信標鏈（Beacon Chain）

什麼是信標鏈？

信標鏈是最初的權益證明區塊鏈，為 Ethereum 引入質押機制及共識層邏輯。

在加密貨幣領域，「信標鏈」通常指 Ethereum 的共識層，負責協調驗證者、證明訊息、區塊提議、獎勵、懲罰、分叉選擇及最終確定性。

官方Ethereum 信標鏈文件指出，信標鏈於 2020 年 12 月 1 日上線，並在 2022 年 9 月 15 日的 The Merge 中，正式將權益證明確立為 Ethereum 的共識機制。

The Merge 之前，信標鏈與 Ethereum 主網分開運作。

當時信標鏈不處理一般 Ethereum 使用者交易或智能合約活動。

相反地，它負責測試及協調權益證明驗證者系統，同時 Ethereum 主網仍採用工作量證明。

The Merge 之後，信標鏈不再是獨立運作的平行鏈，而成為 Ethereum 的共識層。

官方Ethereum Merge 文件說明，Ethereum 原有的執行層與信標鏈合併，如今兩者共同構成一個權益證明 Ethereum 網路。

如今人們提到信標鏈時，通常指負責管理權益證明安全性的 Ethereum 共識部分。

因此，信標鏈是 Ethereum 歷史上最重要的升級之一。

信標鏈為何重要？

信標鏈的重要性在於，它改變了 Ethereum 的安全保障方式。

The Merge 之前，Ethereum 使用工作量證明挖礦。

The Merge 之後，Ethereum 改採權益證明，由驗證者質押 ETH 並運行驗證者軟體來保護網路。

信標鏈先行引入驗證者協調機制，讓 Ethereum 主網得以全面停止挖礦，完成這項轉換。

Merge 文件指出，The Merge 讓 Ethereum 的能源消耗降低約 99.95%。

這項改變相當重要，因為它讓 Ethereum 的區塊產生流程不再需要耗能的挖礦。

信標鏈也讓 Ethereum 的共識流程更加明確且有條理。

它會追蹤驗證者、驗證者餘額、證明訊息、懲罰、退出、提領及最終確定檢查點。

驗證者登錄表很重要，因為 Ethereum 現在能掌握特定時間內哪些驗證者有資格提議區塊及對區塊進行證明。

這與工作量證明不同，因為礦工可能加入或離開，而不必列入驗證者登錄表。

在一般錢包操作中，使用者幾乎不會直接注意到信標鏈。

但它對 Ethereum 安全性至關重要。

The Merge 之前的信標鏈

The Merge 之前，信標鏈是與 Ethereum 主網平行運作的獨立權益證明區塊鏈。

建立信標鏈的目的，是在 Ethereum 使用權益證明來保護實際交易前，先行測試其共識機制。

信標鏈具備驗證者、時槽、時期、證明訊息、獎勵、懲罰及共識邏輯。

然而，在早期階段，它不會執行 Ethereum 智能合約或處理一般主網交易。

Ethereum 信標鏈頁面將其描述為一條空區塊鏈，直到它開始接收執行用戶端傳來的交易資料。

這種分離讓 Ethereum 開發者與質押者能在實際環境中測試權益證明，而不必立即取代原有的工作量證明網路。

驗證者可以存入 ETH、啟用驗證者軟體，並參與信標鏈共識。

同一時間，Ethereum 使用者仍照常使用主網。

這種分階段做法降低了風險，因為 Ethereum 不必一次完成整套共識系統的轉換。

因此，信標鏈既是實際運作的網路，也是為 The Merge 長期預作準備的共識層。

The Merge 之後的信標鏈

The Merge 之後，信標鏈成為 Ethereum 的共識層。

原有的 Ethereum 主網則成為執行層。

從權益證明共識的角度來看，共識層負責判定哪些區塊有效。

執行層負責處理交易、智能合約、帳戶餘額、Ethereum Virtual Machine 執行及狀態變更。

信標鏈頁面說明，The Merge 發生後，Ethereum 不再是兩條分開的區塊鏈。

Ethereum 成為一個權益證明網路，並由兩個主要軟體層組成。

這代表 The Merge 並未產生另一種「新 ETH」或「舊 ETH」。

Merge 文件提醒使用者，ETH 仍然是 ETH；若有人聲稱 The Merge 之後需要升級資金，這可能是詐騙警訊。

信標鏈目前負責區塊傳播、共識邏輯、分叉選擇、驗證者職責、獎勵及懲罰。

執行層負責交易執行及 Ethereum 狀態。

兩個層共同運作，構成現代 Ethereum。

共識層

共識層是 Ethereum 中負責協調權益證明共識的部分。

這是信標鏈在現代 Ethereum 中的角色。

共識層讓 Ethereum 節點對鏈的最新區塊保持一致。

它會追蹤驗證者及其有效餘額。

它將驗證者職責安排在時槽與時期中。

它會處理對區塊及檢查點投票的證明訊息。

它會根據驗證者行為執行獎勵與懲罰。

它也透過 Ethereum 的權益證明共識設計支援最終確定性。

官方Ethereum 節點架構文件說明，共識用戶端負責處理讓節點與 Ethereum 權益證明網路保持同步的邏輯。

這類共識用戶端通常稱為 Beacon Node。

即使沒有驗證者，Beacon Node 仍可追蹤區塊鏈；驗證者用戶端則會加入質押職責。

執行層

執行層是 Ethereum 中負責處理交易及維護 Ethereum 狀態的部分。

它包含帳戶餘額、智能合約程式碼、代幣活動、應用程式邏輯及 Ethereum Virtual Machine 執行。

The Merge 之前，Ethereum 執行用戶端將這些執行邏輯與工作量證明共識結合在一起。

The Merge 之後，執行用戶端必須與共識用戶端協同運作。

節點架構文件指出，一個 Ethereum 節點由執行用戶端與共識用戶端組成。

執行用戶端負責驗證並執行交易；共識用戶端則處理權益證明鏈的成長及分叉選擇。

驗證者獲選提議區塊時，共識用戶端會向執行用戶端請求執行負載。

執行用戶端會建立或驗證交易負載。

接著，共識用戶端會將該負載與共識資料封裝在一起，並向 Ethereum 網路廣播區塊。

這種分離，是 The Merge 帶來的最重要架構變革之一。

Engine API

Engine API 是 Ethereum 共識用戶端與執行用戶端之間的通訊介面。

The Merge 之後，節點若只運行軟體堆疊其中一側，便無法正常運作。

共識用戶端與執行用戶端必須交換區塊資料、負載資料、驗證結果及鏈頭資訊。

信標鏈頁面指出，共識層與執行層透過 Engine API 通訊。

到了提議區塊的時機，共識用戶端可透過這個介面請求執行負載。

執行用戶端也能透過此介面確認提議的負載是否符合 Ethereum 執行規則。

對節點營運者而言，Engine API 很重要，因為兩種用戶端必須正確連線並完成驗證。

Merge 文件指出，The Merge 之後，節點營運者必須同時運行共識用戶端與執行用戶端。

如果兩個用戶端未正確連線，節點可能無法正確追蹤 Ethereum。

因此，驗證者營運需要兼具區塊鏈知識與嚴謹的系統管理能力。

驗證者

驗證者是 The Merge 之後負責保護 Ethereum 的參與者。

官方Ethereum 權益證明文件說明，驗證者會質押 ETH，負責檢查新區塊，有時也會建立新區塊。

使用者若要成為驗證者，傳統上須向 Ethereum 存款合約存入 32 ETH，並運行驗證者軟體。

啟用後，驗證者會收到信標鏈分派的職責。

這些職責可能包括提議區塊、對區塊進行證明、參與同步委員會，以及協助確定檢查點。

驗證者本身不等同於完整節點。

完整節點會追蹤並驗證 Ethereum；驗證者則會主動參與權益證明共識。

節點架構文件指出，若節點要提議新區塊，除了執行用戶端及共識用戶端，也必須運行驗證者用戶端。

驗證者正確參與時可以獲得 ETH 獎勵。

若未履行職責或有不誠實行為，也可能因懲罰或削減質押資產而損失 ETH。

質押

質押是鎖定 ETH，以啟用 Ethereum 權益證明系統中的驗證者職責。

質押取代了挖礦，成為 Ethereum 的區塊產生安全機制。

信標鏈先將質押機制引入 Ethereum，之後質押才開始保護主網執行資料。

實際上，質押需要投入資金並運行軟體。

驗證者質押的 ETH 會作為抵押品。

驗證者行為正確時，可以獲得獎勵。

驗證者行為不當時，可能受到懲罰。

如果驗證者犯下可能遭削減質押資產的違規行為，部分質押資產可能遭銷毀。

這會形成加密經濟安全機制，讓攻擊網路的成本變得高昂。

因此，質押不只是賺取收益的方法。

它也是 Ethereum 取代工作量證明挖礦後所採用的安全機制。

時槽與時期

信標鏈以時槽與時期為單位劃分時間。

權益證明文件指出，Ethereum 的時間由 12 秒時槽及每期 32 個時槽組成。

時槽是短暫的時間區間，系統會在其中隨機選出一名驗證者提議區塊。

若獲選驗證者在線且正常運作，就可以在該時槽提議區塊。

如果驗證者離線或運作失常，該時槽可能會錯過。

一個時期由 32 個時槽組成。

時期很重要，因為驗證者分派、證明訊息、檢查點合理化、最終確定性、獎勵及懲罰都以時期為單位安排。

這種固定時程取代了工作量證明挖礦中不固定的區塊產生時間。

時槽與時期構成 Ethereum 權益證明共識層的運作節奏。

對使用者而言，這套時間安排有助於理解 Ethereum 區塊為何定期出現，以及為何最終確定性需要超過一個區塊的時間。

區塊提議

區塊提議是指獲選驗證者建立並廣播新的 Ethereum 區塊。

共識機制文件說明，每個時槽都會隨機選出一名驗證者擔任區塊提議者。

提議者的共識用戶端會向配對的執行用戶端請求一組交易。

這組交易會成為執行負載。

驗證者會將執行負載與共識資訊封裝在一起。

之後，區塊會傳送給其他 Ethereum 節點。

其他驗證者會檢查區塊，並在認同時送出證明訊息。

正確履行職責的驗證者可獲得區塊提議獎勵。

錯過區塊提議可能降低驗證者獎勵。

若惡意提議違反共識規則，可能面臨削減質押資產的風險。

區塊提議是新的 Ethereum 區塊加入區塊鏈的時刻。

證明訊息（Attestations）

證明訊息是 Ethereum 權益證明共識中的驗證者投票。

驗證者檢查區塊並投票支持其認為正確的鏈頭與檢查點狀態時，就會送出證明訊息。

權益證明文件指出，驗證者會送出稱為證明訊息的投票，以支持有效區塊。

證明訊息有助於 Ethereum 判定哪條鏈的權重最高。

它們也協助 Ethereum 將檢查點合理化並確定其最終狀態。

大多數驗證者職責是送出證明訊息，而非提議區塊。

這是因為每個時槽只有一名驗證者負責提議區塊，但每期會有許多驗證者送出證明訊息。

證明訊息必須即時且正確，驗證者才能取得完整獎勵。

延遲、遺漏或錯誤的證明訊息可能降低獎勵。

若相互矛盾的證明訊息違反協議規則，可能導致質押資產遭削減。

信標鏈高度依賴處理證明訊息，因為它們是 Ethereum 權益證明的投票機制。

分叉選擇

分叉選擇是指在可能存在多個區塊時，決定 Ethereum 節點應追蹤哪個鏈頭的規則。

在工作量證明系統中，鏈的選擇通常取決於累積工作量。

在 Ethereum 權益證明中，鏈的選擇取決於依質押 ETH 加權的驗證者投票。

共識機制文件指出，Ethereum 使用分叉選擇演算法，衡量驗證者證明訊息的權重。

Ethereum 的權益證明共識通常稱為 Gasper。

Gasper 結合了 LMD-GHOST 分叉選擇機制及 Casper FFG 最終確定邏輯。

分叉選擇規則很重要，因為網路節點可能暫時以不同順序收到區塊資訊。

當區塊提議者錯過時槽，或網路延遲造成不同節點觀點不一時，分叉選擇規則也很重要。

分叉選擇機制讓節點能逐漸收斂至同一條規範鏈頭。

如果沒有健全的分叉選擇規則，驗證者與使用者可能無法就 Ethereum 的目前狀態取得共識。

最終確定性

最終確定性是指某個區塊一旦被網路最終確定，就極難被逆轉。