科普 | 以太坊 2.0 信标链中的状态转换

围绕着构建以太坊 2.0 信标链为目的，有很多行动正在开展着，其中就包括我正在做的 .NET 客户端—— Nethermind 。

信标链由区块和不断递进的状态组成；区块被产出、签名、传遍网络，然后用于更新状态。下图展示了主要的相互关系：

此图基于以太坊 2.0 详述的 0.10.1 版所绘。与刚发布的 0.11.0 版本相比，上图描述的内容在计算 Domain 的部分有些微区别，但整体关系与前一版本一致。

创建一个新的区块

创建区块，要从当前的区块链顶部开始。

如果当前存在一条短的分叉链（例如，某个时隙因为其中的区块传播速度太慢而被跳过，导致不同验证者获得的最新区块有所区别），则由分叉选择算法，帮你选出 “最合适”（获得的验证者见证消息权重越大则越 “合适”）的区块链头。

此外，即使某些 slot 被跳过（没有产生区块），状态仍会推进（但不执行任何操作）。

BeaconBlockBody （“信标链区块区块体”）会包含所有需要被执行的操作（保证金存入、见证消息、验证者退出，等等）。这些操作会被用于改变状态、生成新的 BeaconState（“信标链状态”）。

时隙、父区块根、操作的根哈希（body root，区块体根）会作为 BeaconBlockHeader（“信标链区块区块头”）的组成元素被添加进状态。要注意的是，BeaconBlockHeader 组成元素之一的状态根是零（0x000…），因为状态不能递归包含自己的哈希，否则会出现死循环。

最终状态（带有上述 0x000… 值的状态）的根哈希被算出并加入区块，然后区块哈希得到 Block root（“区块根”）并跟链的 Domain 放在一起，经过签名后在网络中传播。Domain 的意义是防止区块被传播到其他主网或测试网上发生碰撞（collision）。

应用状态转换

节点收到 SignedBeaconBlock （“经过签名的信标链区块”）后，要执行一些验证，包含：确认签名的有效性，及是否有对应父区块的状态（父区块由 parent root “父区块根” 指出）。

通过将状态时隙推进到区块所在时隙（可以是被跳过的时隙），然后执行 BeaconBlockBody 所包含的操作（比如保证金存入、见证消息、验证者退出等等），我们便可以更新状态。

要注意的是，出现被跳过的时隙时，也会产生新的内部状态，并推进当前状态至下一个时隙，区别只是不会有其他附带的执行动作。

结果状态应该与区块生产者得到的状态相同，因此我们能通过计算新的 BeaconState（包含 0x000...）的哈希值，与收到的区块所记载的状态根进行校验。

BeaconBlockHeader

信标链状态包含了四个区块基础组成信息中的三种 —— 时隙、父区块根哈希，和 BeaconBlockBody （即要执行的操作）的根哈希。

在计算内部状态时，最新的区块时隙要和最新的状态时隙要有所区别，因为如果出现被跳过的时隙，会使得最新的区块时隙和状态时隙不一致。比如，如果时隙 7 被跳过，则我们仍会以时隙 6 作为最新区块，父区块根和区块体根哈希都仍将指向时隙 6 的区块。

这几个元素作为一个集群，使用和 BeaconBlockHeader 相同的结构，不过使用的区块根状态永远为零（0x000...），因为状态不能递归包含自己的哈希；在图中表示为 “BeaconBlockHeader”。

这么做的好处是，我们可以轻易的计算出区块根的状态——通过计算状态的根哈希，然后创建区块头的副本并插入正确的根状态，最后计算整个区块头的哈希（这个值会与收到的区块的哈希值相同）。

链接的区块能增加信任

区块链的重要特征就是，它以系统性信任（经由算法达成的处理器多数）取代了原来个体间的信任（交易对手或第三方）。

系统性信任又可以通过以下几个特征描述：

• 大量处理器（例如，公有链）—— 这些处理器去中心化程度越高，可信程度也越高。
• 客户端多样性（例如，开发团队）—— 如果有多种客户端供使用者选择，就越能避免算法被集中掌控。
• 开源 —— 既可以让公众检查算法，又可以进行分叉（如果大多数人都希望改变系统方向）。

将区块链接在一起也可以增强系统信任 —— 因为越早产出的区块，它具有的权重就越大。在一般的 分布式账本/分布式数据库 中，因为不需要系统性信任，所以不需要这种链接。

仅对最新区块发动 51％ 攻击也许会成功，但是如果你想改动 100 个时隙之前的一个区块，则攻击者必须在这 100 个时隙都拥有控制着绝对多数的处理器（因此非常困难）。

对于短程的分叉攻击，整个网络可能会对 “哪条链才是主链” 产生疑惑 —— 例如，两个竞争的区块以不同的速度在网络中传播。

但好消息是，由于区块被链接在一起，因此真正的主链会更快被确认，而其他分叉链都不再有机会反客为主。

如此一来，安全性可以得到保证，系统也可从容允许验证者撤出自己的资金，不必担心 “无利害关系（nothing at stake）” 攻击。

原文链接: https://sgryphon.wordpress.com/2020/03/17/eth-2-0-state-transition/

作者:Sly Gryphon

翻译&校对:IAN LIU & 阿剑