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：

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;

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;

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);

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《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。