在上篇文章中，我們介紹了Vitalik原始論文中的Casper FFG，其藉助PoS對PoW產生的區塊進行確認來提高系統的安全性，但這只是一種過渡的方案，在以太坊2.0中會使用一個純PoS的Casper協議，這篇文章中將為大家介紹在以太坊2.0中將要使用的Casper協議。
如何成為Validator
首先我們看看以太坊2.0的架構是什麼樣子，如圖1所示，在以太坊2.0中會有一條稱之為Beacon chain的主鏈，其透過PoS的Casper產生。在beacon chain下，存在1024個分片，每個分片可以獨立地處理資料。
圖1 以太坊2.0架構
從圖1可以看出，以太坊2.0和以太坊1.0將會是兩條鏈，在2.0分片實現之後，1.0將作為以太坊2.0的一個分片繼續執行。在上一篇文章中，我們介紹過可以透過抵押stake成為Validator參與到PoS共識中，為了使以太坊平穩得過度到2.0，如何透過抵押以太坊1.0中的stake成為以太坊2.0中的Validator是Casper需要解決的一個重要問題。
在以太坊2.0中，原有的使用者可以透過抵押以太坊1.0中的ETH成為Validator，參與到2.0的PoS中，並且可以透過贖回操作，在2.0的以太坊中取回代幣。這裡需要注意的是，以太坊1.0和2.0中的代幣並不相同，使用者抵押的是1.0中的ETH（燒燬ETH），贖回的是2.0中的代幣（鑄造新的token）。
使用者想要成為Validator，首先要向以太坊1.0中的一個特殊合約傳送一筆交易抵押一定數量的ETH（目前最小值為32ETH），然後使用者會得到關於這筆交易的一個證明。使用者透過向以太坊2.0展示這個證明，在驗證透過後成為Validator，如圖2所示：
圖2 抵押以太坊1.0中的ETH成為以太坊2.0中的Validator過程
為了驗證使用者抵押交易的正確性，以太坊2.0中需要儲存當前以太坊1.0中的區塊資訊、抵押合約中當前所有交易構成的Merkle的根雜湊，使用者向以太坊2.0展示其抵押交易，以及該抵押交易到完整的Merkle樹的證明，就可以驗證這幣交易的合法性。透過驗證的使用者成為以太坊2.0中的Validator。
以太坊2.0中Capser的出塊過程
在上一篇文章中，我們介紹的Casper是透過PoW進行出塊，使用PoS對區塊進行最終的確定。因此，純PoS的Casper一個需要解決的問題是如何產生區塊。在正式介紹協議過程前，我們先明確幾個定義：
Validators 集合： V = V1 … Vn，假設每個Validator擁有相同的stake；
slot：基本的時間單位，目前設定為6s；
epoch：64個slot組成一個epoch；
隨機數生成器：根據需要產生一個隨機數；
在明確了上述的定義之後我們來進一步描述以太坊2.0中的Capser出塊過程，如圖3所示。
圖3 以太坊2.0中Casper共識過程
1、每一個epoch開始，透過隨機數生成器產生隨機數，將Validator集合V平均分為64份，得到S1、S2，…，S64。
2、在一個epoch中，每一個slot i根據步驟1中產生的隨機數，選取Si中的一個Validator提交一個候選區塊，在slot i中提交候選區塊的Validator寫作proposer_i，提交的候選區塊寫作B_i。
3、對於每一個slot i，Si中除 proposer_i 外的剩餘Validator對 B_i 進行投票，該投票寫作attestation。
4、在每一個slot i中， proposer_i 負責將上一個slot中的attestation資訊打包到當前slot的候選區塊中。即
5、對於每一個slot i，Si中除 proposer_i 外的剩餘Validator在收到了slot i的block（B_i）或等待了3s後，其公佈一個在他看來的當前鏈的頭部。
LMD GHOST（Lastest Message Driven GHOST）
至此，我們介紹了Casper如何進行出塊以及Validator對於候選區塊的投票過程。需要注意的是，上文中提及到Validator需要對在它看來為鏈的頭部進行投票，以太坊2.0使用了一種新的最優鏈選擇演算法來選擇鏈的頭部。
在介紹這種新的最優鏈選擇演算法之前，讓我們回憶一下以太坊1.0的最優鏈選擇演算法——GHOST。GHOST演算法的主要思想是，對於一條區塊鏈因為時間延遲和惡意節點的存在會產生許多的分叉，當發現分叉時，選擇子樹的總Difficulty最大作為最優鏈，如圖4所示：
圖4 GHOST協議
鏈在紅色的點產生分叉，假設每個區塊的Difficulty相同為1，藍色子樹的總Difficulty為8，紫色子樹的總Difficulty為4，因此選擇藍色作為最優鏈上的點。
GHOST協議在在PoW協議中是沒有問題，但是PoS協議天然受到 Lang Range 攻擊的影響，即攻擊者可以透過少量資金購買曾經擁有大量stake但是目前為空的賬戶，回到過去，在過去的位置進行分叉產生大量的非法的區塊，GHOST協議將無法保證系統的安全性。如圖5所示：
圖5：Lang Range 攻擊
攻擊者透過在過去位置產生黃色的區塊，子樹B的總Difficulty為10，紫色區塊將成為最優鏈上的點。雖然在投票前需要抵押token，但是在贖回自己的token後，攻擊者就可以在其還是Validator的epoch中肆意妄為，不擔心token會被罰沒。
因此，為了解決這個問題，以太坊2.0設計了一個新的演算法——LMD GHOST（Lastest Message Driven GHOST）。LMD GHOST的主要思想是，對一條存在分叉的鏈，在找尋鏈的頭部過程中，當其遇到分叉點時，選擇當前epoch中Validator支援多的那棵子樹。協議的主要過程為：
對於一條存在分叉的鏈：
1、H等於創世區塊；
2、M=[M1,…,Mn] 是Validator的最新訊息；
3、選擇M中支援率最多的孩子節點，將其設定為H；
4、重複步驟（2-3）直到沒有孩子節點；
雖然LMD GHOST的使用是為了解決Long Range攻擊，但是筆者認為， 購買曾經的賬戶相當於時光倒流，形成了一個新的平行宇宙，當一個新使用者進入時，面對兩條分叉鏈在不借助額外資訊（checkpoint）的情況下很難判斷哪個是攻擊者構造的鏈，因此LMD GHOST無法徹底抵禦Long Range攻擊。
至此我們已經介紹鏈以太坊2.0中的Casper如何進行出塊，接下來將是最後一個部分，如何對候選區塊進行最終的確認。
區塊確認
在上一篇文章中，我們解釋了justified和finalized的checkpoint，finalized的checkpoint之前的節點被最終確認。概括的說，以太坊2.0中的Casper將每個epoch當成一個checkpoint，attestation對checkpoint進行投票，進而確定checkpoint的justified和finalized狀態，確定justified和finalized的核心邏輯和上文中描述的類似。接下來，來說明一下block如何進入到justified和finalized狀態。
如何 justify block
現在Casper將一個epoch分成64個slot，最後一個slot稱之為epoch_boundary_slot，用它的hash寫作epoch_boundary_hash代表一個epoch，將一個epoch看作一個checkpoint。讓鏈維護一個map，我們叫他justified_hashes，儲存的格式是<slot, hash>。為Validator 的 attestation增加兩個欄位 epoch_boundary_hash（上一個epoch中slot最小的block的hash） 和 latest_justified_hash（epoch_boundary_hash引用區塊中的justified_hash epoch最新的block的hash），只有當attestation中的latest_justified_hash 等於justified_hashes中的slot最新的hash，這個attestation才合法。
鏈會跟蹤最新的justified hash，因此選擇相同epoch_boundary_hash會投票給相同的latest_justified_hash。現在我們來看看在一個 epoch boundary 中，狀態是如何轉變的。假設對於一條鏈，最近的4個 epoch的epoch_boundary_block B1, B2, B3, B4 其中B4是epoch最新的epoch_boundary_block，他們的 slot 寫作 B1_slot, B2_slot, B3_slot, B4_slot, B3_slot = B4_slot - 64, etc。如果有超過2/3的Validator選擇B4作為epoch_boundary_block，那麼把<B4_slot, hash(B4)> 加入justified_hashes。
一個epoch_boundary_block成為justified的條件是超過2/3的Validator在其attestation中epoch_boundary_hash指向該block，當一個block被含在justified_hashes中表示，該block是justified，並且證明該block已經是justified的狀態被記錄到了鏈上。
如何finalize block
在確認了justified的狀態後，下一步需要確定如何讓block進入finalize狀態。
如果B4和B3在justified_hashes中，投票給B4作為epoch_boundary_block的attestation選擇B3作為latest_justified_hash，finalize B3。
如果B4、B3、B2在justified_hashes中，投票給B4作為epoch_boundary_block的attestation選擇B2作為latest_justified_hash，finalize B2。
如果B3、B2、B1在justified_hashes中，投票給B3作為epoch_boundary_block的attestation選擇B1作為latest_justified_hash，finalize B1。
可以類比上一篇文章，Validator的投票為<v, s, t, h(s), h(t)>，可以將epoch_boundary_block看成h(t)，latest_justified_hash看成h(s)，這樣能更方便的理解block的確認過程。
其他的一些小事
為了Casper完整的執行，還有一些小事需要解決，由於篇幅比較短小我們放在一起來說吧。
懲罰條件
為了抵禦noting at stake攻擊，使用者透過抵押token成為Validator進行PoS，當Validator非法操作時，沒收其抵押的token，來防止壞人作惡。Validator的懲罰條件為：
1、同一個Validator不能在相同的epoch中發出兩個不同的attestation。
2、同一個Validator不能發出兩個attestation，他們的 epoch_boundary_block 分別為t1和t2，latest_justified_hash 為s1和s2，且 s1<s2<t2<t1。
這個懲罰條件和上一篇文章中的懲罰條件是相同的。
Validator更換條件
dynasty(B)表示從block B開始到創世區塊之間，finalized epoch的個數。兩個dynasty之間可以更換1/64的Validator。
分叉選擇條件
從最新的finalized block開始，進行LMD GHOST。
