以太坊2.0超级全节点、顶级节点、单分片节点解析及探讨

译者按：在比特币、以太坊1.0、eos等区块链系统中，存在着两种类型的节点概念：即轻节点（又称spv节点）以及负责验证所有交易数据的全节点（或超级节点），而在以太坊接下来的2.0系统规划当中，节点的划分将变得更为复杂，这是因为其引入了分片（Sharding）技术。根据以太坊官方分片FAQ内容当中提到的，该系统的节点将划分为4类节点，分别是（1）超级全节点（Super-full node），（2）顶级节点（Top-level node），（3）单分片节点（Single-shard node），以及（4）轻节点。那这些节点又是怎么回事呢，本文旨在解释这些节点，同时通过以太坊研究社区（ethresear.ch）成员对该话题的深入讨论，以期让读者更好地了解这些概念。

（图片来自：Hacked）

来自分片FAQ（译者注：关于分片技术的讨论还在继续，因此FAQ会不断更新，以下的内容是最新版本的）：

“注意，现在，这样的系统当中可以存在着几个‘级别’的节点：

1. 超级全节点：完全下载每个分片的所有校对规则（collation），以及主链数据，旨在充分验证一切；
2. 顶级节点：处理所有主链区块，使得“轻客户端”可访问所有的分片；
3. 单分片节点：充当一个顶级节点，但它也会完全下载并验证其更为关心的，某些具体分片的每个校对规则（collation）；
4. 轻节点：仅下载和验证主链区块的区块头数据，除非在某些特定分片状态下需要读取某些特定条目，否则这类节点不会处理任何校对规则区块头或交易。在这种情况下，它将默克尔分支（Merkle branch）下载到最近的分片校对区块头，并从那里下载状态期望值的默克尔证明。”

 

而以太坊研究社区成员MihailoBjelic对此存有疑问，他在《以太坊2.0节点类型》一帖中提到：

关于 以太坊 2.0当中存在的这些节点类型，我有几个问题：1、为什么这些超级全节点必须要验证所有的交易（主链交易+所有分片交易），这会需要很多的资源，我不明白这一点。存储所有的数据的确是有意义的（它确保了所有数据的数据可用性），但这也需要大量的磁盘空间和带宽资源吧？

2、我不知道这些顶级节点是做什么的，以及为什么要有它们？ 3、单分片节点会定期重新洗牌。如何将数据“移交”给下一个当选节点？ 4、所以，轻客户端只需下载主链区块头（主链= beacon链，是吗？）？

这一切是否都可能会过时（比如当Casper和分片结合在一起时？）

谢谢！

meyer9回答：

1、超级全节点并不是必须要运行的节点。它们只是可能要运行的节点。在具有超级全节点的情况下，一些权益池可能希望这样做，这样，对于每个验证者来说，他们就不必在每个周期都重新同步到不同的分片； 2、顶级节点只验证beacon链，因此，它们只能访问分片的区块头信息，而不会实际验证分片交易，或处理分片区块； 3、单分片节点生成校对规则（collation），并把它们添加到分片链中，这就好比询问比特币矿工如何将数据移交给下一位比特币矿工； 4、是的；

jannikluhn：

“MihailoBjelic：单分片节点会定期重新洗牌。”

不一定的，只有验证者是需要被洗牌的，“正常”的单分片节点（例如，来自与该分片上的某个合约进行交互的用户）可以永久地停留在一个分片链上。

MihailoBjelic：

感谢@meyer9 和 @jannikluhn的回答。

“meyer9：超级全节点并不是必须要运行的节点。它们只是可能要运行的节点。在具有超级全节点的情况下，一些权益池可能希望这样做，这样，对于每个验证者来说，他们就不必在每个周期都重新同步到不同的分片； ”

如果我们没有这些超级全节点，我们如何保证整个系统的数据可用性（例如，如果单个分片遭到了破坏或攻击，并且我们不再拥有其数据的情况下？）

“meyer9：顶级节点只验证beacon链，因此，它们只能访问分片的区块头，而不会实际验证分片交易，或处理分片区块； ”

节点只做这一点的原因是什么？我想每个单独的验证者都需要这样做（验证beacon链，并跟踪所有分片的区块头），无论如何，我认为它是一些默认的基础级功能？

“meyer9：单分片节点生成校对规则（collation），并把它们添加到分片链中，这就好比询问比特币矿工如何将数据移交给下一位比特币矿工； ”

我相信这种比较是没有意义的。如果我的想法是对的，“单分片节点”是@JustinDrake在他的演示文稿中提到的运营者，并且很清楚的是，它们会被重新洗牌，例如每周一次（而比特币矿工/节点则不会被洗牌）。也就是说，很明显，当新的验证者组被选出时，则旧的运营者（单分片节点）应该会把（整个分片链）的所有分片数据“移交”给新的运营者（它们没有这些数据，而只有分片的区块头信息）。现在，当我再思考这个问题的时候，我发现这个问题要比我原先想象地还要复杂，我可能会在这个问题上另开一个新的话题。

“jannikluhn：不一定的，只有验证者是需要被洗牌的，“正常”的单分片节点（例如，来自与该分片上的某个合约进行交互的用户）可以永久地停留在一个分片链上。 ”

你能分享一下你是在哪得到的这些信息吗？只有验证者会被重新洗牌？这将彻底改变系统的模式，并引入全新的挑战和问题（如果这被证实了，我会探讨更多的细节）。当然，我们可以拥有由用户运行的永久性单分片节点，但这些对于分析而言是不相关的（不强制/担保+not staked ->不能依靠。）

 

此后，这个分片FAQ的原作者之一，以太坊创始人Vitalik Buterin加入了这个话题的探讨。

（图片来自：Filthy Lucre）

vbuterin：

“MihailoBjelic：如果我们没有这些超级全节点，我们如何保证整个系统的数据可用性（例如，如果单个分片遭到破坏或攻击，并且我们不再拥有其数据的情况下？）”

由于洗牌的原因，我们就有了一个强大的概率保证，即单个分片不会受到攻击或破坏，而基本上没有一个攻击者拥有整个验证者集接近50%的份额，如果我们添加了欺诈证明和数据可用性证明（译者注，可参考《学术向丨区块链扩容的关键：欺诈和数据可用性证明》），整个网络将能够拒绝掉坏区块，而不必检查所有的数据；

“MihailoBjelic：你能分享一下你是在哪得到的这些信息吗？只有验证者会被重新洗牌？”

这些信息来自于我这里 ^ _ ^任何不是验证者的节点，都只是为自身利益而运行的节点，因此，该节点当然可以听取和下载，或者不下载，核查或不核查它想要的东西。因此，协议没有能力强迫其他节点去任何特定的分片，也没有理由这样做。

MihailoBjelic：

“vbuterin：这些信息来自于我 ^ _ ^”

这样哈，那我认为这些信息是相当可靠了！^_^ ：那这意味着分片FAQ和Justin的报告（或者至少是报告的部分）是有冲突的吗？（译者注：具有刨根问底的精神，很好）

“vbuterin：任何不是验证者的节点，都只是为自身利益而运行的节点，因此，该节点当然可以听取和下载，或者不下载，核查或不核查它想要的东西。因此，协议没有能力强迫其他节点去任何特定的分片，也没有理由这样做。”

我认为，提到这些用户运行的节点，只会带来混乱，它们是无关紧要的，这是因为它们（正如您和我都说过的）根本不会提供任何保证，它们只是无束缚的，并且可能（或可能不）验证及保留分片的数据（或它的任意部分）。验证者必须在任何时刻都不依赖于这些节点，他们需要的是受束缚（bonded ）的节点，并且必须验证每个分片校对规则（collation），并保留所有分片的数据（整个最新的分片链）。每个分片会有多少的节点？如果只是一个节点，那么会有几个问题，如果不止一个，还会有其他的问题（同样，如果我有这个答案，我会深入到更多的细节）。如果这些东西还没有完全明确，这也是当然可理解的。

drcode1：

要记住的一个细节是，用于分片的“轻客户端”可能还会负责将数据上传到全节点，而这通常不是轻客户端的职责。引用Vitalik等人最近撰写的轻客户端规范，我假设它会使用和以太坊2.0当中相同的数据可用性机制：“由轻客户端接受到的每个share（译者注：同样是欺诈和数据可用性证明论文当中的一个重要概念）以及有效默克尔证明，会和所有全节点进行沟通，表明这个轻客户端已经连接到了全节点（如果这些全节点没有它们）。”

“MihailoBjelic：我认为，提到这些用户运行的节点，只会带来混乱。”

我不是博弈论领域的专家，我只想指出一点，100%的BitTorrent节点是无束缚的（ unbonded），它们没有义务提供数据或验证：软件的默认行为（加上一些利他者）可以导致对分布式软件系统产生有意义影响的强大机制。

MihailoBjelic：

感谢 @drcode1!

“drcode1：我只想指出一点，100%的BitTorrent节点是无束缚的（ unbonded），它们没有义务提供数据或验证”

没错，BitTorrent就是一个不可靠的分布式网络（每个人都遇到过不可用的torrent链接）。对于IPFS也是一样的，这也是为什么他们要构建Filecoin（如果你希望提供数据可用的保证，则需要有束缚的人员来保存这些数据，即使这样，问题也不是微不足道的。）这就是我为什么会认为，我们根本不应该依赖这些用户/利他主义者运行节点。也就是说，在讨论系统的安全性和保障时，甚至不应该考虑他们。也就是说，我还是很想知道：

a) 我们将有受束缚的单分片节点（这些节点必须下载并保存单个分片的所有数据）？

b) 这些节点绝对不会被洗牌吗？ c) 他们是和提议者（负责提出区块/校对规则（collation），以及对它们进行表决验证）相同的实体吗？ d) 每个分片会有多少这样的节点？ 我刚刚看了Peter Szilagyi和Felix Lange关于以太坊网络的精彩演讲，在这里你可以看到，当时的计划是让校对者（collator）不断切换分片（尽管，目前还是不清楚校对者（collator）是否和提议者/单分片节点相同 :-)）

 

daniel：

非常好的问题！关于这个话题，我已经思考很久了，现在我想提供一些纯粹是自己的观点：a) 是的！我看不到另一种保证长期数据可用性的方法； b) 这视情况而定。到目前为止，我认为在实践过程当中，是不需要对它们进行重新洗牌操作的，但我觉得为了保证可证明的活跃性，可能需要重新洗牌操作。否则，贿赂攻击者可能会通过不提出任何校对规则（collation）的方式，而造成一个分片被完全拖延； C）是的！我认为，可通过将长期状态存储的责任+交易执行+校对规则提议组合到相同的角色当中，从而实现最高的协同效应（因此能够带来效率）。 D）这是一个有趣而开放的问题。如果我们没有“分配”或“洗牌”执行者，那么无论如何，我们对此都没有控制权，这取决于经济激励，以实现对所有分片的合理分配。如果我们分配了他们，我还没有考虑好合理的数字。

 

译者后记：关于本文探讨的话题，译者将继续跟踪研究者的讨论动态，并将在评论栏中呈现出这些最新讨论。此外，关于分片的话题，译者将通过研究人员的讨论逐个分解探讨。