以太坊2.0并不是一個新主意，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)展性和共識問題，要么就死于嘗試，” 好吧，我們還活得不錯，而他幾周前發(fā)布的最新觀點是：

“對于以太坊2.0來說，理論上已沒有明顯未解決的問題?！?/p>

現(xiàn)在正是實現(xiàn)這些理論的時候了，而Beacon鏈正是以太坊2.0交付計劃的第一個組成部分。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：

在這里插入圖片描述

此圖還可作為開發(fā)和交付以太坊2.0的分步路線圖，順序為從上到下：

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，它也將成為第一個被交付的組件;

分片鏈會是下一個交付組件，它也是可擴(kuò)展性的來源。最初，分片鏈將簡單地聚合交易，并就其排序達(dá)成共識，而不會執(zhí)行它們。這將是對系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施以及安全性的一個良好測試;

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

為什么我們需要一個“Beacon”鏈?

Beacon鏈?zhǔn)且粋€全新的PoS區(qū)塊鏈。它是支撐整個新以太坊2.0系統(tǒng)的脊柱。它的存在，使得整個系統(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。

在這里插入圖片描述

Beacon鏈指揮整個以太坊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：管理驗證者以及他們的權(quán)益(stakes);在每一步為每個分片指定所選的區(qū)塊提議者;組織驗證者進(jìn)入委員會，對擬議的區(qū)塊進(jìn)行投票;應(yīng)用共識規(guī)則;對驗證者實施獎勵和處罰;并且，作為一個錨點，其中分片會注冊它們的狀態(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項目在其區(qū)塊鏈環(huán)境中也采用了隨機(jī)beacon的概念。每個參與節(jié)點都會維護(hù)自己的本地Beacon鏈，努力與其它節(jié)點保持同步。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。

管理驗證者

Beacon鏈的主要工作之一就是維護(hù)驗證者集合，這些驗證者節(jié)點需通過抵押以太幣申請加入，他們會負(fù)責(zé)運(yùn)行以太坊2.0系統(tǒng)。驗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)點才可以參與運(yùn)行以太坊2.0協(xié)議。

而想要加入驗證者集的參與者，可通過當(dāng)前的以太坊PoW主鏈，向一個Beacon鏈合約發(fā)送32 以太幣，在經(jīng)歷一些有效性檢查之后，這些幣會被鎖定，而合約則會發(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)點就可以導(dǎo)入到Beacon鏈的驗證者集當(dāng)中。

一旦激活之后，驗證者就可以提出區(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，它們就會同時出現(xiàn)在Beacon鏈以及分片鏈上(一旦它們被實現(xiàn)的情況下)。如下所述，這些驗證者還會加入對區(qū)塊進(jìn)行投票的委員會。

驗證者也可以發(fā)出信號，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)過一段時間(目前為97天，但可能會更靈活)，他們的押金(32以太幣)加上獎勵再減去罰款，將被退回到一個分片鏈當(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、可驗證的、不可預(yù)測的，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：下面所描述的幾個協(xié)議功能就取決于這種隨機(jī)性。

在這里插入圖片描述

區(qū)塊鏈上的隨機(jī)性是一個很棘手的問題。當(dāng)前的隨機(jī)數(shù)生成是通過RANDAO結(jié)構(gòu)完成的，驗證者會提供一個“哈希洋蔥”。 而RANDAO結(jié)構(gòu)只是將很多參與者提供的貢獻(xiàn)(單個隨機(jī)數(shù))組合成單個輸出數(shù)字的一種方式。為了防止任何一個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)驗證者注冊時，它會提供一個承諾值，該值是其選擇的原始數(shù)字經(jīng)多次哈希后產(chǎn)生的。每次選擇驗證者作為提議者時，它通過提供最后一個揭示數(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隨機(jī)數(shù)，他可以選擇跳過它，但對于當(dāng)前的協(xié)議設(shè)計來說，這已經(jīng)是足夠健壯的。

區(qū)塊提出者

Beacon鏈會管理它的PoS協(xié)議，以及每個分片鏈。在工作量證明系統(tǒng)當(dāng)中，礦工節(jié)點會負(fù)責(zé)選出下一個區(qū)塊。而在PoS系統(tǒng)當(dāng)中，是不存在挖礦這個過程的，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)的另一個特性是，區(qū)塊時間是不規(guī)則的，盡管以太坊的區(qū)塊生成時間平均約為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(如果測試可行，也可能減少到8秒)。這個16秒的周期被稱為“slot”(時隙);

在每個時隙(slot)，Beacon鏈所選擇的提出者，會收集來自先前區(qū)塊的Beacon鏈驗證者集的所有協(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，每個分片在每個時隙(slot)中都會有自己選擇的提出者，它們將收集該分片的交易，并將它們納入一個由分片委員會投票得出的區(qū)塊當(dāng)中;

委員會

在這里插入圖片描述

驗證者委員會的投票活動，在確保以太坊2.0系統(tǒng)安全性方面起到了關(guān)鍵作用。權(quán)益證明(proof-of-stake)區(qū)塊鏈的一個重要安全來源是委員會，它們負(fù)責(zé)對構(gòu)成區(qū)塊鏈真實歷史的區(qū)塊進(jìn)行投票。而 Beacon鏈就依賴于計算來自其委員會的投票，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，則該委員會的成員，都可以成為系統(tǒng)中的有效驗證者。

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

獎勵和懲罰

Beacon鏈的另一個管理角色，是跟蹤和更新驗證者的存款。

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

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

交聯(lián)(Crosslinks)

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

周期性地，每個分片的當(dāng)前狀態(tài)(“組合數(shù)據(jù)根”)會被記錄到Beacon鏈當(dāng)中，并作為交聯(lián)。當(dāng)Beacon鏈區(qū)塊完成時，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。

在這里插入圖片描述

可視化的Beacon鏈(藍(lán)色部分)，它有8個分片鏈(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，時間從左到右增加。

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的第一個組成部分，它是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)。整個壯觀的以太坊2.0建筑都將以此為基礎(chǔ)。所以，它必須是堅實的。

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。

在這里插入圖片描述

(在開發(fā) Beacon鏈的團(tuán)隊)為了運(yùn)行Beacon鏈，你就需要用到一個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)隊正在向貢獻(xiàn)者提供獎勵。

關(guān)于進(jìn)度…… 在撰寫本文時，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)計會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!