以太坊2.0并不是一個新主意，早在2014年，Vitalik就提到了以太坊2.0的概念，他說：“我們要么解決可擴展性和共識問題，要么就死于嘗試，” 好吧，我們還活得不錯，而他幾周前發布的最新觀點是：“對于以太坊2.0來說，理論上已沒有明顯未解決的問題。”

現在正是實現這些理論的時候了，而Beacon鏈正是以太坊2.0交付計劃的第一個組成部分。在這篇文章當中，我們將討論它的作用、它為什么是這樣做的，以及開發者們是如何開發它的。

關于Beacon鏈的介紹

在之前的一篇文章當中，作者介紹了以太坊2.0的概念，在這里我們通過Hsiao-Wei Wang提供的以太坊2.0系統 架構圖進行展示：

此圖還可作為開發和交付以太坊2.0的分步路線圖，順序為從上到下：

· PoW 主鏈是今天以太坊存在的部分：即當前的以太坊主網。在以太坊2.0系統當中，它會繼續像今天那樣運行。而下面的所有東西都是新的。

· Beacon鏈目前正在開發當中，它也將成為第一個被交付的組件；

· 分片鏈會是下一個交付組件，它也是可擴展性的來源。最初，分片鏈將簡單地聚合交易，并就其排序達成共識，而不會執行它們。這將是對系統基礎設施以及安全性的一個良好測試；

· VM層是以太坊2.0系統的最后一個重要組成部分，它將提供合約以及交易的執行；

為什么我們需要一個“Beacon”鏈？

Beacon鏈是一個全新的PoS區塊鏈。它是支撐整個新以太坊2.0系統的脊柱。它的存在，使得整個系統能夠保持活力，其負責指揮以太坊2.0系統所有的組成部分。

（Beacon鏈指揮整個以太坊2.0系統）

Beacon鏈的關鍵功能是管理PoS協議（Casper）以及所有的分片鏈。它有很多方面的工作要做：管理驗證者以及他們的權益（stakes）；在每一步為每個分片指定所選的區塊提議者；組織驗證者進入委員會，對擬議的區塊進行投票；應用共識規則；對驗證者實施獎勵和處罰；并且，作為一個錨點，其中分片會注冊它們的狀態，以促進跨分片交易；

在我們更深入地研究這些功能之前，請先了解一下術語。Beacon鏈的名字起源于“隨機beacon”的概念，它為系統的其他部分提供隨機性來源，而Dfinity項目在其區塊鏈環境中也采用了隨機beacon的概念。每個參與節點都會維護自己的本地Beacon鏈，努力與其它節點保持同步。也許上面帶有指揮的圖像是有誤導性的，雖然Beacon鏈確實指揮了系統的其余部分，但其指揮者是去中心化的，這就像每個音樂家都有自己的節奏感一樣。

關于Beacon鏈的一些功能

讓我們來看看Beacon鏈的一些功能。

管理驗證者

Beacon鏈的主要工作之一就是維護驗證者集合，這些驗證者節點需通過抵押以太幣申請加入，他們會負責運行以太坊2.0系統。驗證者可以具有多種狀態，但只有那些被標記為“active”的節點才可以參與運行以太坊2.0協議。

而想要加入驗證者集的參與者，可通過當前的以太坊PoW主鏈，向一個Beacon鏈合約發送32 以太幣，在經歷一些有效性檢查之后，這些幣會被鎖定，而合約則會發出日志條目（Solidity中的“事件”），它們可被Beacon鏈客戶端所接收。然后被選中的節點就可以導入到Beacon鏈的驗證者集當中。

一旦激活之后，驗證者就可以提出區塊并參與以太坊2.0協議，當這些區塊被選中之后，它們就會同時出現在Beacon鏈以及分片鏈上（一旦它們被實現的情況下）。如下所述，這些驗證者還會加入對區塊進行投票的委員會。

驗證者也可以發出信號，表明他們希望退出系統，并停止參與協議的運行。經過一段時間（目前為97天，但可能會更靈活），他們的押金（32以太幣）加上獎勵再減去罰款，將被退回到一個分片鏈當中。解鎖PoW主網上的初始權益，是不太可能的，除非整個系統失敗，并且社區同意給退出者退款。

以上的所有工作，都是由Beacon鏈在負責管理的。

提供隨機性

在區塊鏈系統中很難產生良好的隨機性，而一個權益證明（ proof-of-stake）協議的關鍵要求，就是隨機性的來源，它必須是分布式的、可驗證的、不可預測的，并且是不可剝奪的。而Beacon鏈就是負責向系統的其余部分提供這種隨機性：下面所描述的幾個協議功能就取決于這種隨機性。

當前的隨機數生成是通過RANDAO結構完成的，驗證者會提供一個“哈希洋蔥”。 而RANDAO結構只是將很多參與者提供的貢獻（單個隨機數）組合成單個輸出數字的一種方式。為了防止任何一個參與者顯著地操縱隨機性，開發者使用了一種提交泄露（commit–reveal）方案。當驗證者注冊時，它會提供一個承諾值，該值是其選擇的原始數字經多次哈希后產生的。每次選擇驗證者作為提議者時，它通過提供最后一個揭示數字的原像來剝離“洋蔥”的一層或多層。其它人都可以檢查這是否是正確完成的，因此提出者不能通過改變其貢獻來欺騙系統。

雖然這種方案并不是不可替代的，如果提出者不喜歡這個隨機數，他可以選擇跳過它，但對于當前的協議設計來說，這已經是足夠健壯的。

區塊提出者

Beacon鏈會管理它的PoS協議，以及每個分片鏈。在工作量證明系統當中，礦工節點會負責選出下一個區塊。而在PoS系統當中，是不存在挖礦這個過程的，因此區塊生產者是基于上述協議內的隨機性，隨機地選擇區塊提出者。

PoW系統的另一個特性是，區塊時間是不規則的，盡管以太坊的區塊生成時間平均約為15秒。相比之下，我們將Beacon鏈的區塊生成描述為心跳（heartbeat）。以太坊2.0的區塊是每16秒定期生成一次的（如果測試可行，也可能減少到8秒）。這個16秒的周期被稱為“slot”（時隙）；

在每個時隙（slot），Beacon鏈所選擇的提出者，會收集來自先前區塊的Beacon鏈驗證者集的所有協議投票（證明），并將它們納入其發布的區塊。

一旦分片鏈準備就緒，每個分片在每個時隙（slot）中都會有自己選擇的提出者，它們將收集該分片的交易，并將它們納入一個由分片委員會投票得出的區塊當中；

委員會

權益證明（proof-of-stake）區塊鏈的一個重要安全來源是委員會，它們負責對構成區塊鏈真實歷史的區塊進行投票。而 Beacon鏈就依賴于計算來自其委員會的投票，我們將其稱為“證明”，以便同意并最終確定其歷史。在理想的情況下，如果能夠快速收集證明，則該委員會的成員，都可以成為系統中的有效驗證者。

此外，Beacon鏈將隨機為每個分片指定較小的子委員會，這將在適當的時候負責確認分片的提出者行為是正確的。

獎勵和懲罰

Beacon鏈的另一個管理角色，是跟蹤和更新驗證者的存款。

如果驗證者表現良好，并發揮出了自己的作用，則他們會獲得獎勵：這是驗證者參與以太坊2.0系統的動力。但是，如果驗證者違反了規則。那么他們的32個以太幣存款會減少（被削減），到達一定程度的情況下，這些驗證者會被系統剔除。如果驗證者出現缺席的狀況（不對區塊進行投票），系統也會有小小的懲罰，我們將其稱為“二次泄漏”（quadratic leak）。其原因很微妙，即使在大量驗證器脫機時（例如在發生災難時），系統也能夠繼續處理區塊。

如果驗證者的存款低于16以太幣，則Beacon鏈會把驗證者從驗證者集當中剔除出去；

交聯（Crosslinks）

最后，Beacon鏈會執行交聯的處理。交聯負責將整個分片系統連接在一起，其負責將每個分片錨定在Beacon鏈的脊柱當中。

周期性地，每個分片的當前狀態（“組合數據根”）會被記錄到Beacon鏈當中，并作為交聯。當Beacon鏈區塊完成時，相應的分片區塊就被認為是最終確定的，而其它分片則可確信它們可依賴它進行跨分片交易。

可視化的Beacon鏈（藍色部分），它有8個分片鏈（碧綠色部分）以及相關交聯（淺藍色線）。所有鏈上的完成區塊都是黃色的，時間從左到右增加。 （圖片來自Casey Detrio）

構建Beacon鏈

很快，我們就要結束我們的Beacon鏈閃電之旅了！就其本身而言，Beacon鏈可能看起來并不是特別有用。它無法處理任意交易：它沒有智能合約，它沒有 EVM虛擬機。你沒法用它做任何事情。但是，它作為以太坊2.0的第一個組成部分，它是整個系統的基礎。整個壯觀的以太坊2.0建筑都將以此為基礎。所以，它必須是堅實的。

如果你想深入了解細節，那么目前有一份正在進行當中的Beacon鏈規范。這份規范的所有創建和維護過程都是公開進行的：歡迎有興趣的人加入。

為了運行Beacon鏈，你就需要用到一個Beacon鏈客戶端。而很多大家所熟知的以太坊客戶端（Geth，Parity，Pantheon等）都在進行相關的開發。你可以在此處查看我所知道的列表，其中包含指向其GitHub代碼庫的鏈接。 Prysmatic和Lighthouse正在定期更新它們的客戶端開發進度，也有一些團隊正在向貢獻者提供獎勵。

關于進度…… 在撰寫本文時，Beacon鏈的技術規范完成度接近了60%。盡管如此，開發者們預計會在今年年底前合理地完成這份規范，并且可能到2019年第一季度末運行多客戶端的Beacon鏈測試網絡。最近幾周，相關的開發非常迅速，關于以太坊2.0的真正討論正在拉開序幕！