What's New in Ethereum Serenity (2.0)

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Ethereum 2.0已經正式改名為Ethereum Serenity

原本預計在今年(2018)上線的Hybrid POS(Casper FFG)跟sharding，因為遇到一些技術上的困難，所以把Hybrid POS改成單純POS，然後因為sharding跟POS有部份技術是重疊的，所以把POS跟sharding併在一起做（本來是分成兩個team作開發）

Beacon Chain

在Ethereum Serenity的規劃中，在原本的POW chain之外多一個鏈叫做Beacon chain，是一個POS chain。在Beacon chain中有兩種角色proposer跟attester，proposer就是產塊的人，attester是驗證的人。而在POW chain上存入32 ETH，可以成為Beacon chain上的validator，而validator有權利產塊(proposer)，也會有機會被選attester。此外，延續了Casper FFG finality這個概念，也就是在finality之後的狀態就是正確的狀態（不可回復），不像POW一般需要6個塊的時間才能確認交易是不會被更改的（POW的狀態確認是機率，六個塊之後有"很高的機率"是無法被改變的，而finality就像是0跟1一樣，沒有中間）。

聽到這，好像覺得很簡單，但是在實作上會遇到幾個問題，首先，怎麼決定誰是proposer誰是attester，如果亂數的隨機性不夠，就很容易被遭到操控。接下來是，每次驗證都需要做一次簽名，因為32個ETH就可以當validator/attester，每次驗證可能會有10~20幾萬的簽章（簽章數量的預估方法），驗完簽章天都黑了 ＸＤ。

ＲＮＧ

針對亂數產生（RNG, Random Number Generator），使用RANDAO跟VDF，RANDAO是個利用經濟獎勵的機制來產生亂數，原始的設計是在smart contract上，而在Beacin chain會直接實作這個邏輯。而VDF是一個delay function，因為速度的關係，基金會打算自己開發ASIC晶片。關於這RNG之後會再寫一篇詳細解釋。

Signature Aggregation 

驗證簽章，到了今年五月中才有了最終的解法，採用了BLS signature aggregation（BLS128-381），把所有的簽章累加起來合成一個再作驗證，細節可以參考這篇。

Fork Choice Rule

在POW上根據算力決定最長的鏈，而POS會需要另一套規則來決定大家要跟從的鏈，而這就是fork choice rule。之前的文章有介紹了兩種fork choice rule（GHOST跟IMD），不過都不是最終採用的，Serenity最終的finality rule是採用LMD GHOST(Latest Message Driven GHOST)，LMD跟IMD最大的差別是，若有一個validator對多個fork都有簽章，LMD的計分方式是只用最新（Latest）block上的簽章，而不是全部都算分(IMD)，這也是不久前才決定的。（LMD的細節）

以上簡單介紹了幾個遇到的問題，接下來繼續解釋還有哪些改變

首先，先作名詞解釋，在Beacon chain中使用slot取代block height（目前每6秒一個slot/每6秒產生一個塊），然後加入了epoch，每個epoch是64個slot。根據EIP 1011 epoch是check points之間的時間，也就是多久有一個finality。而Eth 2.0 規格是這樣敘述的 "Epoch - an aligned span of slots during which all validators get exactly one chance to make an attestation."。所以大約每6.4分鐘（6秒 x 64 slot）有一個check point。

Shard Chain

shard chain跟Ehtereum 1.0 POW chain類似（共識機制不同），所有帳戶的資料跟transaction紀錄都在shard chain中，目前規格有1024個shard chain，可以想像是現在的鏈變成1024條，所以交易量將會是之前的1024倍。然而每個shard chain都是獨立的鏈，在跨鏈交易上會是比較大的問題，需要等你所在的鏈已經確定交易了，然後拿著交易明細到另一個鏈進行交易，所以將會非常花時間（6分鐘），而在兩週前Vitalik提出了可以快速跨鏈轉帳的方法，有機會解決跨鏈轉帳的問題。

簡單小結一下，Beacon chain主要是在管理POS的運行，validators的進出或是處罰，隨機挑選proposers/attesters，隨機分配validators給各個shard chain等。而shard chain是真正處理資料的鏈。所以在Serenity的設計中，已經把資料層給抽離出來，獨立運作。Beacon chain跟Polkdot的Relay Chain或是Cosmos的Cosmos Hub是相同的概念，主要是作跨鏈的交易的公正。

Serenity目前的規劃如下圖，除了Beacon chain跟shard chains，原本POW chain也會並存



Roadmap

Ethereum Serenity會分成4個階段，目前GitHub上有前兩階段的規格
  • phase 0：Beacon chain 上線
  • phase 1：shard chains上線
  • phase 2：state machine(EVM2.0)
  • phase 3：其餘的enhancement
phase 0因為只有Beacon chain，所以phase 0就單純只在Beacon chain上對原本的POW chain作finality而已。到phase 1，才會慢慢從原本的POW chain移到shard chain上，至於POW chain 的去留，目前還沒有定論（畢竟東西先出來比較重要），可能提高gas price或是減少gas limit等方式讓原本的鏈無法使用。至於時程的部分，根據Justin Drake的預估Beacon chain會在2019年底，而shard chain會在2020年初完成，這影片是Justin接受訪談，關於Serenity的細節跟之後的roadmap。

Miscellaneous

  • 如何進入Beacon/shard chain
    在原本的POW chain上有個deposit contract，存錢進去就可以，目前每筆只能存入1~32個。存入32個可以作validator，不過在phase 0只有Beacon chain，所以若少於32 ETH 就會被鎖在Beacon chain，等到shard chain上線了。
  • 為什麼validator的門檻是32 ETH
    Vitalik在這裏有解釋。簡單來說，希望多一點人參與共識而不是像現在被大礦池所壟斷，所以會希望門檻低一點。Casper FFG一開始門檻在1500ETH，主要因為驗證簽章數量的問題，若再低的門檻會造成每秒需要處理的簽章數過多，因為BLS的出現，提高了每秒可以處理簽章的數量，所以可以有較低的門檻。
  • EVM 2.0
    EVM2.0 不算是Serenity的項目之一，是一直有在進行的專案，但是是Serenity重要的升級之一。而EVM 2.0選用eWASM（Ethereum flavored WebAssembly），期望有更快速、更安全及可攜性。WASM是越來越多人使用的一個標準，越多人一起開發跟debug，代表著安全性會是更好的。而WASM設計理念之一就是速度，所以基於WASM的EVM執行速度將會更快。WASM是web assembly，代表以後smart contract能不只跑在Ethereum而已（不過我相信實際上應該沒這麼美好）。更多細節可以參考eWASM的設計


Eth 2.0相關資訊

目前在開發Ethereum Serenity client的有

感謝 Chih-Cheng Liang(Ethereum Foundation Researcher)幫忙校正

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