科普 | Eth2验证者的生命流程

PA荐读｜2020-05-24 9:35

以太坊 2.0 使用权益证明机制来保护网络

以太坊 2.0 使用权益证明机制来保护网络，也就是由许多叫做 “验证者” 的计算机线程来投票决定哪一个区块能够上链（即所谓的 “attesting”，作见证），当然也会自己提出备选区块。不过，验证者不是仅仅只有 “开” 和 “关” 两种状态：从成为验证者到退出验证者的整个生命周期中，其状态会经过多次转换。本文会深入研究验证者的生命周期，展示各阶段和转换过程的实质、如何触发转换，以及每种转换的历时 1。

先说明一下时间单位：

以太坊 2.0 中的时间通常是用 “epoch（时段）” 这种单位来度量的，1 个时段是 384 秒，也就是六分半钟。为便于理解，基于这一度量的时间我都转化成了以分钟、小时、天为单位，并在附录的脚注中提供详细信息。

验证者生命周期概述

在深入细节以前，我们先来看看验证者生命周期的概况、了解一下用于表述不同状态的术语。

- 图 1：验证者生命周期一览 -

各标签所示的阶段如下：

已存入保证金（Deposited）：保证金要约已被以太坊 1.0 区块链打包等待激活（Pending）：保证金要约被以太坊 2.0 网络接受活跃（Active）：验证者要见证区块及提议区块即将退出（Exiting）：验证者即将停止见证及提议区块被罚没（Slashing）：因为作弊被抓，验证者停止见证和提议区块完全退出（Exited）：验证者完全退出，不再参与任一流程

也可由此定义出一种基本状态：“正在见证（attesting）”，激活、主动退出及完全退出都在该状态中，处于该状态的验证者被指望去见证及提议区块。这个状态是最重要的，在此状态下，验证者需要连接以太坊 2.0 网络、同步数据，以履行责任，避免被惩罚。

- 图 2：“正在见证” 状态 -

定义完了这些阶段之后，我们就来详细考察它们之间的转换过程。

保证金存入阶段

保证金要约被接受是验证者生涯的开始；这个接受过程是在以太坊 1.0 链上发生的，因为验证者资金原本就放在以太坊 1.0 链上。但 1.0 链接受之时，2.0 链还不能感知到这笔存款。

验证者的保证金存入阶段大概要历时 7.5 个小时 2，以保证链重组影响到 Eth1 交易的顺序乃至保证金要约无效化的概率足够小。这个阶段完成后，验证者就进入等待激活阶段 3。

- 图 3：从保证金存入阶段转到等待激活阶段 -

等待激活阶段

保证金在 Eth1 链上存入足够久之后，它就会被 Eth2 链接受。这标志着验证者正式开始接受 Eth2 的组织。假设一位验证者存入了至少 32 ETH 4，那么 TA 就可以开始作见证了。

等待激活的验证者会组成一个队列：在一个时间点，Eth2 链上能激活和能退出的验证者数量都是一个比较小的数量（所以要排队）5，以保证验证者集合的稳定性。如果队列是空的，那么等待激活的验证者会在大约 25 分钟以后激活 6；如果队列很长，那可能要几天甚至几周才能激活。不过，排完队之后，验证者就可以直接激活、参与见证。

- 图 4：从等待激活到活跃阶段 -

活跃阶段

一般来说，一名验证者的绝大部分时间都处于这个阶段。活跃验证者大约每 6 分钟要发出一条见证消息，偶尔要自己提议区块 7。验证者会一直保持在活跃状态，除非出现下列三种情况：

该验证者因没有及时发出见证消息而遭受惩罚，最终其余额低于 16 ETH该验证者主动要求退出，方法是发送相应的一笔交易（在刚激活的 9 天内不能发出此种交易）该验证者被证明作恶

在前面两种情况中，验证者都会被加入退出队列（一段时间内能离开活跃状态的验证者数量也是有限的，就跟能进入的验证者数量受限一样，大概是每几分钟可以离开 1 个）。

- 图 5：从激活状态到即将离开 -

在第三种情况下，验证会被加入作恶者队列，接受惩罚。

- 图 6：从激活状态到被罚没状态 -

值得注意的是，如果有需要，验证者总是能够发送额外的保证金要约（包含相同的验证者信息）来 “充值” 余额（但是有效余额的上限是 32）。这样就能避免验证者余额低于 16 然后被放到退出队列里去。

即将退出阶段

虽然主动退出的验证者表达了停止验证的意愿（不论是自愿还是被迫的），但是，他们是不能立即退出的。相反，虽然处于即将退出状态，他们还是要照常承担职责，跟活跃状态时候一样要见证和提议区块。这样保证了网络的稳定性，避免了验证者立即退出会造成的冲击。

就像验证者想激活的时候有个等待激活状态和队列，想要退出的验证者也有一个队列，一段时间里仅允许少量验证者退出。同样地，主动退出阶段要花费的时间取决于排在前面的验证者有多少。

- 图 7：从正在退出到完全退出 -

被罚没状态

验证者违反协议后被抓，就要立即被罚没 1 ETH（从其余额中扣除），然后进入被罚没状态，这跟即将退出状态类似，但是还要遭受惩罚。这一点我们在下文的 “完全退出” 部分讨论。

- 图 8：从被罚没到完全退出 -

处于即将离开状态乃至已经完全退出的验证者，都有可能被罚没（验证者完全退出到可以取出资金以前有一段间隔，在此期间是可以被罚没的）。这样能防止作恶的验证者利用正常的退出机制、在作恶被发现以前逃之夭夭。结果就是状态模型变得更加复杂：

- 图 9：补充罚没条件之后 -

完全退出

转到完全退出状态之时，验证者就正式结束了自己的工作，不再需要见证和提议区块，也不再需要紧跟 Eth2 区块链的实时动态了。

转成完成退出状态之后，大概还有一天的延迟 8，之后才能取出验证者余额。不过，如果一个验证者是从被罚没状态中完全退出的，那还要接受两项额外的惩罚。

第一项，从完全退出到能够取款的间隔会长得多，要 36 天 9。第二项，在这 36 天期间，系统还会根据该验证者作恶被抓的时间点前后 18 天内被罚没的验证者数量对该验证者施加进一步的惩罚。那么该验证者的有效余额损失比例 10 将如下图所示：

- 图 10：被罚没的有效余额与同期被罚没的验证者比例的关系 -

36 天的周期走完，被罚没验证者剩下的余额就能拿走了。

从这个生命流程图中可以看出，没有额外的机制让一个完全退出的验证者重新激活。因此，一旦某个验证者退出，其资金就会一直休眠，等待验证者前来取走。不过，Eth2 Phase 0 时候，资金是不能转账的 —— 因此所有完全退出的验证者的资金都仍保存在质押系统中，直至开启转账功能。没有转账功能，是因为用户帐户模式还未引入。

补充后的验证者生命流程

把上面所有详细信息补充到流程图中，可以得到一个完整的图：