信标链（Beacon Chain）

什么是信标链？

 

信标链是最初的权益证明区块链，它将质押和共识层逻辑引入 Ethereum。

 

在加密领域，信标链通常指 Ethereum 的共识层，负责协调验证者、证明、区块提议、奖励、惩罚、分叉选择和最终性。

 

Ethereum 官方信标链文档称，信标链于 2020 年 12 月 1 日上线，并通过 2022 年 9 月 15 日的 The Merge 将权益证明确立为 Ethereum 的共识机制。

 

The Merge 之前，信标链独立于 Ethereum 主网运行。

 

在此期间，它不处理普通 Ethereum 用户交易或智能合约活动。

 

相反，它负责测试和协调权益证明验证者系统，而 Ethereum 主网继续使用工作量证明。

 

The Merge 之后，信标链不再是单独并行运行的区块链，而成为 Ethereum 的共识层。

 

Ethereum 官方The Merge 文档解释称，Ethereum 原有的执行层与信标链合并，如今两者共同组成一条权益证明 Ethereum 网络。

 

如今，人们提到信标链时，通常指负责管理权益证明安全性的 Ethereum 共识部分。

 

因此，信标链是 Ethereum 历史上最重要的升级之一。

信标链为何重要？

 

信标链之所以重要，是因为它改变了 Ethereum 的安全保障方式。

 

The Merge 之前，Ethereum 使用工作量证明挖矿。

 

The Merge 之后，Ethereum 使用权益证明，验证者通过质押 ETH 并运行验证者软件来保障网络安全。

 

信标链在 Ethereum 主网完全停止挖矿之前引入了验证者协调机制，使这一转变成为可能。

 

The Merge 文档称，此次合并使 Ethereum 的能耗降低了约 99.95%。

 

这一变化意义重大，因为它让 Ethereum 的区块生成过程不再依赖高能耗挖矿。

 

信标链还使 Ethereum 的共识流程更加明确、有序。

 

它会跟踪验证者、验证者余额、证明、惩罚、退出、提现和最终性检查点。

 

验证者注册表十分重要，因为 Ethereum 现在可以据此确定在任意时刻哪些验证者有资格提议区块并对区块进行证明。

 

这与工作量证明不同，在工作量证明机制下，矿工可以随时加入或退出，而无需列入验证者注册表。

 

对于用户来说，在日常钱包操作中，信标链大多不可见。

 

但对于 Ethereum 的安全性来说，信标链至关重要。

The Merge 之前的信标链

 

The Merge 之前，信标链是一条与 Ethereum 主网并行运行的独立权益证明区块链。

 

创建信标链是为了在权益证明共识用于保障真实 Ethereum 交易之前，对其进行测试。

 

信标链具有验证者、时隙、纪元、证明、奖励、惩罚和共识逻辑。

 

不过，在早期阶段，它不会执行 Ethereum 智能合约或处理普通主网交易。

 

Ethereum 信标链页面将其描述为一条空区块链，后来才开始接收执行客户端提供的交易数据。

 

这种分离方式让 Ethereum 开发者和质押者能够在真实运行环境中测试权益证明，而不必立即取代现有的工作量证明网络。

 

验证者可以存入 ETH、激活验证者软件并参与信标链共识。

 

与此同时，Ethereum 用户继续像以前一样使用主网。

 

这种分阶段推进的方式降低了风险，因为 Ethereum 没有一步到位地切换整个共识系统。

 

因此，信标链既是一个实时运行的网络，也是为 The Merge 做长期准备的基础层。

The Merge 之后的信标链

 

The Merge 之后，信标链成为 Ethereum 的共识层。

 

原有的 Ethereum 主网则成为执行层。

 

从权益证明共识角度来说，共识层负责判断区块是否有效。

 

执行层负责处理交易、智能合约、账户余额、Ethereum 虚拟机执行和状态变化。

 

信标链页面解释称，The Merge 完成后，Ethereum 不再由两条独立区块链组成。

 

相反，Ethereum 成为一条由两个主要软件层组成的权益证明网络。

 

这意味着 The Merge 并未创造单独的“新 ETH”或“旧 ETH”。

 

The Merge 文档提醒用户，ETH 仍然是 ETH；有关 The Merge 之后需要升级资金的说法则是诈骗信号。

 

信标链现在负责区块传播、共识逻辑、分叉选择、验证者职责、奖励和惩罚。

 

执行层负责交易执行和 Ethereum 状态。

 

这两个层共同构成现代 Ethereum 的运行基础。

共识层

 

共识层是 Ethereum 中负责协调权益证明共识的部分。

 

这就是信标链如今承担的职能。

 

共识层使 Ethereum 节点对当前链头保持一致。

 

它会跟踪验证者及其有效余额。

 

它会将验证者职责安排到各个时隙和纪元中。

 

它会处理对区块和检查点进行投票的证明。

 

它会根据验证者的行为实施奖励和惩罚。

 

它还通过 Ethereum 的权益证明共识设计支持最终性。

 

Ethereum 官方节点架构文档解释称，共识客户端负责处理使节点与 Ethereum 权益证明网络保持同步的逻辑。

 

这种共识客户端通常称为信标节点（Beacon Node）。

 

即使没有验证者，信标节点也可以跟踪区块链；验证者客户端则会增加质押相关职责。

执行层

 

执行层是 Ethereum 中负责处理交易并维护 Ethereum 状态的部分。

 

它包含账户余额、智能合约代码、代币活动、应用逻辑和 Ethereum 虚拟机执行。

 

The Merge 之前，Ethereum 执行客户端将这部分执行逻辑与工作量证明共识结合在一起。

 

The Merge 之后，执行客户端需要与共识客户端协同工作。

 

节点架构文档指出，Ethereum 节点由执行客户端和共识客户端组成。

 

执行客户端负责验证和执行交易；共识客户端负责处理权益证明区块链的增长和分叉选择。

 

当验证者获选提议区块时，共识客户端会向执行客户端请求执行负载。

 

执行客户端会构建或验证交易负载。

 

共识客户端随后将该负载与共识数据打包，并向 Ethereum 网络广播区块。

 

这是 The Merge 带来的最重要架构变化之一。

Engine API

 

Engine API 是 Ethereum 共识客户端与执行客户端之间的通信接口。

 

The Merge 之后，节点如果只运行软件堆栈中的一部分，就无法正常工作。

 

共识客户端和执行客户端必须交换区块数据、负载数据、验证结果和链头信息。

 

信标链页面称，共识层和执行层通过 Engine API 通信。

 

当需要提议区块时，该接口允许共识客户端请求执行负载。

 

它还允许执行客户端验证提议的负载是否符合 Ethereum 的执行规则。

 

对于节点运营者来说，Engine API 很重要，因为两个客户端必须正确连接和通过身份验证。

 

The Merge 文档称，The Merge 之后，节点运营者必须同时运行共识客户端和执行客户端。

 

如果两个客户端未正确连接，节点可能无法正确跟随 Ethereum 区块链。

 

因此，验证者运维既需要区块链知识，也需要严谨的系统管理能力。

验证者

 

验证者是 The Merge 之后负责保障 Ethereum 安全的参与者。

 

Ethereum 官方权益证明文档解释称，验证者会质押 ETH，负责检查新区块，有时也会创建新区块。

 

传统上，用户要成为验证者，需要将 32 ETH 存入 Ethereum 存款合约，并运行验证者软件。

 

激活后，验证者会从信标链接收职责。

 

这些职责可能包括提议区块、对区块进行证明、参与同步委员会以及帮助最终确定检查点。

 

验证者本身并不等同于全节点。

 

全节点会跟踪并验证 Ethereum，而验证者则会主动参与权益证明共识。

 

节点架构文档指出，如果节点要提议新区块，除了执行客户端和共识客户端之外，还必须运行验证者客户端。

 

验证者正确参与网络可以获得 ETH 奖励。

 

如果验证者未能履行职责或有不诚实行为，也可能受到 ETH 惩罚或被罚没。

质押

 

质押是锁定 ETH 以激活 Ethereum 权益证明系统中验证者职责的过程。

 

质押取代了挖矿，成为 Ethereum 的区块生成安全机制。

 

在质押开始保障主网执行数据之前，信标链已将质押引入 Ethereum。

 

实际上，质押需要投入资金并运行软件。

 

验证者质押的 ETH 充当抵押品。

 

如果验证者行为正确，就可能获得奖励。

 

如果验证者行为不当，就可能受到惩罚。

 

如果验证者实施可能被罚没的违规行为，其部分质押资产可能被销毁。

 

这形成了加密经济安全机制，使攻击变得代价高昂。

 

因此，质押不只是一种获取收益的方式。

 

它还是取代 Ethereum 工作量证明挖矿的安全机制。

时隙与纪元

 

信标链将时间划分为时隙和纪元。

 

权益证明文档称，Ethereum 的时间被划分为 12 秒的时隙，每个纪元包含 32 个时隙。

 

时隙是一个较短的时间窗口，在此期间会随机选出一名验证者提议区块。

 

如果获选验证者在线且运行正常，就可以为该时隙提议区块。

 

如果验证者离线或未能履行职责，该时隙可能会被错过。

 

纪元由 32 个时隙组成。

 

纪元很重要，因为验证者分配、证明、合理化、最终性、奖励和惩罚都围绕纪元安排。

 

这种固定的时间安排取代了工作量证明挖矿中不固定的区块生成时间。

 

时隙和纪元构成 Ethereum 权益证明共识层的运行节奏。

 

对于用户来说，了解这些时间安排有助于解释 Ethereum 区块为何会定期出现，以及最终性为何需要超过一个区块的时间。

区块提议

 

区块提议是指获选验证者创建并广播新的 Ethereum 区块。

 

共识机制文档解释称，每个时隙都会随机选出一名验证者作为区块提议者。

 

提议者的共识客户端会向配对的执行客户端请求一组交易。

 

这组交易会成为执行负载。

 

验证者会将执行负载与共识信息一起打包。

 

随后，区块会发送给其他 Ethereum 节点。

 

其他验证者会检查区块，并在认可该区块时发送证明。

 

验证者正确履行区块提议职责可获得相应奖励。

 

错过区块提议可能会减少验证者奖励。

 

如果恶意提议不符合网络共识规则，则可能面临罚没风险。

 

区块提议是 Ethereum 区块进入区块链的时刻。

证明

 

证明是验证者在 Ethereum 权益证明共识中的投票。

 

验证者检查区块并投票支持其认为正确的链头和检查点状态时，就会提交证明。

 

权益证明文档称，验证者会发送称为“证明”的投票，支持有效区块。

 

证明有助于 Ethereum 判断哪条链的权重最大。

 

它们还帮助 Ethereum 使检查点得到合理化并最终确定。

 

大多数验证者职责是提交证明，而非提议区块。

 

这是因为每个时隙只有一名验证者提议区块，而每个纪元中会有许多验证者提交证明。

 

证明必须及时且正确，验证者才能获得全额奖励。

 

迟交、缺失或错误的证明都可能导致奖励减少。

 

如果相互冲突的证明违反协议规则，就可能触发罚没。

 

信标链高度依赖对证明的处理，因为证明是 Ethereum 权益证明的投票机制。

分叉选择

 

当存在多个可能的区块时，分叉选择规则决定 Ethereum 节点应跟随哪一个链头。

 

在工作量证明系统中，链的选择通常取决于累计工作量。

 

在 Ethereum 权益证明机制中，链的选择取决于按质押 ETH 加权的验证者投票。

 

共识机制文档称，Ethereum 使用一种分叉选择算法，根据验证者证明的权重进行判断。

 

Ethereum 的权益证明共识通常称为 Gasper。

 

Gasper 将 LMD-GHOST 分叉选择机制与 Casper FFG 最终性逻辑结合起来。

 

分叉选择规则很重要，因为网络可能会暂时以不同顺序接收到区块信息。

 

当区块提议者错过时隙，或网络延迟导致节点看到不同链状态时，分叉选择规则也会发挥作用。

 

分叉选择机制让节点能够收敛到同一个规范链头。

 

如果没有有效的分叉选择规则，验证者和用户可能会对 Ethereum 当前状态产生分歧。

最终性

 

最终性是指一个区块一旦被网络最终确定，就极难被逆转。