TTE:以太坊：Safe Head 机制介绍（二）_VEST

作者：NicLin，imTokenLabs资深区块链工程师

本文受众：区块链开发者

上一篇介绍了SafeHead机制，这一篇将介绍imToken尝试实践的SafeHead版本以及除了SafeHead之外能做的事，最后会介绍CasperFFG以及该怎么使用Checkpoint和SafeHead。

上一篇最后有提到SafeHead算法还没落地，虽然目前PoS运作都正常，但我们在imToken仍尝试设计出自己的SafeHead版本，希望在过渡期能获得比BlockConfirmationRule更可靠的区块参考，让使用者的体验比较不会受到网络波动所影响。

过渡期及SafeHead之外能做的事

imToken在尝试自己的SafeHead版本

目前的版本是由BlockConfirmationRule加上得票率的筛选，例如未来三个区块得票率都大于90%，或是未来四个区块得票率都大于70%。如此虽然比单纯BlockConfirmationRule还可靠，但只单纯看未来X个区块存在无法反映实时投票率变化的缺点。未来还需要更多的迭代和改进。

那除了SafeHead，还有什么是现在我们能做的呢？

监控区块及epoch投票率

PoS的优点之一是我们能透过观察投票状况来提前察觉网络是否有问题、攻击是否正在发生等等，能够有一个监控系统来监测可以让我们提前做出反应，不管是送出警报、拉高SafeHead门槛，或是将SafeHead设回一个更保守的区块。

以太坊近期波动幅度将小于比特币，或吸引更多长期投资者:5月22日消息，根据分析公司Glassnode跟踪的数据，比特币的价格区间陷入了几个月来的最低水平，在截至5月21日的7天内达到的最高价和最低价仅相差3.4%，这是过去三年来最窄的交易区间之一。“这与2023年1月和2020年7月相当，这两个时间点都在市场大幅波动之前。这表明高波动性可能即将到来，”Glassnode周一早些时候在推特上写道。最近，比特币和以太坊基于期权的波动率指标也创下了历史新低。狭窄的交易区间表明，看涨和看跌的前景都没有主导价格走势。当市场面临相互竞争的影响和叙事时，这种情况通常会发生。尽管挥之不去的美国银行业问题有利于比特币等被视为避险资产的上涨，但债务上限谈判的僵局尚未解决以及美元指数的回升表明情况并非如此。[2023/5/22 15:18:39]

而这些都只需要算出区块投票率即可，也就是第一篇提到的步骤

查询新的区块并记录区块，包含分叉链的区块也要能查询得到获取区块里的Attestation并记录Attestation针对每个区块，搜寻所有Attestation.beaconBlockRoot==Block.blockRoot的Attestation，去掉重复的Validator得出该区块得票数算出每一个slot的总Validator数量，除上得票数，算出得票率注：计算epoch投票率会在第三步和区块投票率不太一样，在后面会再补充解释。

其中第二步、第三步及第四步在实践上有一些需要注意的地方：

以太坊Gas价格突破500，达历史高位:据Gas Now数据显示，当前以太坊网络的Gas价格的即时成交价格超过500Gwei，最高甚至突破600，达历史高位。[2021/1/4 16:24:02]

第二步：获取区块里的Attestation

同一个slot且同一个committee的Validator所产生的Attestation不会总是被完美合并成一个，所以会常常出现同一个slot同一个committee的Validator的Attestation在不同区块被收录。如果你透过beaconcha.in来查询一个区块的话，你会看到投给它的Attestation分散在不同区块，以区块4835000为例，你可以看到虽然大多数的committee的Attestation都在下一个slot4835001被收录，但仍有些投票是在后面的slot才被收录：

?Committee10其中一个Validator的Attestation在slot4835010才被收录

所以在资料库里要唯一识别「同一个slot且同一个committee的Validator所产生的Attestation」会有点麻烦，要不(1)遇到同样的Attestation但在不同区块收录时，将Validator合并起来，但如此就没办法呈现像上图那样的资讯，也分辨不出合并过哪些Attestation；要不(2)用Attestation被收录的区块号码及Attestation被收录的排序来识别Attestation，如此就能分得出同样的Attestation在不同区块被收录的情况。

Deribit以太坊期权交易量和未平仓合约均创新高:据skew数据显示，Deribit以太坊期权24小时峰值交易量达4900万美元，未平仓以太坊期权合约达2.41亿美元，均创下新高。据悉，目前Deribit以太坊期权占市场份额93%。[2020/7/24]

区块4835000收录的65个Attestation中的第一个Attestation

第三步：AggregationBits

每个Attestation会有一项叫做AggregationBits，这是一个bit阵列，用来记录这个Attestation是由committee中的哪几个Validator的Attestation所合并而来。

以slot4823390的区块里所含的第一个Attestation为例，其CommitteeIndex为42，代表这个Attestation是由committee42的Validator的Attestation所合并而成。另外其AggregationBits为214个bits，其中只有4个bit是1，代表这个Attestation是由committee42一共214个Validator中第28、第58、第84及第147位Validator的Attestation所合并而成。

这四位Validator的编号分别是218385、32675、220759及323143

另外需要注意的是你从节点要回来的Attestation，里面的AggregationBits会是经过SSZ编码过后的值，不是你在上图中看到的格式，所以需要自己先用SSZ解码。以下是解码上面这个Attestation的AggregationBits的范例：

动态 | 昨日以太坊新增合约10585 上升48.25%:根据amberdata.io数据显示，昨日以太币交易总额约178.7万ETH，日活跃用户量约22.0万，新增合约10585，代币交易数量47.0万，最活跃合约：USDT。[2019/8/22]

import{BitArray,BitListType}from"//DeserializebytearraytobitlistwithSSZlibraryconstCommitteeBits=newBitListType(byteArraySize*8)constaggregationBitList=??????CommitteeBits.deserialize(byteArray)????????.toBoolArray()????????.map((v)=>(v?1:0))

第四步：算出Slot的Validator数量

实际上要获取每一个slot确切的Validator数量会需要用eth/v1/beacon/states/{slot}/committees这个API，回传的资料会包含该slot每一个committee所有的Validator的编号，加总所有committee的Validator数量就能得到该slot确切的Validator数量。但如果不要求精准的话其实也可以直接将当前Validator总数除以32个slot。

计算epoch投票率

声音 | OKEx比特币、以太坊合约多空差距均减小:截至今日8:00，OKEx比特币合约精英账户中，多头平均持仓比例为22.04%，空头平均持仓比例为19.20%，多空差距减小。以太坊合约精英账户中，多头平均持仓比例为22.60%，空头平均持仓比例为16.53%，多头持仓比例仍超过空头，多空差距减小。当前BTC合约持仓总量约为5.50万个BTC，持仓量较昨日有所增加；ETH合约持仓总量约为45.86万个ETH，持仓量较昨日减少。[2019/7/16]

前面有提到epoch投票率和区块投票率在计算上不太一样。计算区块得票率时，要找的是投给该区块的Attestation，也就是Attestation.beaconBlockRoot==Block.blockRoot，但epoch的投票目标则会是epoch第一个区块的blockRoot。

计算epoch得票数：搜寻所有Attestation.epochTargetRoot==getEpochFirstBlock(epoch).blockRoot的Attestation，去掉重复的Validator得出该epoch得票数。

epoch总投票数则是加总该epoch每个slot的Validator数量，再除上得票数即能得到epoch得票率。

注：如果epoch第一个slot是空区块，则往前从过去的slot中找到最近一个非空区块。

Epoch10第一个区块是空区块，则投给epoch10的票要填入epoch9最后一个区块

第一篇及以上部分算是介绍完了SafeHead的机制，最后这边再搭配CasperFFG的介绍，让DApp开发者或使用者能知道如何来利用这两个工具。

CasperFFG

CasperFFG是以epoch为单位的共识机制，一个epoch要先获得超过2/3Validator投票成为JustifiedCheckpoint，接着再获得一次超过2/3投票才会变成FinalizedCheckpoint。

JustifiedCheckpoint

一个epoch要变成Justified最快要经过一轮的投票，也就是一个epoch，6.4分钟。但变成Justified后还不代表是真的安全的，攻击者还是能让两条分叉链上的epoch轮流变成Justified，导致一直没有新的epoch能变成Finalized。虽然新的区块还是会一直被propose出来，但从CasperFFG的角度来看，共识机制基本上停摆了，即共识机制的liveness被破坏。

不过要能攻击成功需要攻击者占有一定的Validator数量，以及网络要出现问题导致Validator的投票无法实时传递到网络的另一端。

更多介绍可以参考BouncingAttack。

FinalizedCheckpoint

一个epoch要变成Finalized最快要经过两轮的投票，也就是两个epoch，12.8分钟。虽然比较久但是安全非常非常多，攻击者要能成功让两条分叉链上的epoch被Finalized不只需要攻击者占有超过1/3的Validator，以及网络出现问题，攻击者在事后更会被slash至少1/3的Validator，1/3Validator抵押的Ether目前约等价于72亿美元。这样的攻击破坏的是共识机制的安全性。

要怎么使用Checkpoints及SafeHead？

用Checkpoint来当作Finality

在PoW里，每个DApp都只能自己主观预估一个BlockConfirmationNumber来确保Finality，但在PoS里，协议本身就提供一个客观的Finality，虽然等待的时间可能比BlockConfirmationRule还久，但安全性会远胜于BlockConfirmationRule。

当你在查询某个链上状态时，你可以透过指定BlockTag为finalized，节点就会回传给你FinalizedCheckpoint那当下的状态：

awaitprovider.getBalance("vitalik.eth","finalized")

用SafeHead呈现即时资讯

DApp需要Finality的话可以使用Checkpoint，那在平时前端显示画面给使用者时，数据要参考什么时间点的呢？总不可能显示久久才更新一次的Checkpoint时间点的信息吧？

在PoW中DApp都是拉latest区块的资讯来显示，也就是节点看到的最新区块。但PoS中latest区块不再那么可靠，这时就可以用safe区块的信息来显示，虽然会延迟四秒，但是比latest区块可靠许多。

参考资料

BalancingAttack:LMDEdition-Consensus-EthereumResearchAnalysisofbouncingattackonFFG-Proof-of-Stake-EthereumResearchUpgradingEthereum|OnePageAnnotatedSpecEthBeaconNodeAPIv2.3.0-Eth2Specv1.1.0OAS3https://beaconcha.in@chainsafe/ssz-npm特别感谢Chih-ChengLiang，Chang-WuChen，StevenWu和doublespending校对本文并提供改进建议。

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