Ethereum Casper 为什么需要 EIP-7251

2024-06-09

#以太坊
#BFT

Casper the Friendly Finality Gadget 是以太坊现在使用的共识机制，属于 PoS 的一种实现。这种关系类似于同样是 PoW 挖矿，Bitcoin 使用 sha256 而 Dogecoin 使用 scrypt。其他的 PoS 实现还有比如 Cardano 的 Ouroboros。

EIP-7251 的主张是增加单个验证者的质押额度上限，原先是 32 ETH，希望改为 2048 ETH，这样可以有效减少验证者的数量，同时有效 P2P 网络的通信量。

这项改动有点迫在眉睫，因为以太坊在测试环境中模拟了大量质押者的情况，测试结果显示，当质押者数量达到 2.1 M，网络的投票率会不到 50%，已经不能正常进入 Final 状态，意味着检查点机制失效，整个网络处于非常不安全的状态。而以太坊现在的验证者数量已经达到了 1.4M。如果不及时做出改变，以太坊网络将在不久的将来奔溃。

那为什么以太坊会面临这样的困境？PoS 不是公链专属的共识机制，能够适用于大规模网络的吗？

究其原因，Ehtereum Casper 其实是对 BFT 的改进，而不是对 PoS 的改进。

先来看看 Vitalik 是怎么描述 Ethereum Casper 的，他把 Ehtereum Casper 相对于 BFT 的改进视为重中之重：

再来看一下 Ehtereum Casper 的具体流程：节点质押资产成为验证者，然后通过 VRF 来随机选择一个节点出块，出块后所有验证者都对块的有效性进行一次投票。这些投票会先投递给委员会的成员，委员会成员聚合投票结果之后，再在委员会成员之间同步。委员会成员是每隔一段时间随机选举出来的。

对于了解 BFT 但是不了解 Ethereum Casper 的人，在接触到以太坊网络后，当知道只有收到 2/3 投票的块才有资格被标记为 Final 状态时，会不会对 2/3 这个数字有点敏感？因为 2/3 是 BFT 一直在强调的投票比例，以保证 3f+1 的容错能力。

BFT 的投票机制保障了网络绝对不存在分叉，以太坊引入了 BFT 的这个优点，使得 Ethereum Casper 处理分叉场景相对容易，只需要判断哪个区块的得票率最高，就可以认定主流块了。如果验证者同时对两个块投票，验证者会为此受到惩罚，这也是以太坊在众多 PoS 链中唯一一个有 Slash 机制的原因。同时结合 checkpoint 机制，以太坊就可以面对非常复杂的分叉情况，整个网络分叉成树都能从中找出主链。

问题在于，Ethereum Casper 在引入 BFT 优点的同时也引入了 BFT 的缺点，那就是通信量过大。BFT 的通信量是 O(n²) 级别的，一般只能承受 100 个以下的节点规模，例如这篇报告就给出了具体的数值。

可以大致计算对比一下 BFT 和 Ethereum Casper 的消息量。

BFT 在 100 个节点的时候大概是 50 tps 的能力，消息膨胀量 O(n²)，那么消息数量是：

n = (100^2) * 50)
  = 500000
  = 0.5 M/s

Ethereum Casper 在 2M 验证者的时候大概 50% 的投票率，以太坊的块时间是 12 秒，一共 64 个委员会，消息膨胀量 O(n)，那么消息数量为：

n = 2M * 0.5 / 12 * 64
  = 1000000 / 12 * 64
  = 5 M/s

这样计算比较草率和粗略，结果数字上差了一个数量级，但是考虑到两种共识机制具体实现上有很大差异，包括测试的硬件环境差异，有出入很正常，总体上差不太多。

所以由于以太坊集成了 BFT 的投票机制，导致以太坊网络需要大量的通信量。或者说，Ehtereum Casper 改进了 BFT 并且把 Stake 机制加入其中，使得 BFT 更进一步能够支撑起十万规模的节点数量。

同时，有没有注意到，Ethereum Casper 的消息膨胀量仅仅只是 O(n)，为什么呢，因为 Ethereum Caspe 不需要进行第二次投票，一次就够了。

另外，委员会机制有点像联盟链的分层共识。有些国内公司需要在没有 token 概念的前提下，对区块链技术进行改进，但是 BFT 算法最多只能撑起几十个节点的规模，于是有了基于 BFT 的分层共识，基本思路是，从所有节点中选出一部分节点作为提案节点，然后提案节点来进行出块和投票，其他节点只接收数据，并且每隔一段时间换一次共识组（提案节点）。

对于联盟链，VRF + BFT + 分层共识已经是比较完善的技术组合了。

与之相比，以太坊多出来的是 Stake 机制，联盟链中每一个节点都是验证者，都有机会出块，而以太坊想成为验证者，需要事先质押一定量的 token 才行。后面的委员会机制相比分层共识，也有一些改进，委员会机制保留了每一个验证者的投票权，只是选出一些代表来归集投票结果。而分层共识直接剥夺了多数节点的出块权，只有少数节点负责出块。

所以以太坊的共识能简单理解为 Stake + VRF + BFT + 委员会机制。