Guía de replanteo de Eth2: Consenso fragmentado

Sharding ("fragmentación") es una de las muchas actualizaciones que Eth2 tiene sobre Eth1. Este término proviene de la investigación de bases de datos, que consiste en dividir una gran base de datos en muchas partes, y un fragmento es una parte. Luego, en el contexto de Eth2 y las bases de datos, la fragmentación significa separar el almacenamiento y la computación de todo el sistema, procesar cada fragmento de forma independiente y luego componer el resultado final de acuerdo con las necesidades reales. Específicamente, el sistema Eth2 contiene muchas cadenas de fragmentos, y las capacidades de cada cadena de fragmentos son similares a las de la cadena de bloques Eth1, lo que puede mejorar en gran medida la escalabilidad.

Sin embargo, existe un tipo de sharding menos conocido en Eth2, y quizás incluso más emocionante desde la perspectiva del diseño de protocolo: el consenso fragmentado.

Así como la potencia de procesamiento del nodo más lento de la red limita el rendimiento de la red, los recursos informáticos de un solo validador también determinan el número total de validadores que pueden participar en el consenso. Debido a que cada nuevo validador crea trabajo adicional para todos los demás validadores en el sistema, a medida que aumenta la cantidad de validadores, eventualmente se llegará a un estado en el que el validador con la menor cantidad de recursos ya no podrá participar. posible realizar un seguimiento de todos los demás votos del validador). Entonces, la solución de Eth2 a este problema es el consenso fragmentado.

Hay dos unidades de tiempo básicas en el sistema Eth2, slot y epoch.

Un intervalo de tiempo es de 12 segundos, que es el tiempo que esperamos para producir un bloque; un bloque es en realidad un mecanismo para que los votos de los validadores se publiquen en la cadena, no solo incluye transacciones para que la cadena sea útil.

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Una época consta de 32 espacios (por lo tanto, 6,4 minutos), durante los cuales Beacon Chain realiza todos los cálculos relacionados con el mantenimiento de la cadena, incluidos: racionalizar y finalizar nuevos bloques, otorgar recompensas y penalizaciones a los validadores.

Como mencionamos en el primer artículo de esta serie, los validadores son asignados para trabajar en diferentes comités. Luego, en cualquier momento, hay verificadores que son miembros del comité de la cadena de balizas y miembros de un determinado comité de la cadena de fragmentos; cada verificador debe enviar un mensaje de testigo una vez en un período de tiempo: bloquear la votación.

El modelo de seguridad del consenso fragmentado de Eth2 se basa en la idea de que el comité es, hasta cierto punto, un representante estadístico preciso de todo el conjunto de validadores.

Por ejemplo, si el 33 % de los validadores de todo el conjunto de validadores son maliciosos, es posible que todos acaben en el mismo comité. Entonces se acabó.

Entonces, debemos asegurarnos de que ese no sea el caso. En otras palabras, lo que debemos garantizar es que si el 33% de los validadores son maliciosos, solo alrededor del 33% de los validadores en un comité son maliciosos.

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Necesitamos dos movimientos para lograr esto:

1. Garantizar que la asignación de validadores del comité sea aleatoria

2. Existe un requisito de límite inferior para la composición del comité.

Por ejemplo, si un único comité consta de 128 validadores seleccionados al azar, la probabilidad de que un atacante que controla 1/3 de los validadores de la red pueda controlar 2/3 de los validadores del único comité es muy, muy pequeña (Probabilidad inferior a 2^- 40).

Los votos presentados por los validadores se denominan "certificados". Los mensajes de atestación constan de varias partes:

1. Vota en el bloque superior de la cadena de balizas

2. Vote por bloques de baliza racionalizados/bloques de cadena de baliza deterministas

3. Vota sobre el último estado de la cadena de fragmentos

4. Firmas de todos los validadores que están de acuerdo con el voto

Al combinar tantas partes como sea posible en un solo mensaje de certificación, se mejora la eficiencia general del sistema porque, al verificar la firma del validador, ya no es necesario verificar los votos en el bloque de la cadena de balizas y la cadena de fragmentos por separado. Para la votación en bloque, los nodos solo necesitan realizar cálculos basados ​​en mensajes testigo para conocer el estado del bloque de la cadena de balizas y el estado de cada cadena de fragmentos.

Si cada validador envía su propio mensaje de certificación y cada mensaje de certificación debe ser verificado por separado por todos los demás nodos, la sobrecarga de los nodos Eth2 puede volverse muy grande. Por eso necesitamos "técnicas de agregación".

Los mensajes de certificación están diseñados para que se puedan redactar fácilmente, por lo que si dos o más validadores votaron lo mismo, todos pueden agregarse en un mensaje de certificación, simplemente juntando los campos de la firma. Eso es todo. Eso es "agregado" y lo que significa.

Los votos del comité también son fundamentalmente fáciles de agregar, ya que todos estos validadores están asignados al mismo fragmento, por lo que es probable que los votos para el estado del fragmento y los votos para los bloques de la cadena de balizas sean los mismos. Así es como Eth2 escala el rendimiento a medida que aumenta el número de validadores. Al dispersar a los verificadores en comités, los verificadores solo necesitan preocuparse por los miembros de sus propios comités y solo necesitan verificar muy pocos mensajes de atestación agregados de otros comités.

Agregación de firmas

Eth2 utiliza el esquema de firma BLS, un esquema definido en múltiples curvas elípticas que es compatible con la agregación de firmas. En la curva elegida por el esquema, el tamaño de una sola firma es de 96 bytes.

Si se apuesta el 10% del ETH total, Eth2 tendrá alrededor de 350,000 validadores. Esto significa que el tamaño de los datos de firma generados por una sola época puede alcanzar los 33,6 MB, por lo que un día son 7,6 GB. Luego, en solo 133 días, los datos de la firma superan 1 TB.

La solución es que las firmas BLS se pueden agregar. Si Alice envía la firma A y Bob envía la firma B con los mismos datos, las firmas de Alice y Bob se pueden verificar simplemente almacenando C = A+B. Usando la tecnología de agregación de firmas, los validadores de todo el comité se pueden agregar en una sola firma. Esto reduce los requisitos de almacenamiento para datos firmados a 2 MB por día.

El diseño de asignar validadores a diferentes comités reduce la cantidad de trabajo requerido para validar Eth2 en órdenes de magnitud.

Para un nodo que quiere verificar la cadena de balizas y todas las cadenas de fragmentos, todo lo que tiene que hacer es monitorear los mensajes testigo agregados de cada comité, y solo necesita conocer el estado de cada cadena de fragmentos y la opinión de cada validador sobre qué bloques. pertenecen/no pertenecen a la cadena principal Beacon Chain.

Por lo tanto, el mecanismo del comité ayuda a Eth2 a lograr dos objetivos de diseño: solo necesita una computadora portátil de nivel de consumidor para participar en la red Eth2 y admite tantos validadores como sea posible para lograr la mayor descentralización posible.

Póngalo en números: la mayoría de los protocolos de prueba de participación tolerantes a fallas bizantinos solo pueden admitir docenas de validadores (y en algunos casos cientos de validadores), pero Eth2 puede admitir cientos de miles de validadores al mismo tiempo sin sacrificar la ejecución. latencia y rendimiento.

Un agradecimiento especial a Sacha Yves-Leger y Joseph Schweitzer por sus correcciones.

Por Carl Beekhuizen

Traducción: A Jian

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