前言2017年，Vitalik Buterin 與 Virgil Griffith 共同發表了Casper the Friendly Finality Gadget（Casper FFG）。Casper FFG 是受 PBFT 啟發
前言
2017年，Vitalik Buterin 與 Virgil Griffith 共同發表了 Casper the Friendly Finality Gadget（Casper FFG）。Casper FFG 是受 PBFT 啟發并經過改良的共識協議，它雖然被設計得很簡潔（Simple），但其對安全性的證明卻不簡單（Easy）。
筆者將于本文解析 Casper FFG 的原理，讀者可以一窺權益證明共識所嘗試解決的問題及其設計理念。此外，Casper FFG 是以太坊 2.0 的共識機制，理解其運作也能幫助研究員與開發者進一步理解以太坊 2.0 的設計。
最后要特別感謝以太坊研究員 Chih-Cheng Liang(梁智程)提供重要素材并與筆者共同大量討論及給予回饋，沒有他的協助便不會有這篇文章的誕生。
Casper FFG 是怎么開始的？
以太坊對權益證明（Proof-of-Stake, PoS）的研究最早可追溯至 2014 年的這篇文章。從此之后，以太坊研究員們便一直朝「實現基于 PoS 的共識協議」此一目標前進。PoS 共識的設計是一個跨領域且相當復雜的問題，其包含計算機科學/經濟學/密碼學等方面。以太坊擁有區塊鏈生態系中最跨領域的團隊，對 PoS 的研究可以說是相當透徹。
筆者于日前翻譯了一篇關于 Casper FFG 發展脈絡的重要文獻：
Casper FFG 與 Casper CBC 的瑜亮情結
Casper FFG 受到 PBFT 的啟發，并可以被視為改良后的 PBFT ——它繼承了 PBFT 的重要設計，同時添加新的機制與簡化若干規則。若讀者對 PBFT 感到陌生，可以參考筆者日前針對 PBFT 的解析文：
若想搞懂區塊鏈就不能忽視的經典：PBFT
簡而言之，PBFT 是一個具有二輪投票機制的共識協議，且具有下列特性：
許可制的（Permissioned）：只有被「允許」的節點能參與共識。
基于領袖的（Leader-based）：只由主導節點負責「提案」(Propose)，其他節點只負責投票，因此需要視域變換(View Change)機制來節制不誠實的主導節點。
基于通訊的（Communication-based）：使用決定性的(Deterministic)多數決來形成共識，而不是非決定性的(Non-Deterministic)算力解謎賽局。
安全性重于活躍性的（Safety-over-Liveness）：無論網絡是否延遲，協議都能保證共識的安全性(即不分叉)，這賦予協議的特性。
其中 PBFT 所具備的即時敲定性，或許是其受到 Vitalik 青睞的主要原因。Vitalik 在熟讀 PBFT 后也特撰文總結，并于其中提出日后演變成 Casper FFG 的重要想法。
Casper FFG 的前身：砍押金的 4 條規則
PBFT 雖然具有即時敲定性，但并不具有抵抗共謀的能力，因此需要一個懲罰機制來遏止作惡的行為，只要節點做出逾越規則的行為，便必須承受經濟損失——透過經濟學法則來調節節點的行為正是 PoS 的設計理念。任何支付押金的節點，都可以加入網絡參與共識，無需任何人的許可，因此基于 PoS 模型的共識都是非許可制的（Permissionless）。
在這里要澄清一下「許可」這件事。我們會說他「非許可制」，是因為任何驗證節點可以加入和退出。但如果在他加入的時候，鏈要維持一個驗證節點清單，從這個角度看又有點是「許可制」。從 PBFT 的角度看，投票的驗證節點也必須從許可的清單中挑選。
那么下一個問題是：哪些行為該被懲罰？Vitalik 仔細推敲 PBFT 后發現，PBFT 只需 4 條規則（PBFT 中的斷言）便能確保共識運作良好：最少的砍押金條件Vitalik 在這篇文章中總結了這 4 條規則，并把它們稱為 PBFT 的「最少的砍押金條件」（Minimal Slashing Conditions），任何違反此 4 條規則的行為都要被取走押金。這 4 條規則如下：
1.提交(commit_req)：收到2/3節點的預備訊息后才能提交。2.預備(prepare_req)：每個預備訊息只能指向某個也具有2/3節點預備訊息的高度(Epoch)，且這些預備訊息也必須都指向同一個高度。3.預備提交一致性(prepare_commit_consistency):任何新的預備訊息只能指向最后一個已提交的或其他比其更新的高度。4.不重復預備(no_double_prepare)：不能在同一個高度送出兩次預備。
這 4 條規則可以進一步簡化為 2 條：
某驗證節點v必不可發出兩個相異的投票：<ν,s1,t1,h(s1),h(t1)>及<ν,s2,t2,h(s2),h(t2)>,且使下列任一條件成立：1.h(t1)=h(t2)驗證節點必不可對某高度發出兩個相異投票。2.h(s1)
這 2 條規則便是 Casper FFG 的最少砍押金條件。
Casper FFG 如何運作？
-Casper FFG: 檢查點樹-Casper FFG 是一個將出塊機制（Block Proposing Mechanism）抽象化的覆蓋鏈（Overlay），只負責形成共識。出塊機制由底層鏈實現，而來自底層鏈的出塊（Block Proposal）稱為檢查點（Checkpoints）。檢查點組成檢查點樹（Checkpoint Tree），例如：把高度為 0、50、100、150 的區塊哈希值取出，形成一棵新的樹，如上圖所示。最底部的檢查點則稱為根檢查點（Root）。每個節點都必須對檢查點送出投票（Vote），投票的內容是由兩個不同高度的檢查點組成的連結（Link），連結的起點高度較低，稱為源頭（Source）；連結的終點高度較高，稱為目標（Target）。
節點會將投票廣播到網絡中，并同時收集來自其他節點的投票。其中若投票給某連結 L 的節點押金總和超過全部押金的 2/3，則稱 L 為絕對多數連結（Supermajority Link），以 s → t 表示。例如上圖中，b1 / b2 / b3 之間都形成了絕對多數連結，分別以 b1 → b2、b2 → b3 表示。由根檢查點開始，若兩個檢查點之間形成絕對多數連結，則該連結的目標進入「已證成」（ Justified）狀態；而在連結建立當下已處于「已證成」狀態的源頭，則進入「已敲定」（Finalized）狀態；根檢查點則預設為「已證成」及「已敲定」狀態。
由此可知，每個檢查點在經過兩次投票后，會先「證成」（Justify）而后「敲定」（Finalize），幾乎等同于 PBFT 的「預備」與「提交」。例如在上圖右邊的分支中，r / b1 / b2 皆為「已敲定」狀態，只有 b3 為「已證成」狀態。那么驗證節點該對哪些檢查點建立連結？每個節點都必須遵循分叉選擇規則（Fork Choice Rule）來選擇下一個要連接的檢查點，Casper FFG 的規則是：選擇最高的「已證成」狀態的檢查點。
-Casper FFG: 驗證節點集合的大幅變化引起的分叉-由于 Casper FFG 能讓任何存入押金的節點成為驗證節點，因此驗證節點集合（Validator Set）會動態地隨著時間變化。節點從退出網絡至取出押金需要等待一段期間，該等待期間稱為提領延遲（Withdrawal Delay）。每個檢查點 C 都有其對應的朝代數（Dynasty），其定義為：從根檢查點開始至 C 為止的已敲定檢查點數量，例如上圖中，b3 的朝代數為 3。每一代檢查點都對應兩種驗證節點集合：前端（Front）驗證節點集合（包含于此代加入的節點）以及后端（Rear）驗證節點集合（包含于此代退出的節點）。
理論上每代檢查點的前端/后端集合會高度重復，但難保節點共謀造成前端/后端集合的大幅變化，若此情形發生，則出錯時可能會砍不到壞節點的押金(因為壞節點已退出)導致安全性受到威脅。例如上圖中，驗證節點 A 可以退出，代表對 C' 分叉(綠色)來說 A 退出了，可是對 C 分叉(紫色)來說， A 卻從來沒退出過。因此 A 有辦法繼續投舊鏈 C，但新鏈 C' 砍不到 A 的押金(因為已退出)。
為了讓每代檢查點在出錯時都能確實歸責，因此需要縫合機制（Stitching Mechanism）將檢查點的前端/后端集合「縫」起來，確保每個錯誤都必定能歸責（出錯的可能是前端集合或者后端集合）。綜合以上，Casper FFG 幾乎針對 PBFT 的所有方面都做出改進：
經濟上的制約：PBFT 是許可制的，它仰賴原本就存在信任基礎的組織共同運行協議;Casper FFG 則是非許可制的，它引入最少砍押金條件，利用經濟損失的風險來制約節點的行為，節點之間不需要任何信任基礎也能共同運行協議，實現真正的去中心化。
抽象的出塊機制：PBFT 仰賴誠實的主導節點產生區塊并需要視域變換機制節制拜占庭節點;Casper FFG 無需理會底層的出塊機制，只需負責形成共識。出塊抽象的好處是：底層鏈的出塊頻率不必與覆蓋鏈的共識頻率一致，如此可以增加效率并降低網絡的負擔。例如：每 100 個底層區塊只產生 1 個檢查點。
流水線化的投票：PBFT 具有 < Prepare >、< Commit >、< View-change > 等數種投票訊息；Casper FFG 僅有 < Vote > 一種，且投票的內容并不是單一的區塊/請求，而是兩個形成連結的檢查點，這使 Casper FFG 能夠在不犧牲太多表達力的前提下變得簡潔許多。這些形成鏈式結構的檢查點，會于兩個不同高度分別經歷兩輪投票，由于每一輪投票都會敲定源頭與證成目標，因此共識能如流水線（Pipeline）般不斷推進。相似的設計理念也出現于 Hot-Stuff，有趣的是，該論文作者 Dahlia Malkhi 還撰文比較 Hot-Stuff 與Casper FFG，其相似程度可見一斑。
這些形成鏈式結構的檢查點，會于兩個不同高度分別經歷兩輪投票，由于每一輪投票都會源頭與目標，因此共識能如流水線(Pipeline)般不斷推進。相似的設計理念也出現于 Hot-Stuff，有趣的是，該論文作者 Dahlia Malkhi 還撰文比較 Hot-Stuff 與Casper FFG，其相似程度可見一斑。
強健的抗攻擊性：PBFT 不具備對遠程攻擊（Long-range Attack）以及災難性崩潰（Catastrophic Crash）的抗性；Casper FFG 則具有特別的機制來防御這兩種攻擊：針對遠程攻擊，節點必須定期同步區塊及禁止回朔（Revert）已敲定的區塊；針對災難性崩潰，Casper FFG 則引入「離線溢金」（Inactivity Leak）機制來應對。關于這兩種攻擊的說明，筆者將于日后另撰文論述。
由于 Casper FFG 相當簡潔，以太坊研究員一度實現了合約版本的 Casper FFG：ethereum/casper然而，這個合約版的 Casper FFG 后來被棄用了!在合約版中原本假設投票能夠被并行處理，但在計算投票報酬有很多中間狀態，不同投票處理的先后順序將會影響最后得到的狀態，這代表并行化將無法達成共識。而要修正這個問題則必須要在合約與客戶端做大量修改，失去了「邏輯用合約實現，避免修改客戶端」的精神。因此，為了能夠更好地整合 Casper FFG 與其他優化提案(例如分片)，全新的以太坊 2.0磅礴登場了。
以太坊2.0 中的 Casper FFG
-以太坊 2.0: 分片-以太坊 2.0 是一個基于 EVM 并整合 Casper FFG 與眾多優化提案(以分片為主)的分布式帳本。以太坊 2.0 除了想實現 PoS，還試圖將每秒交易數(TPS)擴展到 10000 筆的量級，使區塊鏈成為如網際網絡一般的基礎設施(Infrastructure)，并且讓任何存入 32 個以太幣的押金的節點都能成為驗證節點。
分片（Sharding）即是為了增加可擴展性（Scalability）的重要設計，也是以太坊 2.0 最重要的目標。分片就是分工合作，我們可以用一個簡單的例子來說明分片的概念（實際上的解釋要比這復雜得多）：2 人寫 2 題作業，2 人各寫不同的 1 題再合起來一定比 2 人都各寫完 2 題來得更有效率。目前的以太坊只有 1 條區塊鏈，所有節點必須各自處理所有交易（如同 2 人各自寫完 2 題作業）；在以太坊 2.0 中，網絡會分成 1024個片（Shard），每片分別運行 1 條分片鏈（Shard Chain），它們將各自處理一部分的交易后再將結果交由 1 條信標鏈（Beacon Chain）統整（如同 2 人各做不同的 1 題再合起來）。
因此，以太坊 2.0 預計會有 1 條信標鏈以及 1024 條分片鏈。值得注意的是：片是一個抽象層，并不特指某一群節點。為了更了解這個概念，筆者擴充一下上文的例子：假設寫作業有找答案及抄答案兩個步驟，那么 A / B 2人寫 2 題作業，由讀速快的 A 找第 1 題答案，讀速慢的 B 找第 2 題答案；由手速快的 B 抄第 1 題答案，手速慢的 A 抄第 2 題答案。如此，A / B 便可以依照讀/寫的快/慢來分別負責不同題目的不同步驟。同樣地，在以太坊 2.0 中，除了有 1024 個片，還會有 1024 個持續委員會（Persistent Committee）與 1024 個交聯委員會（Crosslink Committee）：
每個片都會對應 1 個持續委員會與 1 個交聯委員會，如同上例中每個題目可以依照讀/寫的步驟來對應不同的個體。
使用鏈上隨機數（On-chain Random Number）決定各委員會的分派，如同上例中依照讀/寫的快/慢來分派題目(關于鏈上隨機數的實現細節留待筆者日后詳述)。
持續委員會負責維護分片鏈與產生分片區塊（Shard Block）、交聯委員會負責維護信標鏈與產生信標區塊（Beacon Block），如同上例中讀速快的負責找答案、手速快的負責抄答案。各區塊的出塊節點（Block Proposer）也交由鏈上隨機數決定。
換句話說，每個驗證節點都需維護 1 條唯一的信標鏈及 1 條所屬片的分片鏈，也都會隸屬于與該分片對應之 1 個交聯委員會與 1 個持續委員會。Casper FFG 是運行于以太坊 2.0 之上的覆蓋鏈，這個覆蓋鏈同樣由檢查點構成，各檢查點之間的跨度稱為時期（Epoch），1 個時期（Epoch）切成 64 個時段（Slot ），每個時段對應 16 個片（16 = 1024 ÷ 64），因此每片在每時期中都有對應的時段，并只能在輪到自己時才廣播其對檢查點的投票，且每分片只能 1 個時段中投出 1 票——也就是說，各分片需要先對投票內容形成共識，不過各片內部形成共識的方法仍尚未定論，近期最新的提案是使用聚合簽名。
另外，Casper FFG 在以太坊 2.0 中的分叉選擇規則是最新消息驅動GHOST（Latest-Message Driven GHOST, LMD GHOST）。理論上，Casper FFG 于每個檢查點的投票應該要與底層出塊機制的投票分開;實際上，以太坊 2.0 的底層投票內容會同時包含頂層投票內容(檢查點的連結)，如同頂層投票搭了底層投票的便車(Piggyback)，借此優化效能。如此在每個時期結束時，每個片都會收到所有其他片在該時期的投票，Casper FFG 活躍性得以維持。
結語
Casper FFG 是一個實現權益證明的大膽嘗試，它在以太坊 2.0 的表現值得期待。然而以太坊 2.0 還有許多難題留待解決，例如輕節點(Light Client)/ 鏈上隨機數生成器(On-chain Random Number Generator)/ 跨片交易(Cross-shard Transaction)等等。
與此同時，許多以太坊 2.0 的競爭者也提出新的共識協議與分片技術，例如 RapidChain / Harmony / Chainspace 等等。Casper FFG 以及以太坊 2.0 是經過眾多研究員/開發者不斷激蕩與迭代的重要結晶，但一直以來都缺乏提供系統性論述的中文材料，希望此文可以幫助中文世界的研究員/開發者快速理解 Casper FFG 與以太坊 2.0 的精要。(作者:Juin Chiu)
