信标链(Beacon Chain)：以太坊2.0的核心

信标链（Beacon Chain），从字面来说 Beacon 是灯塔，就像是以太坊合并计划中的明灯，以工作量证明（PoW）机制过渡到权益证明（PoS）机制的方式来照亮整个以太坊网络。信标链扮演管理监督与验证区块链网络的角色。其中信标链是采用随机的方式来选择验证者，验证成功者将得到奖励，但若是存在恶意行为将会受到惩罚。

什么是信标链

信标链是 2020 年推出的原始权益证明区块链的名称，它的创立是为了在以太坊主网上运行权益证明共识逻辑之前确保该逻辑是可靠且可持续的，与原有的工作量证明以太坊一起运行。

信标链是一个由“空”区块组成的链，但在以太坊上停止工作量证明并启动权益证明，需要指示信标链接受来自执行客户端的交易数据，将它们打包到区块，再将区块组织到一条运行权益证明共识机制的区块链上。

与此同时，原有的以太坊客户端停止挖矿、区块传播及旧的共识逻辑，并将这一切转交给信标链。

这一事件称为合并，在合并发生后，就不再有两个区块链。相反，只有一个权益证明以太坊，现在每个节点需要两个不同的客户端。

信标链现在是共识层，一个处理区块消息和共识逻辑的共识客户端的点对点网络，而原始客户端形成执行层，负责传播消息和执行交易，以及管理以太坊的状态。这两层可以使用引擎应用程序接口相互通信。

为什么要创建信标链

信标链的诞生是为解决旧以太坊网络使用 PoW 机制造成的三个主要问题：可持续性、安全性和可扩展性。

可持续性

从比特币到以太坊，工作量证明（PoW）机制被广泛使用，而它依赖众多矿工们花费的时间与消耗设备的算力，来挖掘区块进而广播以保持网络的正确。

PoW 机制存在着其运算所需的电力耗损对环境带来无法复原的伤害的弊端，迫使以太坊舍弃 PoW 机制。

信标链采用 PoS 机制，且与以太坊主网合并，以太坊将以质押验证的 PoS 共识机制取代耗费电力的 PoW 机制，减少了约 99.95% 的能量消耗，显著降低碳排放。

安全性

采用 PoS 比 PoW 机制更安全，虽然 PoW 机制的 51% 攻击需要克服几乎不可能达成的算力难度， 但还是存在一定的风险，如果真的集结一半以上的矿工，后果不堪设想。

采用质押验证与惩罚机制的 PoS ，一旦出现恶意行为意图欺骗网络，则有可能造成质押的代币被全数没收的风险，此机制从源头遏止攻击行为。这有利于网络的去中心化并减少 51% 攻击的可能。

可扩展性

随着用户爆发式增长，以太坊网路已不堪重负，现在 TPS（每秒处理的交易笔数）只有 15 ，由此可见，目前以太坊面临的最大问题即是可扩展性不足。然而，随着 PoS 机制以及最终的测试网 Goerli 也依序合并到信标链，经过多次影子分叉和测试网的合并，目前距离以太坊正式从 PoW 转换到 PoS 仅剩一步之遥。

信标链的结构

信标链由分片链（Shard Chains）、验证者（validators）、见证（Attestations）、委员会（Committees）、检查点（Checkpoints）以及最终确定性（Finality）构成。

分片链

升级后的以太坊具有多个分片链，每个分片链都分别管理各自的交易，大幅提升了以太坊的交易处理能力。

信标链和分片链的结构图

验证者

有别于采用 PoW 的矿工， PoS 机制中用户需要质押 32 个以太币以获得成为验证者的资格，而成为验证者后验证者会被赋予两种身份，即提议者与见证者，提议者需要创建区块，见证者负责证明被创建的区块是否存在违规等恶意行为。

被系统选中的验证者会变成区块的提议者，将各个分片与信标链上的资料整合来建立新的区块。

见证

信标链与以太坊主网上的数据并没有相连，而仅储存验证者信息和见证信息。

见证信息是分片当下的状态，即验证者在验证比对后会对交易签名而后经过哈希运算变成一串代码再储存到信标链上。一旦有任何改变，验证者就会立即传送给信标链，以维持信标链与分片链的连接。

委员会

为了提高安全性，信标链组织了一个由 128 名验证者组成的委员会，在信标链和每一条分片链都会有一组委员会，负责监督其他验证者的行为，以避免攻击者控制一组委员中三分之二的验证者，其双重检查使信标链易于揭发恶意行为者。

其中委员会并非固定不变， 会随着区块进行变更。

信标链与名为“ RANDAO ” 的伪随机工程达成共识。在每时段（Epoch），挑选出所有时隙（Slot）的提议者，并将剩余的验证者随机分配到各个不同的委员会里。

检查点

检查点是指在每一个时段内的第一个时隙里被建立的区块，而一个区块可能是多个时段的检查点。

在发起一次LMD GHOST投票时，验证者要为最近一个 Epoch 的检查点投票，该检查点叫做 “目标检查点” （target）。

该投票叫做 Casper FFG 投票，而且还包括对前一个检查点的投票，叫做“来源检查点”（source）。

最终确定性

如果一个检查点在时段结束时，投票时得到超过三分之二以上的认可，则该检查点就会被确定。

信标链的作用

首先，信标链是权益证明（PoS）区块链，它可以让验证者可以参与质押系统、替代矿工的角色而成为链的构建者。也就是说信标链上管理着验证者的名单，以及分片验证者任务。

如何成为信标链的验证者

首先你需要向当前以太坊主链上的一个合约发送押金（ 32 个以太币），然后经过一系列的审核检查后会收到一张电子收据（以太坊智能合约中的事件），这个收据就相当于一张 vip 卡，有了这张卡，你就拥有了验证资格，成为了验证者。如果你很“活跃”，就可能被选中成为区块提议者。

成为验证者之后，信标链就会安排任务。

它会将你随机分配到一到两个分片中去做验证。在工作量证明机制下，也就是我们现在的以太坊主链上，矿工通过挖矿生成下一个区块，但是在权益证明机制下，不存在挖矿，下一个区块的产生是由验证者们选择出来的。

这个选择具有随机性，不是一个验证者所能掌控的，这也体现了去中心化的特点。

假如你不是很“活跃”，信标链将你分配到分片之后，你需要同该分片的其它验证者一起选择出新的区块。

然后该分片的区块提议者就会为这个分片收集交易，并且将这些交易纳入到刚刚验证者们选出的区块中去，虽然由于你不是区块的提意者，也就没有将交易纳入新区块的权力，但是作为验证者的你这个时候可以验证这个过程中区块提议者是否行为妥当。

如果你表现良好，做了身为验证者应该做的事就会得到奖励，相反，如果你违反规则就受到惩罚，惩罚就是从你抵押的 32 ETH 中扣除一部分，当抵押金低于 16 个以太币之后，信标链就会将你从验证者列表中移除。

如果有一天你不想当验证者了，抵押的以太币加上你得到的奖励以及减去你因惩罚而扣除的以太币将不会回到你之前的以太坊主链中，而是会被存进某一个分片链中。

存储见证

除了管理验证者之外，信标链还需要存储一些见证（Attestation）。

当前的以太坊区块链上存储了我们平时的那些资产转移等交易的数据信息，但是信标链不同于当前的以太坊主链，它存储的是一系列经过计算的字符串。

这个字符串的产生基于计算机中的一种哈希运算，就像你将豆子放进豆浆机处理之后，不能根据得到的豆浆去判断之前豆子的形状大小等特征。

假设你多加了一颗豆子，得到的豆浆就会发生很大的改变，你无法确定你这颗豆子是豆浆中的哪个微粒，这个豆浆机就像是哈希算法，不能通过哈希之后的结果去推导去哈希之前的样子，而且只要哈希之前的数据有一点改变，哈希之后的结果就会发生很大的变化。

在信标链中，验证者验证并签名交易，比如一笔转账交易，然后经过哈希变成一段字符串，将这个字符串存到信标链中，此时这个字符串就代表了一笔交易的数据，这样做的好处就是，你不用去深入探究这笔交易到底在哪个分片中发生。

分片中的状态一旦发生改变，比如某个账户余额发生了微小的改变，验证者都会把这个变化汇报给信标链。信标链实时跟踪者分片的变化，也建立起了个分片间的联系与通信。