科普：Vitalik想首要改进的区块最终确定性（Finality）是什么？

原文来自 BREAD

编译 | Odaily星球日报 Golem（@web3_golem）

编者按：以太坊创始人 Vitalik 在其今日所写的新文《Possible futures of the Ethereum protocol, part 1: The Merge》中提到了以太坊在技术还需要改进的地方及原因和路径，其中首要就是要将区块最终确定性由 2-3 个 epoch（~ 15 分钟）的时间改成在一个 slot（～ 12 秒）中完成最终确定。那么，让 Vitalik 如此重视的最终确定性（Finality）究竟是什么？其在以太坊和L2中是如何实现的呢？

加密研究员BREAD 的文章《WTF is Finality?》用类比的方式解释区块的最终确定性及实现过程。Odaily星球日报特编译如下，希望对读者理解有帮助。

类比最终确定性（Finality）

按照我的“WTF is……”系列文章的传统，我喜欢从现实生活中的类比开始，如果人们不愿意了解底层细节，就可以跳出来只了解要点。对于最终确定性（Finality），我们可以使用混凝土随着时间硬化的例子，如图：

这就是对区块链里“最终确定性”最高级的解释，就像混凝土一样，随着时间的推移，从浇筑（初始确认）到初凝（多次确认），初始块被判定为“假”变得越来越困难，直到它完全硬化（最终确定）。一旦到了最后，就几乎不可能改变了。

对应在区块链中具体的顺序为：

已提交（Submitted） > 已确认（Confirmed）> 最终确定（Finalized）

如果您还想深入了解最终确定性的方式、内容和原因（在以太坊环境中），欢迎继续往下阅读。

什么是最终确定性（Finality）？

让我们尝试围绕这个概念了解一些结构并理解它。以下是对最终确定性及相关概念的解释：

• Slot （又称区块时间）：可能它的替代名称区块时间会更好理解，时隙或区块时间是给系统的时间量，以便其生成新交易区块并附加到当前的链上。例如以太坊的 Slot 为 12 秒，Base 为 2 秒，Solana 则是 0.4 秒。

• Confirmation：确认，这是当交易正式进入已被添加到当前链的区块里时发生的事情。它现在作为账本的一部分被 “确认” ，并且随着后续区块不断的被添加到账本中，确认数将越来越多。

• Epoch：每 32 个 Slots 被称为一个 Epoch。这是区块链中的二级结构，用于委派角色和职责。Slot 用于构建区块，而 Epochs 用于数据传播、奖励分配、验证者选择等。

• Checkpoint Block：检查点区块，这是在 Epoch 中创建的第一个区块，用作检查链历史的参考点。

• Finality：最终确定性，这是交易被视为不可逆转地添加到给定链的账本中的点。不过，就技术属性而言，这个术语在各个链中的使用并不统一，因此最好不要在所有情况下都假设标准相同。在以太坊生态系统中，当 2 个 Epoch 过去时（~ 13 分钟）就达到了最终确认性；在 Optimistic L2中需要等当欺诈争议期过去时（~ 7 天）；在 ZK L2中， 由于有效性证明提供的保证，存在 2 个有争议的最终确定性时刻：本地（当在 L2 上生成证明时 [~几分钟]）和全局最终确定性（当证明发布到以太坊并在那里完成时 [~ 13 分钟]）。

• Block Reorganization（“Reorg”）：区块重组，这是指曾经作为链一部分被确认的区块由于某种原因不再被视为有效，并且形成了新的链。这通常会伴随惩罚。

  下图尝试在单个图像中可视化所有这些术语，以使它们更容易理解：

  最终确定性是如何进行的？

  以上，我们已经了解了最终确定性及相关概念，那么，它们是如何协作的呢？规则是什么？

  对于以太坊

  • 验证者投票：每个 epoch（32 个区块）的验证者将对当前和前一个 epoch 的检查点区块（Checkpoint Block）进行投票，直到该检查点区块获得 2/3 正在质押 ETH 的投票数；

  • 合理检查点：一旦检查点区块达到 2/3 投票阈值，它就会被视为“合理”；

  • 绝对多数链 ：一旦两个后续检查点区块 a 和 b 都合理且 b 已经连接了下一个区块，则包含在第一个 epoch 之前的 epoch 中的区块将成为最终区块，它们不再会受到简单区块重组的影响。

    对于 L2

    L2 建立在以太坊上，所以它们基本上是一样吗？

    答案可以说是或也不是，在《以太坊的未来，Based Rollups 会有一席之地吗？》中曾提到L2是独立的区块链，但他们依靠以太坊进行最终性结算。这意味着他们的最终确定性与链一样分层。

    有两种类型：

    • 本地最终确定性：这是 L2 本身的最终确定性，并且仅适用于利用有效性证明（又名 ZK Rollups）的 L2。这是因为有效性证明由数学支持，并且当证明本身产生时就意味着它是正确的。因此，一旦 ZK L2 产生其证明，L2 状态就可以被视为已经最终确定，而不必等待证明发布到以太坊并在以太坊上结算。不过这仍然带有风险和信任假设，可以根据自己的风险承受能力来判断是否信任它。

    • 全局最终确定性：一旦状态确定，L2就确认其本地状态，并产生证明（欺诈或有效性），将该证明发布到以太坊，然后以太坊确认包含该证明的区块。即便如此，对于使用 optimistic 的 L2们来说，反悔交易的机会仍然存在，直到 7 天挑战期过去。这是为减少证明创建时所需的计算量而做出的权衡。

      L2网络可以在某些情况下具有本地最终确定性，但在一般情况下，必须等到以太坊完成其发布的有效性证明（ZK）或欺诈证明的挑战窗口已经过去（Optimistic rollups）。

      对于比特币/POW 链

      在比特币的 PoW 机制中并没有最终确定性的说法，因为对于它来说，无论是谁都可以在其上产出最长的链并成为主账本。这意味着，尽管有些不切实际，但只要有足够的算力就可以重写比特币历史的最后一天、一周、一年。

      不过，尽管这种方法在资源和时间方面代价高昂，实际操作起来不太现实，但它确实在不同系统之间形成了一个有意义的区别，并且引发了几种独特的 MEV（最大可提取价值）类型，比如“长程攻击”（Long-Ranged Attacks）和“区块隐匿”（Block Withholding）。在这些情况下，矿工可以选择生产并隐藏一个区块，然后再追加一个后续区块，或者连续挖出多个区块，从而创造和捕获独特的利润机会。

      为什么需要最终确定性？

      以上，我们知道了如何在 POS 链中实现最终确定性，并且这需要较大量的工作。那么，我们为什么要这样做？答案是这么做确实有一些好处：

      • 经济安全性：系统（以及我们）能够回顾某个点并高度自信地断定它不会改变，这给予生态系统参与者对“真实情况”的信心。例如大额转账和贷款，一旦用户确信系统在没有极端、超出协议干预的情况下无法改变时，这就会让用户有信心基于这种真实性参与生态。这也是为什么跨链桥通常会等待一定数量的确认或完全的最终确定性，才会在次级链上释放资金。

      • 更快的结算：因为系统中有一个时刻使得状态被正式定为永久性，这意味着生态系统内的参与方只需要等待这个结算时间即可，而在 PoW（工作量证明）系统中，这个时刻永远不会到来，完全取决于个人的主观判断。

      • 减少被攻击的因素：前文提到了在 PoW 链上存在的一些 MEV 机会，POW 链只是解决了“无利益风险”（Nothing at stake）问题，即任何对系统采取恶意行为的人可能也会面临损失。但在 POS 链中，如果你是验证者并试图改变已经终结的状态，你就必须违反协议规则，因此将会面临罚没质押（slashing）的风险。

        结语

        本文简单科普了什么是最终确定性，只是想让人们意识到它是一种经常使用但未被深入理解的区块链机制。最终确定性的过程就像系统中的区块像混凝土一样变硬，并且最终它们变得坚如磐石。