一文了解以太坊2.0可執行信標鏈提案

11月27日，以太坊開發者Mikhail Kalinin提出了一種名為「可執行信標鏈」的Eth1-Eth2過渡提案，據悉，該提案的最初想法來自以太坊聯合創始人Vitalik Buterin，其旨在將eth1數據（交易、狀態根等）嵌入到信標區塊中，並強制信標鏈提議者生成可執行的eth1數據來消除複雜性。

以下是該提案的具體內容：

特別感謝Vitalik Buterin的創意，@djrtwo、 @zilm以及其他人的評論和有用的貢獻。

最近提出的以rollup為中心的路線圖，提出數據分片作為以太坊2.0中執行的主要擴容因子，允許在單個執行分片上進行擴展，並簡化了總體設計。

Eth1 分片設計假設通過信標鏈與數據分片進行通信。如果具有多個執行分片的第二階段（Phase 2）在以後推出，那麼這種方法將是有意義的。由於當前主要集中在以rollup為中心的路線圖上，將以太坊1.0放在一個專用的分片上（也就是說，獨立於信標鏈）給共識層帶來了不必要的複雜性，並增加了在分片上發布數據以及在Eth1 中訪問它們之間的延遲。

我們建議通過將eth1數據（交易、狀態根等）嵌入到信標區塊中，並強制信標鏈提議者生成可執行的eth1數據來消除這種複雜性。這會把eth1執行和有效性作為共識的一等公民。

提案概述

1. Eth1引擎由系統中的每個驗證者負責維護。
2. 當驗證者打算提出一個信標區塊時，它會要求eth1引擎創建eth1數據。然後，Eth1數據會被嵌入正在生成的信標區塊體當中。
3. 如果eth1數據無效，它也會使得承載它的信標區塊失效。

Eth1引擎修改

 根據之前的方案，Eth1分片中樞、Eth1引擎以及eth2客戶端是鬆散結合併通過RPC協議進行通信的（請檢查Eth1+eth2客戶端關係以了解更多詳細信息）。Eth1引擎繼續維護交易池和需要自己網路堆棧的狀態下載器，它還應該保存eth1區塊的存儲。

當前的提案刪除了eht1區塊的概念，eth1引擎有兩種潛在的方法來處理這種變化：

1. 由信標區塊攜帶的eth1數據合成生成eth1區塊；
2. 修改引擎，使交易處理不需要eth1區塊，而是使用eth1數據；

前者看起來比後者要更容易實現，它允許更快地將eth1客戶端轉換為eth1引擎，並且已經被eth1分片poc證明。我們使用術語「可執行數據」來表示包括eth1狀態根、交易列表（包括收據根和bloom過濾器）、coinbase、時間戳、區塊哈希以及eth1狀態轉換功能所需的所有其他數據位的數據。在eth2規範中，它可能如下所示：

class ExecutableData(Container): coinbase: bytes20 # Eth1 address that collects txs fees state_root: bytes32 gas_limit: uint64 gas_used: uint64 transactions: [Transaction, MAX_TRANSACTIONS] receipts_root: bytes32 logs_bloom: ByteList[LOGS_BLOOM_SIZE] eth1引擎的職責列表與我們以前對eth1分片的職責類似。主要的觀察項有：

1. 交易執行，eth2客戶端向eth1引擎發送可執行數據。eth1引擎通過處理數據更新其內部內部狀態，如果共識檢查通過，則返回true，否則返回false。高級用例，比如即時存款處理，也可能需要結果中的完整交易憑證。
2. 交易池維護，Eth1引擎使用ETH網路協議來廣播和跟蹤網路中的交易。等待中的交易保存在mempool中，用於創建新的可執行數據。
3. 可執行數據創建，Eth2客戶端發送先前的區塊哈希以及eth1狀態根、coinbase、時間戳以及創建可執行數據所需的所有其他信息（交易列表除外）。Eth1引擎返回ExcecutableData的實例。
4. 狀態管理，Eth1引擎維護狀態存儲以能夠運行Eth1狀態執行函數。4、1 它涉及到最終觸發的狀態trie修剪機制，需要基於信標區塊鏈的狀態trie版本控制；注意：長時間沒有最終結果，會導致存儲中出現大量垃圾，因此會消耗額外的磁碟空間。 4、2 當無狀態執行和「區塊創建」就緒時，eth1引擎可選擇作為純狀態轉換功能運行，它可以禁用狀態存儲，從而減少對磁碟空間的需求。
5. JSON-RPC支持，為了便於使用及採用，保留對以太坊JSON-RPC的支持非常重要。這一責任將由eth2客戶端和eth1引擎分擔，因為eth1引擎可能會失去獨立處理JSON-RPC端點子集的能力，例如基於區塊號和哈希的調用。這種分離將在以後解決。

信標區塊處理

 ExecutableData結構替換信標區塊體中的Eth1Data，此外，信標鏈和eth1的同步處理可實現即時存入，因此，可以從信標區塊主體移除deposit。

更新的信標區塊體（block body）：

class ExecutableBeaconBlockBody(Container): randao_reveal: BLSSignature executable_data: ExecutableData # Eth1 executable data graffiti: Bytes32 # Arbitrary data # Operations proposer_slashings: List[ProposerSlashing, MAX_PROPOSER_SLASHINGS] attester_slashings: List[AttesterSlashing, MAX_ATTESTER_SLASHINGS] attestations: List[Attestation, MAX_ATTESTATIONS] voluntary_exits: List[SignedVoluntaryExit, MAX_VOLUNTARY_EXITS] 我們按照以下方式修改process_block函數： def process_block(state: BeaconState, block: BeaconBlock) -> None: process_block_header(state, block) process_randao(state, block.body) # process_eth1_data(state, block.body) used to be here process_operations(state, block.body) process_executable_data(state, block.body) 在process_operations完成後處理可執行數據是合理的，因為在許多地方，操作處理可能會使整個區塊失效。不過，這種方法可能是次優的，這為客戶端優化留下了空間。 

在EVM中訪問信標狀態

 我們更改用於返回eth1區塊哈希的BLOCKHASH操作碼的語義。現在，它返回的是信標區塊根，這允許檢查從256個slot開始直到前一個slot的信標狀態或區塊中包含的那些數據的證明。

非同步狀態讀取有一個主要缺點。 客戶端必須要等待一個區塊，才能創建帶有鏈接到該區塊的證明或它產生的狀態根的交易。 簡而言之，非同步狀態訪問至少要延遲一個slot的時間。

直接狀態訪問

 假設eth1引擎可以訪問表示整個信標狀態的merkle樹。然後，可以使用操作碼READBEACONSTATEDATA(gindex) 來提供EVM功能，以提供對任何信標狀態的直接訪問。此操作碼具有幾個不錯的屬性。首先，這種讀取的複雜性取決於gindex值，並且易於計算，因此可以輕鬆推斷出gas價格。其次，返回數據的大小為32位元組，這完全適合EVM。

有了這個操作碼，人們可以創建一個更高級別的信標狀態訪問器庫，從而為智能合約提供便捷的API。例如：

v = create_validator_accessor(index) # creates an accessor v.get_balance() # returns balance of the validator v.is_slashed() # returns the value of slashed flag 該模型消除了狀態訪問延遲。因此，通過對信標鏈操作和eth1執行適當的排序，可以在slot N中訪問到slot N-1 分片數據的交聯（crosslink），從而允許rollup以最快的方式證明數據包含在內。而且，這種方法還降低了信標狀態讀取的數據及計算複雜性。

注意：可能值得一開始就使READBEACONSTATEDATA操作碼的語義獨立於特定的承諾方案（即merkle樹），以便於輕鬆升級。

直接訪問的成本增加了eth1引擎的複雜性。讀取信標狀態的能力可以通過不同的方式實現：

1. 傳遞狀態以及可執行數據。這種方法的主要問題在於處理大的狀態副本，如果將直接訪問限制為狀態數據的一個子集，而該狀態數據的子集需要將一小部分狀態傳遞給執行，那麼它可能會起作用。
2. 雙工通信信道，有了一個雙工通道，eth1引擎將能夠向信標節點請求EVM同步請求的狀態片段。將能夠同步向信標節點詢問EVM請求的狀態。 根據通道的設置方式，延遲可能會成為執行具有信標狀態讀取的交易的瓶頸。
3. 嵌入式eth1引擎，如果eth1引擎被嵌入到信標節點中（例如，作為一個共享庫），它可以通過該節點提供的主機功能從同一內存空間讀取狀態。

分析

 1、網路帶寬目前的提案通過可執行數據的大小來擴大信標區塊。不過，由於該提案允許使用高級存入方案，因此有可能刪除Deposit操作。根據區塊利用率，以及平均eth1區塊大小，預期的增長在10％到20％之間，這對網路介面要求的影響很小。

值得注意的是，如果rollup使用CALLDATA，那麼eth1區塊的大小在最壞的情況下可能會增長到200kb（gas限制為1200萬），從而使可執行信標區塊大小在300kb左右，增加了60%。

2、區塊處理時間平均處理時間如下：

1. 信標區塊 12 ms
2. Epoch 64 ms
3. 以太坊主網區塊 200 ms

很難推斷出信標鏈的處理時間，尤其是在驗證器集和交聯（crosslink ）處理相對較大的情況下（因為分片已推出）。也許在某個時候，epoch處理將與eth1執行幾乎同時進行。減少epoch邊界處處理時間的潛在方法，是在epoch的最後一個區塊及時到達的情況下，不必等待下一個slot的開始而提前處理epoch。非同步狀態訪問模型允許進行另一種優化。在這種情況下，process_executable_data可以與主process_block甚至process_epoch有效負載並行運行。

改善這項設計

 有人可能會說，當前的提案會把執行模型設置為一成不變的，並降低了在需要時引入更多可執行分片的能力。

另一方面，一些可執行分片引入了諸如跨分片通信、共享帳戶空間等問題，而這些問題與執行模型的預期轉變同樣重要且難以解決。

對於該提案，Vitalik Buterin評論稱：

「幹得好！我確實擔心eth1執行和信標鏈之間的同步交互。原因是使用同步交互雖然更簡單，但會永久性地規定了驗證eth2區塊需要運行相應的eth1執行的要求。例如，它排除了允許eth2節點成為eth1無狀態客戶端等替代方法，並且僅驗證eth1方是否是指定委員會的一部分。 因此，即使可執行數據直接在信標區塊中，我也會傾向於保持可執行數據與信標鏈邏輯之間的通信完全非同步。」