些驗(yàn)證者節(jié)點(diǎn)需通過抵押以太幣申請(qǐng)加入，他們會(huì)負(fù)責(zé)運(yùn)行以太坊2.0系統(tǒng)。驗(yàn)證者可以具有多種狀態(tài)，但只有那些被標(biāo)記為“active”的節(jié)點(diǎn)才可以參與運(yùn)行以太坊2.0協(xié)議。

而想要加入驗(yàn)證者集的參與者，可通過當(dāng)前的以太坊PoW主鏈，向一個(gè)Beacon鏈合約發(fā)送32 以太幣，在經(jīng)歷一些有效性檢查之后，這些幣會(huì)被鎖定，而合約則會(huì)發(fā)出日志條目（Solidity中的“事件”），它們可被Beacon鏈客戶端所接收。然后被選中的節(jié)點(diǎn)就可以導(dǎo)入到Beacon鏈的驗(yàn)證者集當(dāng)中。

一旦激活之后，驗(yàn)證者就可以提出區(qū)塊并參與以太坊2.0協(xié)議，當(dāng)這些區(qū)塊被選中之后，它們就會(huì)同時(shí)出現(xiàn)在Beacon鏈以及分片鏈上（一旦它們被實(shí)現(xiàn)的情況下）。如下所述，這些驗(yàn)證者還會(huì)加入對(duì)區(qū)塊進(jìn)行投票的委員會(huì)。

驗(yàn)證者也可以發(fā)出信號(hào)，表明他們希望退出系統(tǒng)，并停止參與協(xié)議的運(yùn)行。經(jīng)過一段時(shí)間（目前為97天，但可能會(huì)更靈活），他們的押金（32以太幣）加上獎(jiǎng)勵(lì)再減去罰款，將被退回到一個(gè)分片鏈當(dāng)中。解鎖PoW主網(wǎng)上的初始權(quán)益，是不太可能的，除非整個(gè)系統(tǒng)失敗，并且社區(qū)同意給退出者退款。

以上的所有工作，都是由Beacon鏈在負(fù)責(zé)管理的。

提供隨機(jī)性

在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中很難產(chǎn)生良好的隨機(jī)性，而一個(gè)權(quán)益證明（ proof-of-stake）協(xié)議的關(guān)鍵要求，就是隨機(jī)性的來源，它必須是分布式的、可驗(yàn)證的、不可預(yù)測(cè)的，并且是不可剝奪的。而Beacon鏈就是負(fù)責(zé)向系統(tǒng)的其余部分提供這種隨機(jī)性：下面所描述的幾個(gè)協(xié)議功能就取決于這種隨機(jī)性。

當(dāng)前的隨機(jī)數(shù)生成是通過RANDAO結(jié)構(gòu)完成的，驗(yàn)證者會(huì)提供一個(gè)“哈希洋蔥”。 而RANDAO結(jié)構(gòu)只是將很多參與者提供的貢獻(xiàn)（單個(gè)隨機(jī)數(shù)）組合成單個(gè)輸出數(shù)字的一種方式。為了防止任何一個(gè)參與者顯著地操縱隨機(jī)性，開發(fā)者使用了一種提交泄露（commit–reveal）方案。當(dāng)驗(yàn)證者注冊(cè)時(shí)，它會(huì)提供一個(gè)承諾值，該值是其選擇的原始數(shù)字經(jīng)多次哈希后產(chǎn)生的。每次選擇驗(yàn)證者作為提議者時(shí)，它通過提供最后一個(gè)揭示數(shù)字的原像來剝離“洋蔥”的一層或多層。其它人都可以檢查這是否是正確完成的，因此提出者不能通過改變其貢獻(xiàn)來欺騙系統(tǒng)。

雖然這種方案并不是不可替代的，如果提出者不喜歡這個(gè)隨機(jī)數(shù)，他可以選擇跳過它，但對(duì)于當(dāng)前的協(xié)議設(shè)計(jì)來說，這已經(jīng)是足夠健壯的。

區(qū)塊提出者

Beacon鏈會(huì)管理它的PoS協(xié)議，以及每個(gè)分片鏈。在工作量證明系統(tǒng)當(dāng)中，礦工節(jié)點(diǎn)會(huì)負(fù)責(zé)選出下一個(gè)區(qū)塊。而在PoS系統(tǒng)當(dāng)中，是不存在挖礦這個(gè)過程的，因此區(qū)塊生產(chǎn)者是基于上述協(xié)議內(nèi)的隨機(jī)性，隨機(jī)地選擇區(qū)塊提出者。

PoW系統(tǒng)的另一個(gè)特性是，區(qū)塊時(shí)間是不規(guī)則的，盡管以太坊的區(qū)塊生成時(shí)間平均約為15秒。相比之下，我們將Beacon鏈的區(qū)塊生成描述為心跳（heartbeat）。以太坊2.0的區(qū)塊是每16秒定期生成一次的（如果測(cè)試可行，也可能減少到8秒）。這個(gè)16秒的周期被稱為“slot”（時(shí)隙）；

在每個(gè)時(shí)隙（slot），Beacon鏈所選擇的提出者，會(huì)收集來自先前區(qū)塊的Beacon鏈驗(yàn)證者集的所有協(xié)議投票（證明），并將它們納入其發(fā)布的區(qū)塊。

一旦分片鏈準(zhǔn)備就緒，每個(gè)分片在每個(gè)時(shí)隙（slot）中都會(huì)有自己選擇的提出者，它們將收集該分片的交易，并將它們納入一個(gè)由分片委員會(huì)投票得出的區(qū)塊當(dāng)中；

委員會(huì)

權(quán)益證明（proof-of-stake）區(qū)塊鏈的一個(gè)重要安全來源是委員會(huì)，它們負(fù)責(zé)對(duì)構(gòu)成區(qū)塊鏈真實(shí)歷史的區(qū)塊進(jìn)行投票。而 Beacon鏈就依賴于計(jì)算來自其委員會(huì)的投票，我們將其稱為“證明”，以便同意并最終確定其歷史。在理想的情況下，如果能夠快速收集證明，則該委員會(huì)的成員，都可以成為系統(tǒng)中的有效驗(yàn)證者。

此外，Beacon鏈將隨機(jī)為每個(gè)分片指定較小的子委員會(huì)，這將在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候負(fù)責(zé)確認(rèn)分片的提出者行為是正確的。

獎(jiǎng)勵(lì)和懲罰

Beacon鏈的另一個(gè)管理角色，是跟蹤和更新驗(yàn)證者的存款。

如果驗(yàn)證者表現(xiàn)良好，并發(fā)揮出了自己的作用，則他們會(huì)獲得獎(jiǎng)勵(lì)：這是驗(yàn)證者參與以太坊2.0系統(tǒng)的動(dòng)力。但是，如果驗(yàn)證者違反了規(guī)則。那么他們的32個(gè)以太幣存款會(huì)減少（被削減），到達(dá)一定程度的情況下，這些驗(yàn)證者會(huì)被系統(tǒng)剔除。如果驗(yàn)證者出現(xiàn)缺席的狀況（不對(duì)區(qū)塊進(jìn)行投票），系統(tǒng)也會(huì)有小小的懲罰，我們將其稱為“二次泄漏”（quadratic leak）。其原因很微妙，即使在大量驗(yàn)證器脫機(jī)時(shí)（例如在發(fā)生災(zāi)難時(shí)），系統(tǒng)也能夠繼續(xù)處理區(qū)塊。

如果驗(yàn)證者的存款低于16以太幣，則Beacon鏈會(huì)把驗(yàn)證者從驗(yàn)證者集當(dāng)中剔除出去；

交聯(lián)（Crosslinks）

最后，Beacon鏈會(huì)執(zhí)行交聯(lián)的處理。交聯(lián)負(fù)責(zé)將整個(gè)分片系統(tǒng)連接在一起，其負(fù)責(zé)將每個(gè)分片錨定在Beacon鏈的脊柱當(dāng)中。

周期性地，每個(gè)分片的當(dāng)前狀態(tài)（“組合數(shù)據(jù)根”）會(huì)被記錄到Beacon鏈當(dāng)中，并作為交聯(lián)。當(dāng)Beacon鏈區(qū)塊完成時(shí)，相應(yīng)的分片區(qū)塊就被認(rèn)為是最終確定的，而其它分片則可確信它們可依賴它進(jìn)行跨分片交易。

可視化的Beacon鏈（藍(lán)色部分），它有8個(gè)分片鏈（碧綠色部分）以及相關(guān)交聯(lián)（淺藍(lán)色線）。所有鏈上的完成區(qū)塊都是黃色的，時(shí)間從左到右增加。 （圖片來自Casey Detrio）

構(gòu)建Beacon鏈

很快，我們就要結(jié)束我們的Beacon鏈閃電之旅了！就其本身而言，Beacon鏈可能看起來并不是特別有用。它無法處理任意交易：它沒有智能合約，它沒有 EVM虛擬機(jī)。你沒法用它做任何事情。但是，它作為以太坊2.0的第一個(gè)組成部分，它是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。整個(gè)壯觀的以太坊2.0建筑都將以此為基礎(chǔ)。所以，它必須是堅(jiān)實(shí)的。

如果你想深入了解細(xì)節(jié)，那么目前有一份正在進(jìn)行當(dāng)中的Beacon鏈規(guī)范。這份規(guī)范的所有創(chuàng)建和維護(hù)過程都是公開進(jìn)行的：歡迎有興趣的人加入。

為了運(yùn)行Beacon鏈，你就需要用到一個(gè)Beacon鏈客戶端。而很多大家所熟知的以太坊客戶端（Geth，Parity，Pantheon等）都在進(jìn)行相關(guān)的開發(fā)。你可以在此處查看我所知道的列表，其中包含指向其GitHub代碼庫的鏈接。 Prysmatic和Lighthouse正在定期更新它們的客戶端開發(fā)進(jìn)度，也有一些團(tuán)隊(duì)正在向貢獻(xiàn)者提供獎(jiǎng)勵(lì)。

關(guān)于進(jìn)度…… 在撰寫本文時(shí)，Beacon鏈的技術(shù)規(guī)范完成度接近了60%。盡管如此，開發(fā)者們預(yù)計(jì)會(huì)在今年年底前合理地完成這份規(guī)范，并且可能到2019年第一季度末運(yùn)行多客戶端的Beacon鏈測(cè)試網(wǎng)絡(luò)。最近幾周，相關(guān)的開發(fā)非常迅速，關(guān)于以太坊2.0的真正討論正在拉開序幕！