上集回顧

昨天講了 L1 鏈上擴容的兩種方法，分別是縮短區塊時間，以及增加區塊大小。兩種方法儘管看似美好，但背後的代價是提升了新的驗證者節點的進入門檻，導致去中心化程度與安全性降低。除了以太坊本身外，我們也介紹了如比特幣、Solana 等其他區塊鏈的做法。

引言

區塊鏈相當於一個分散式的數位帳本，以「以太坊」為例，他的狀態 - 帳戶 - 會隨著交易的發生與驗證而改變、轉移。其中，驗證者提交的交易驗證結果如何在這個巨大的全球分散式網路中，被其他的節點一致認同，是一個大難題。因此，不同的區塊鏈網路通常都有獨特的共識演算法，以利網路中節點們能對於驗證者提出之驗證節點，相當於新狀態，達成共識。

共識演算法最重要的是達成共識，也就是確保交易的最終性（Finality），而這也進一步使網路的**安全性（Security）**得到保障。

那麼，這個我們的主題「擴容」、提升整個網路的吞吐量（Throughput）與 TPS 有什麼關係呢？不同的共識演算法，如 PoW、PoS 等等，由於底層共識機制的不同，達成共識所需花費的時間也有所不同，導致網路最終的吞吐量有所不同。

比特幣之類的區塊鏈，就因為底層的共識機制（PoW），導致 TPS 只有 7-10，不過相對的，該鏈就有更高的去中心化程度與安全性。這也正好呼應到 Day 3 提到區塊鏈的不可能三角。

接下來，將介紹以太坊的共識機制，以及其他常見的區塊鏈及其共識演算法。

以太坊共識機制：從 PoW 到 PoS

早期的以太坊（又稱為以太坊 1.0）也採用 PoW（Proof of Work）作為其底層共識機制。因此，同樣有礦工競爭解決數學難題，導致以下幾個問題：

• 資源浪費
• 交易最終性確認時間（區塊出塊時間）不確定
• 交易時間慢
• 礦工算力集中到大型礦場導致逐漸中心化

然而，2022 年 The Merge 後，以太坊轉為 PoS（Proof of Stake），被稱為以太坊 2.0。以太坊改為 PoS 後，不再需要讓節點競爭，而是透過質押 32 ETH，並由系統隨機選擇某一節點作為 Block Proposer（提倡者），剩餘節點則為 Attester（證明者）。

如昨天提到，以太坊將時間的基本單位設為一個 Slot（12 秒），Block Proposer 會在這個 Slot 內將廣播、提交到 mempool 中的交易打包至一個區塊中，以手續費高的交易優先。接著，進行交易驗證，包含餘額檢查、交易順序，若發現錯誤則重新排序，直到區塊內交易正確無誤。最後，Proposer 將區塊廣播至網路上，讓其他 Attester 驗證結果無誤。

以太坊區塊最終性

然而，一個區塊驗證無誤後，並不代表區塊中的交易已處在最終狀態（Finality）。

以比特幣的 PoW 為例，區塊最終性的確認其實是「機率性」的。

比特幣區塊遵循「最長鏈原則」，網路上可能同時有多個分叉，直到某一個分叉得到網路上相對更多數的節點認同，變得最長而能確保該分叉上區塊的最終性。因此，通常比特幣區塊會要求使用者等待其後挖出 6 個區塊後，才認為區塊已達到最終性。這種機率性的區塊最終性，也導致交易確認需要花費更多時間。

Gasper

以太坊在 The Merge 後轉為 PoS 共識機制，其區塊最終性由 **Gasper（LMD-GHOST + Casper FFG）**所保證，而這也是以太幣 PoS 的一個重要機制。相對於比特幣，以太坊的區塊最終性是 deterministic 的。

Gasper 同時也定義了區塊驗證者（Proposer + Attester）的獎勵與懲罰。

• 獎勵：當驗證者誠實地參與驗證，系統會給以太幣作為獎勵
• 懲罰：離線時，會失去能獲得的獎勵；故意作惡，會沒收質押的以太幣

其中，故意作惡主要有以下兩種行為：

1. 雙重投票

驗證者試圖同時在兩個不同的區塊鏈分叉上投票，也就是 Proposer 在他的 Slot 時間內，同時簽署並廣播兩個不同的區塊。

2. 建立另一條最終確定的鏈

攻擊者要控制超過 2/3 質押總量的以太幣，才能建立一個與主鏈不同的最終確定分叉。

系統偵測到故意作惡後，會直接對驗證者執行 Slashing 懲罰，直接沒收並銷毀質押的以太幣。

1. Casper FFG

Casper FFG（Friendly Finality Gadget）是一種最終性確認演算法，而區塊的最終性被分為兩階段。

1. Justified：當網路上 2/3 個節點驗證後，區塊被認為是 Justified
2. Finalized：當下一個 Justified 區塊出現後，前一個區塊則變成 Finalized

最終性、Slashing 懲罰、不負責創建新區塊，需要底層區塊鏈與分叉選擇規則

2. LMD-GHOST

以太坊中的主鏈（又稱規範鏈、Canonical chain）上的大部分區塊處於最終狀態（Finalized），但主鏈末端的新區塊，處於 Justified 狀態，可能存在分叉。

當分叉出現時，就需要 LMD-GHOST 這類的分叉選擇演算法選擇正確的分叉。該算法的規則是：「選擇具有最大累積證明權重的分叉作為新的主鏈」。

最後，如果想要更深入了解 Gasper，推薦可以去看 Vitalik 提出的兩篇論文，裡面有非常詳細的介紹。

結語

今天介紹了比特幣與以太坊的共識機制，可以看到不同的機制，以及最終性確認方式，導致交易驗證、區塊被確認時間的不同，間接使得網路的吞吐量、TPS 有所不同。

舉例來說，比特幣一個區塊要 10-15 分鐘才能被確認，而以太坊只需要 12 秒即可。

明天，我們將繼續共識演算法的討論，看看其他區塊鏈（如 Solana、Avalanche）設計了怎麼樣的機制，大幅提升了網路吞吐量。

參考資料

[1] Gasper, Ethereum
[2] Gemini
[3] Casper the Friendly Finality Gadget, arxiv
[4] Combining GHOST and Casper, arxiv
[5] 详解以太坊PoS共识Gasper, 知乎