詳解以太坊PoS共識Gasper：現在的以太坊是如何運行的

眾所周知，PoS 以太坊的共識協議是「Gasper」，它是在 LMD-GHOST（分叉選擇規則）之上應用 Casper FFG（最終性確定工具）構建的。所以要想搞清楚完整的以太坊共識協議，就必須了解這兩個部分（Casper + Ghost）。此外，這些設計真的很有趣。我打算梳理一下這兩個協議的背景和演進，以及它們簡單的工作流程。

PoS 共識算法的三大流派如下：

1.Nakamoto-inspired（Peercoin）

2.PBFT-inspired（Tendermint、Casper FFG）

3.CBC Casper

Nakamoto-inspired PoS 是一種基於鏈的算法，模擬在 PoW 中挖礦。它通過偽隨機選擇驗證者來創建新區塊。其在 2012 年的「Peercoin」論文中首次提出，peercoin 是基於權益證明共識的第一個加密貨幣。

PBFT-inspired（即 BFT-style）PoS 基於多年對拜占庭容錯（尤其是 pBFT）的研究。在 2014 年的「Tendermint」論文中首次提出。一般來說，這些算法會選擇一個代表賬本規範交易的唯一鏈。

Casper 直接繼承了 BFT 算法（更精確的是 pBFT），做了一些修改。CBC Casper 是由 @VladZamfir 提出的，有一些很好的資料可以更充分地解釋它。

V 神的 CBC Casper 教程

VladZamfir 寫的 CBC Casper 歷史

CBC Casper 介紹影音

雖然以太坊最終選擇了 Casper FFG 而不是 CBC Casper，但對 CBC Casper 的研究也很有價值，比如滿足以太坊需求的分叉選擇規則「LMD-GHOST」。Casper FFG 由 V 神和 Virgil Griffith在 2017 年提出，引入了 justification 和 finalization 的概念，並引入了 slashing conditions 和動態驗證者機制，這些都是非常重要的特性。

Casper FFG 用於保證「最終性」（也就是安全性），這在 PoW 中是不存在的。簡單來說，每個驗證者都會對檢查點進行投票，經過兩輪投票後，檢查點將被「最終確定」（第一輪為驗證，第二輪為最終確定）。

所有最終確定的檢查點都成為規範鏈（區塊鏈歷史的一部分），所有忠誠節點都同意他們永遠不會逆轉這條鏈。「最終檢查點」之後的區塊可以隨意分叉，但之前的區塊不允許分叉。

Casper FFG 除了通過「最終性」來保證區塊鏈安全外，還引入了 slashing 條件來懲罰所有違反規則的驗證者（這在傳統 BFT 算法中是做不到的），所有違反規則的驗證者都將被跟蹤和懲罰。

除此之外，Casper FFG 是無需許可的（傳統的 BFT 算法是需要許可認證的），pBFT 通過一個列表來維護共識，只有列表中的人才能成為參與者。Casper FFG 構建了動態驗證者機制，所有驗證者可以自由進出。Casper FFG 用於保證「最終性」和「安全性」，負責確認區塊的最終狀態，但不負責創建新區塊，所以它需要底層區塊鏈和分叉選擇規則。

以太坊使用的分叉選擇規則是基於 GHOST，該規則最早在2013 年的一篇論文中提出。2017 年，@VladZamfir 在 CBC Casper 工作時，他嘗試將 GHOST 與 Casper 結合，產生了一個變種「LMD-GHOST」。

區塊鏈允許分叉，當出現不同的分支時，應該選擇哪條鏈繼續添加後續新區塊，需要分叉選擇規則。PoW 使用的是最長鏈規則。思路是鍛造最長的鏈需要最多的算力，所以這條鏈是最可信的。所以當所有礦工添加新區塊時，他們會默認在最長的鏈上添加。

GHOST 的思路與此類似，其選擇票數最多的鏈而不是高度最長的鏈，LMD-GHOST 做了一些修改，只考慮最近的投票（即所謂的「Least Message Driven」，LMD）。

LMD-GHOST 的規則很簡單：

- 從創世區塊開始；

- 每次有分叉，選擇票數多的分支；

- 重複，直至找到 block leaf；

- 返回鏈的頭部；

這是 Casper FFG 和 LMD-GHOST 的演變以及它們如何工作，它們共同保證「安全」+「活性」。LMD-GHOST 允許提議者隨時創建新區塊，新區塊將按照分叉選擇規則（即活躍度）添加到權重最大的鏈上。雖然 Casper FFG 將根據所有驗證者的投票（兩輪，超過 2/3，按存款）最終確定一個規範鏈。所有忠誠節點默認接受規範鏈，從而獲得安全。

共識真的很有意思，以太坊對 PoS 的研究始於 2014 年，2022 年完成了合併。這是一條漫長而曲折的道路，過程中誕生了許多奇妙的想法、設計和工程。

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