以太坊 The Merge 合併之技術面懶人包 (2022-04 version)

A Brief Technical Summary of The Merge Upgrade on Ethereum

Hsiao-Wei Wang

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Ethereum Foundation | Researcher

2022-04-11 Taipei Ethereum Meetup

• 以太坊 The Merge 合併之技術面懶人包 (2022-04 version)
  • Abstract
  • 所謂合併 The Merge
  • 前情提要：信標鏈 Beacon Chain
  • Components
    • Execution Layer (EL) 執行層
    • Consensus Layer (CL) 共識層
    • 相關 APIs
    • EL/CL Separation
  • 協議如何決定何時觸發合併? (1/2)
  • 協議如何決定何時觸發合併? (2/2)
  • Merge Transition
  • 相關規格及文件
  • 對以太坊應用層的影響
    • 1. EVM
    • 2. Block time 區塊時間
    • 3. Finality 最終確定性
    • 4. Safe Head
  • 近期開發進度 (2022年4月)
  • 其他 “longer-term extras”
    • Post-merge 硬分岔
    • Single secret leader election (SSLE)
    • Single slot finality
    • Better signature aggregation
  • 補充資料
• Thank you!
  • 🐼

Abstract

萬眾期待以太坊的共識演算法主網大升級，隨著近期的規格書與程式碼迭代、測試鏈如火如荼展開，今年有高機率主鏈會有一次大改版。
以下介紹以太坊合併協議、客戶端（client）技術架構以及對以太坊開發者有什麼影響。

所謂合併 The Merge

1. 將以太坊的共識演算法（Consensus algorithm）從工作量證明（Proof-of-Work, PoW）切換到 權益證明（Proof-of-Stake, PoS）
2. 將以太坊 EVM 主鏈 與 信標鏈（Beacon chain）合併
3. 將未來以太坊系統分成 共識層（Consensus Layer） 以及 執行層（Execution Layer）

前情提要：信標鏈 Beacon Chain

• 2020 年 12 月 Ethereum beacon chain phase 0 上線。Phase 0 的 beacon chain：
  1. 核心採用 Casper FFG 協定實現權益證明共識機制
  2. 是以太坊 PoW 主鏈的側鏈：要成為 beacon chain 上的驗證者（validator），使用者需在 PoW 主鏈上按照協議抵押 32 ETH 在 deposit contract 上。而 beacon chain 的節點們會根據 deposit contract 上的 log，在 beacon chain state 中加入通過驗證的此筆驗證者資料（例如：公鑰、餘額、提款方式），進而成為驗證者。
• 截至 2022 年 4 月，有 10M ETH 已投入 deposit contract staking，多達 34 萬個有效最小單位驗證者 (validator) 🔥
  • 最新數據可參考 Beacon chain explorer
• 有多達四個以上信標鏈節點軟體客戶端（client）開發團隊
• EthStaker

Components

Execution Layer (EL) 執行層

目前的 PoW chain

Execution Layer 的 ExecutionPayload

• PoW mining 相關的欄位將會被棄用
• 一樣使用 EVM 執行交易

Image: When Merge by Danny Ryan

Consensus Layer (CL) 共識層

合併後的 BeaconBlock

• BeaconBlock 會含有來自 EL 的 ExecutionPayload
• 外層的state_root: beacon chain state
• EL 內的 state_root: EVM account state

Image: When Merge by Danny Ryan

相關 APIs

Image: When Merge by Danny Ryan

• Beacon node (CL) 和 execution engine (EL) 之間會以 Engine API 溝通。
• P2P：各自開啟向外網路所需的接口 port
• web3：或將新增 beacon chain 相關 web3 APIs

Engine API usecase example

EL/CL Separation

協議如何決定何時觸發合併? (1/2)

• Step 1:
  • CL 端會先進行 Bellatrix Upgrade 硬分岔，以轉為和 The Merge 相容的 state transition 邏輯與區塊格式
  • 在 BeaconBlock 新增 execution_payload: ExecutionPayload 欄位
  • 在 BeaconState 新增 latest_execution_payload_header: ExecutionPayloadHeader 欄位
  • 在 EL 端硬分岔之前，新欄位內容為空值

協議如何決定何時觸發合併? (2/2)

• 定義：

  • TERMINAL_TOTAL_DIFFICULTY (TTD): 觸發合併的 total difficulty 值
  • Terminal PoW block: 需同時符合以下 兩個 條件的 PoW block:
    1. pow_block.total_difficulty >= TERMINAL_TOTAL_DIFFICULTY
    2. pow_block.parent_block.total_difficulty < TERMINAL_TOTAL_DIFFICULTY
  • Transition block: 第一個 execution_payload 不為空值的 PoS block

• Step 2:

  • Beacon block proposer 呼叫 Engine API 以取得一個 parent block hash 指向 terminal PoW block 的 非空 execution payload，並將此 execution payload 值填入至 beacon block 中。
  • 此 beacon block 即為 transition block

Merge Transition

Image: When Merge by Danny Ryan

• TERMINAL_TOTAL_DIFFICULTY: 上圖第 2 個 PoW block
• TRANSITION_BLOCK: 上圖第三個 Beacon block

相關規格及文件

• EL: Paris Upgrade Specification
  • EIP-3675: Upgrade consensus to Proof-of-Stake
  • EIP-4399: Supplant DIFFICULTY opcode with PREVRANDAO
• CL: Bellatix Upgrade Specification
• Engine API

對以太坊應用層的影響

1. EVM

• DIFFICULTY (0x44) opcode:
  • 因為已無 mining，PoS 鏈上不再有 difficulty
  • EIP-4399: 為了向下相容，改名為PREVRANDAO 並使用 beacon chain 上產生的亂數作為 PREVRANDAO 的值
• BLOCKHASH (0x40) opcode: 由於 ExecutionPayload 中 mining 相關欄位被棄用了，所以此值更容易被操縱！不建議使用 BLOCKHASH 產生亂數值

Ref: How The Merge Impacts Ethereum’s Application Layer

2. Block time 區塊時間

• 信標鏈的邏輯中，區塊是以 “time slot” 來編號。正常狀況下固定為 12 秒/區塊
• 少數狀況（<1%）會有被 “跳過” 的區塊，此時區塊時間會拉長
  • 注：特定 slot 的區塊必須由特定的驗證者負責產生並簽名，若驗證者未在一定時間內廣播出區塊，則這個 slot 會被跳過。

3. Finality 最終確定性

• 要注意權益證明的區塊鏈 finality (最終確定性) 有所不同。
  • 工作量證明: 只有機率上的最終確定性，服務提供者自行選擇所信任的已確認 (confirmed) 區塊(多少) 數量
  • 權益證明：一般情況下最短在 2-epoch（~12 分鐘）後可取得最終確定性（finality）
    • Note: 一旦鏈 “finalized”，攻擊者需取得 2/3 以上的驗證者票數且付出高額罰金才可改變鏈上狀態

4. Safe Head

• 轉自 How The Merge Impacts Ethereum’s Application Layer
• 現階段先用 justified block 作為 safe head，未來會再優化計算出更近期的 safe head

近期開發進度 (2022年4月)

• 大型公開測試鏈 Kiln testnet 已在 3 月 15 日上線，歡迎以太坊使用者可以先在測試鏈上測試如何架設節點
• Core devs 在 Goerli testnet 上進行了多次 shadow forks，發現了一些 issue 並修正
  • 注：shadow fork：對公鏈進行分岔出私鏈，不影響公鏈運作狀況
• 近期將在 Mainnet 上測試 shadow forks
• 4月底 core devs 會決定是否延期難度炸彈
  • 注：若不延期，5月開始會有感難度提升

其他 “longer-term extras”

Image: roadmap diagram by Vitalik Buterin

Post-merge 硬分岔

• EL: Shanghai upgrade
• CL: [暫名/內容仍在作業中] Capella upgrade
  • 主要新增了讓驗證者可提領在 beacon chain 的餘額至 EL 的功能

Single secret leader election (SSLE)

• 目前的區塊 proposer 決定方式為：協議會預先根據偽隨機亂數爲各個 block slot 計算出區塊 proposer 和負責驗證的 validator set
• SSLE 研究意圖以密碼學技術使得協議可在其他人無法得知的情況下，隨機選出區塊 proposer
• Ref:
  • Single Secret Leader Election paper by D. Boneh, Saba Eskandarian, L. Hanzlik, Nicola Greco
  • Ethresear.ch 上的討論

Single slot finality

• 當前信標鏈需至少 12 分鐘，區塊才會 finalized。
• 為了提升 UX、MEV reorg resistance、與減少協議的複雜度，Single slot finality 研究能如何突破目前資源限制以在一個 slot 內達到 finality。
• Ref: Paths toward single-slot finality by Vitalik

Better signature aggregation

• 目前信標鏈的 BLS 簽名在 P2P層廣播的過程中，會先廣播至較小的 subnet，由 aggregator 聚合，然後再廣播至 global network
• 更有效率的 aggregation model，將可幫助縮短 block time。
• Ref:
  • Paths toward single-slot finality by Vitalik
  • A note on Ethereum 2.0 attestation aggregation strategies
    by Hsiao-Wei Wang

補充資料

• The Merge Mainnet Readiness Checklist
• What’s New in Eth2

Thank you!

🐼