图解ETHPoS共识机制Gasper：合并后的以太坊是如何工作的？

众所周知， PoS 以太坊的共识协议是「Gasper」，它是在 LMD-GHOST（ 分叉 选择规则）之上应用 Casper FFG（最终性确定工具）构建的。所以要想搞清楚完整的以太坊共识协议，就必须了解这两个部分（Casper + Ghost）。此外，这些设计真的很有趣。我打算梳理一下这两个协议的背景和演进，以及它们简单的工作流程。

PoS 共识算法的三大流派如下：

1.Nakamoto-inspired（Peercoin）

2.PBFT-inspired（Tendermint、Casper FFG）

3.CBC Casper

Nakamoto-inspired PoS 是一种基于链的算法，模拟在 PoW 中挖矿。它通过伪随机选择验证者来创建新区块。其在 2012 年的「Peercoin」论文中首次提出，peercoin 是基于权益证明共识的第一个加密货币。

PBFT-inspired（即 BFT-style）PoS 基于多年对拜占庭容错（尤其是 pBFT）的研究。在 2014 年的「Tendermint」论文中首次提出。一般来说，这些算法会选择一个代表账本规范交易的唯一链。

Casper 直接继承了 BFT 算法（更精确的是 pBFT），做了一些修改。CBC Casper 是由 @VladZamfir 提出的，有一些很好的资料可以更充分地解释它。

V 神的 CBC Casper 教程

VladZamfir 写的 CBC Casper 历史

CBC Casper 介绍视频

虽然以太坊最终选择了 Casper FFG 而不是 CBC Casper，但对 CBC Casper 的研究也很有价值，比如满足以太坊需求的分叉选择规则「LMD-GHOST」。Casper FFG 由 V 神和 Virgil Griffith在 2017 年提出，引入了 justification 和 finalization 的概念，并引入了 slashing conditions 和动态验证者机制，这些都是非常重要的特性。

Casper FFG 用于保证「最终性」（也就是安全性），这在 PoW 中是不存在的。简单来说，每个验证者都会对检查点进行投票，经过两轮投票后，检查点将被「最终确定」（第一轮为验证，第二轮为最终确定）。

所有最终确定的检查点都成为规范链（区块链历史的一部分），所有忠诚节点都同意他们永远不会逆转这条链。「最终检查点」之后的区块可以随意分叉，但之前的区块不允许分叉。

Casper FFG 除了通过「最终性」来保证区块链安全外，还引入了 slashing 条件来惩罚所有违反规则的验证者（这在传统 BFT 算法中是做不到的），所有违反规则的验证者都将被跟踪和惩罚。

除此之外，Casper FFG 是无需许可的（传统的 BFT 算法是需要许可认证的），pBFT 通过一个列表来维护共识，只有列表中的人才能成为参与者。Casper FFG 构建了动态验证者机制，所有验证者可以自由进出。Casper FFG 用于保证「最终性」和「安全性」，负责确认区块的最终状态，但不负责创建新区块，所以它需要底层区块链和分叉选择规则。

以太坊使用的分叉选择规则是基于 GHOST，该规则最早在2013 年的一篇论文中提出。2017 年，@VladZamfir 在 CBC Casper 工作时，他尝试将 GHOST 与 Casper 结合，产生了一个变种「LMD-GHOST」。

区块链允许分叉，当出现不同的分支时，应该选择哪条链继续添加后续新区块，需要分叉选择规则。PoW 使用的是最长链规则。思路是锻造最长的链需要最多的算力，所以这条链是最可信的。所以当所有矿工添加新区块时，他们会默认在最长的链上添加。

GHOST 的思路与此类似，其选择票数最多的链而不是高度最长的链，LMD-GHOST 做了一些修改，只考虑最近的投票（即所谓的「Least Message Driven」，LMD）。

LMD-GHOST 的规则很简单：

- 从创世区块开始；

- 每次有分叉，选择票数多的分支；

- 重复，直至找到 block leaf；

- 返回链的头部；

这是 Casper FFG 和 LMD-GHOST 的演变以及它们如何工作，它们共同保证「安全」+「活性」。LMD-GHOST 允许提议者随时创建新区块，新区块将按照分叉选择规则（即活跃度）添加到权重最大的链上。虽然 Casper FFG 将根据所有验证者的投票（两轮，超过 2/3，按存款）最终确定一个规范链。所有忠诚节点默认接受规范链，从而获得安全。

共识真的很有意思，以太坊对 PoS 的研究始于 2014 年，2022 年完成了合并。这是一条漫长而曲折的道路，过程中诞生了许多奇妙的想法、设计和工程。