【系列】Ethereum Casper - 以太坊PoS協議簡介

從POW 到POS

在我的前面兩篇介紹Ethereum擴容的文章：Sharding簡介還有Plasma 簡介裡面都有提到，要實行這兩種擴容方案，POS是必要的，因此自去年中以來，從POW轉到POS的工作一直都是以太坊開發團隊努力的重心。今天我們就來簡單的看看Ethereum的POS協議：Casper

Casper

首先，Casper指的是Ethereum未來這個Proof of Stake協議。如果你還不知道什麼是股權證明(Proof of Stake)的話，簡單的說，就是透過持有貨幣者的投票來取代「挖礦」，以更快速、省電的方式在節點之間取得共識。而我們現在要介紹的則是Casper的運作機制，跟其他POS有著些微的不同。Casper在整個系統中會以一個智能合約的形式運作，過程如下：

任何人都可以鎖住(Lock)一定量以上的ETH(最低1000個)，成為一位驗證者(Validator)
驗證者有權力驗證(Validate)區塊，當他們驗證後覺得一個區塊是合法的，可以被加到區塊鍊上時，他們需要下注(Bet or Vote)到這個區塊上。
如果這個區塊被加到鍊上，則驗證者會得到ETH獎勵
如果驗證者選擇下注錯誤的區塊，則他所有鎖住的ETH都會被沒收。

這是最特別的一點：Casper是有能力懲罰惡意節點的。

你可能會問，為什麼要有這樣嚴格的懲罰機制呢？其實原因很簡單，也是一個有效解決Nothing at Stake問題的方法。Nothing at Stake指的是一個早期POS系統常發生的問題，當一條鍊有分叉出現時，如果在一個沒有懲罰的機制之下，一個最理性的Validator會選擇下注所有鍊的新區塊，因為這樣無論最後哪一條被採納，他都會獲得獎勵。如下圖所示：最右邊Vote on Both的期望值是最高的。

(Image Source:Ethereum WiKi)
這樣會造成的問題是這兩條分叉很難最終決出勝負，因為所有自利的節點都會選擇投票給所有他覺得可能贏得block，只有真正利他(真心愛護這個網路)的節點，會只投給機率最高的區塊。因此overhead會非常高，整體效率降低。

為什麼在POW當中不會發生這樣的事情呢？因為在POW中，如果你要這麼做意味著你要把你的算力分一半，從下圖中可以看到，選擇這麼做的期望值很低，所以礦工不會這麼做。

因此Casper決定懲罰投票給錯誤區塊的驗證者，而懲罰方式就是沒收所有的ETH存款。下圖中可以發現只要我們在惡意的vote上給予懲罰，理性的Validator就會避開投票給這個區塊。

這麼做的好處除了讓Validator更乖乖做選擇以外，也能有效避免攻擊。在POW世界當中，你選擇當個誠實的節點或是惡意的節點對於你的成本是沒有差別的，就算你不斷的做壞事，頂多是不停的浪費電。但是在Casper裡，只要你做一次壞事被抓包就會直接沒收你的保證金。Vitalik發明了另一個字spawn camp attack來形容POW機制下，當51%攻擊發生時，儘管我們能夠靠著社群力量Roll back(UASF)，但攻擊者很有可能掌握了超多的硬體資源，因此有能力在這之後不斷得來攻擊你的網路，而讓你的網路癱瘓。而Casper的力量就好像是在你發起攻擊之後，就會燒掉你的大礦場一樣，讓每次攻擊的代價變得極高。

除此之外，Casper也決定要當一個嚴格的管理者，如果你的節點常常斷線之類的都會受到懲罰，大幅提高了對於Validator的要求，是一個肅清的概念，讓所有的驗證者都乖乖工作。

Casper Projects

而為了達成這個最終的轉變，現在有兩個非常有名的項目(或是可以說成兩個Casper版本)在ETH 開發團隊中進行著，分別是 Casper FFG 還有Casper CBC，有興趣的朋友可以更深入的去探討這兩個項目的內容。當然，最終的Casper型態會是如何還不知曉，但是應該還有滿長一段路要走...

Casper FFG: Casper the Friendly Finality Gadget
這個項目是由Vitalik主導，目的是完成一個PoW/Pos的混合(Hybrid)共識機制。這是為了要完成PoW到PoS的一個過渡期，他的設計是在每50個PoW的區塊產出之後，透過PoS來Finalize一個Finality。透過這樣一個混合型態運作讓大家熟悉PoS後，才後真正把以太坊完全變成PoS。
Casper CBC: Casper the Friendly Ghost: Correct-by-Construction
這個項目是由Vlad Zamfir主導，他也是大家想到Casper時總會想到的人。他是現在ETH開發PoS的最前線，演講內容也都是關於CBC很高深莫測的共識理論。他好像要準備線上開課了，也有公開自己關於CBC共識的許多簡報( Google Slide Link)供大家學習。不過這完完全全是一個新的章節就是了，等我好好學一學，搞不好也來寫一點簡介。
(image source: Youtube)