春节荐读 | 全面了解以太坊2.0技术关键：可扩展性

扩容对以太坊来说十分关键，因为以太坊的愿景是作为一个任何人都可参与的、全球性的、去中心化应用公共开源平台。要成为下一代互联网的基础设施，满足互联网主流人群需求，扩容是其必然选择。

Vitalik Buterin对以太坊的期许是成为世界计算机，但是以太坊1.0采用的是PoW共识机制，其TPS仅约15左右，根本无法承担世界计算机的重任。

Vitalik Buterin曾言：“以太坊1.0是几个人为建立世界计算机而作的不懈尝试；以太坊2.0将最终实际成为世界计算机。”

回顾以太坊历史，2014年1月Vitalik发布以太坊白皮书，2015年7月以太坊1.0主网创世。

但在Vitalik发布以太坊白皮书的同一月，他就发表了一篇PoS共识算法Slasher的博客，已经在严肃探讨以太坊未来从PoW转向PoS。

在以太坊主网还未上线的2015年3月，以太坊社区已经规划好太坊未来的技术路径分为是个阶段：前沿（Frontier），家园（Homestead），大都会（Metropolis）和宁静（Serenity），并达成共识，在宁静（Serenity）阶段从PoW转向PoS。为驱动矿工由PoW向PoS转变，以太坊1.0区块链网络还故意设置了“难度炸弹”。

2015年Vitalik和以太坊开发社区开始尝试随机采样（Random Sampling）方式，这对分片技术应用在链上是一个突破。2017年完成了数据可用性证明的突破，证明分片是可行的扩容方案。

完全可以说，以太坊2.0才是Vitalik心中真正的以太坊。

尽管在具体技术路径上，Vitalik也在不断改进看法。比如近期Vitalik表示，以太坊（1.0和2.0）近期和中期的扩容战略以Rollup为中心。

先回顾一下以太坊2.0的路线图。

如上文所述，自以太坊启动就计划了四个发展阶段：前沿（Frontier），家园（Homestead），大都会（Metropolis,）和宁静（Serenity）。

宁静（Serenity）即为以太坊2.0的阶段，其最大的变化是从PoW（工作量证明）到PoS（权益证明）的完全过渡。为这个改变，以太坊2.0至少要分为三个阶段：Phase 0：信标链（Beacon Chains）；Phase 1：分片链（Shard Chains）；Phase 2：跨分片转账、合约调用、eWASM取代以太坊虚拟机（EVM）等；每个阶段都将以不同的方式改善以太坊的性能。

Phase 0：以太坊2.0的第一阶段，将实施“信标链”（Beacon Chains）。信标链存储和管理验证节点的注册，并将实施以太坊2.0的权益证明（PoS）共识机制。以太坊1.0的PoW链将与新的以太坊PoS链一起运行，以确保数据连续性。以太坊2.0的阶段第0将于2020年启动，预计在7月份

Phas1：以太坊2.0的第二阶段可能会在2021年推出。阶段1的主要改进是集成分片链（Shard Chains）。分片链是一种扩容机制，其中以太坊区块链被“拆分”为64个不同的链，从而允许并行交易、存储和信息处理。按最保守的估计，它的吞吐量将达到以太坊1.0的64倍 。

Phas2：以太坊2.0的第三阶段可能会在2021或2022年启动。与阶段0和阶段1相比，阶段2的定义尚不明确，但会涉及增加以太坊账户并启用转账和提款，实施跨分片转账和合约调用，构建执行环境，以便可以在Ethereum 2.0之上构建可扩展的应用程序，并将Ethereum 1.0链引入Ethereum 2.0，并最终关闭工作量证明。

以太坊2.0信标链主网上线，标志着以太坊2.0正式启动。

什么是以太坊2.0？以太坊2.0，也称为Eth2或“Serenity”，是计划中以太坊区块链的第四个阶段，也是一次彻底的重新设计，共识机制将从PoW（工作量证明）转向到PoS（权益证明）。以太坊规划中的四个阶段为：前沿（Frontier），家园（Homestead），大都会（Metropolis）和宁静（Serenity）。

以太坊1.0和以太坊2.0有什么区别？以太坊2.0将引入以太坊1.0中不存在的两项主要改进：权益证明（PoS）和分片链（Shard Chains）。以太坊1.0的共识机制为工作量证明（PoW）。PoW依靠矿工利用电力驱动物理矿机计算来产生以太坊区块链。而PoS不依赖于矿工和电力，而是依赖于验证节点（虚拟矿工）和ETH存币来产生区块。分片链是一种扩容机制，可以极大地提高以太坊区块链的吞吐量。分片链将把以太坊区块链“拆分”，将数据处理职责分配给许多节点。这允许并行地处理交易。每个分片链就像添加了一个车道，将以太坊从单车道升级为多车道高速公路。分片链有望在以太坊2.0的阶段1推出。

以太坊1.0会发生什么？按照计划，在以太坊2.0第1阶段启动时，以太坊1.0成为以太坊2.0的第一个分片。在此之前，以太坊1.0将继续保持现状。

会有以太坊2.0代币吗？没有新的ETH代币。

如何参与以太坊2.0的staking？ETH持有者可以通过两种方式参与以太坊2.0的staking并获得奖励。1、ETH持有者可以抵押32个ETH来运行自己的验证节点，它需要将32个ETH存入以太坊1.0上的存币合约（Deposit Contracts）。此过程是不可逆的。运行自己的验证节点意味着你有验证和组织区块的责任，如果失责可能会导致ETH的损失。2、ETH持有者通过staking服务提供商或者加入staking矿池抵押ETH，任何人都可以按比例获得staking奖励。

成为以太坊2.0验证节点有什么风险？成为验证节点的好处是可以获得ETH奖励。但以太坊2.0上有“惩罚”机制，因此存在抵押的ETH损失的风险。验证节点可能会损失ETH的第一种方法是掉线，无法正确执行职责。这产生相对温和的惩罚，与可能获得的奖励大致相同。验证节点可能损失资金的另一种方法是发布矛盾信息。在这种情况下，验证节点被大幅惩罚并从系统中驱除。惩罚的金额在1 ETH至全部抵押之间，详细惩罚取决于具体因素

启动信标链需要多少ETH？为启动信标链，将至少需要16384个验证节点，相当于抵押52.4288万个以太坊。信标链达到创始阈值，才开始分配奖励。

当前持有的ETH怎么办？你当前持有的ETH不需要做任何操作。它在以太坊1.0链上继续完全可用。在某个时候，以太坊1.0链将成为以太坊2.0的一部分，并且持有的ETH将像现在一样继续运行，无需执行任何操作。对那些想要参与抵押的人，可以通过将持有的ETH存入以太坊1.0链上的存币合约（Deposit Contracts）中，选择成为以太坊2.0信标链上的验证节点。然后，它成为以太坊2.0信标链上的验证节点余额。此过程是不可逆的。在阶段0期间，这些EHT无法动用，验证节点将不得不等到阶段2才能把这些ETH提取到特定的分片，那时抵押的ETH及所产生的奖励才能在以太坊2.0中完全可用。

谁在开发以太坊2.0？开发以太坊2.0的工作主要由以太坊基金会研究团队领导和协调，开发者大约有数百人。Ethereum 2.0规范在以太坊基金会Github页面上维护。目前有9个独立团队正在以各种不同的编程语言针对不同的用例构建以太坊2.0客户端。这9个团队分别是ChainSafe Systems、PegaSys、Parity Technologies、Prysmatic Labs、Sigma Prime、Status、Trinity、Nethermind、Harmony。

人们为什么抵押ETH2.0参与信标链主网启动？最重要的原因之一就是预期可以获得相对低风险的稳定收益。如果刚好只有524,288ETH的存入，那么，其APR收益可以达到21.6%；如果参与质押的ETH达到2,450,000，其收益率也能达到10%；即便是锁定的ETH高达10,000,000，其APR收益也可以到4.9%，远高于其他DeFi协议的ETH存储收益。这里的APR是用ETH计算，而随着ETH价格增长，其实际APY可能更高，这会激励更多人质押ETH。

信标链使用POS共识算法，其是以太坊2.0的基础架构。在以太坊2.0的第二阶段，分片链将在信标链的帮助下运作。

信标链的工作方式是，为每个分片随机分配不同的验证者，以发布区块，同时还为每个分片链分配一个委员会。该委员会的职责是对分片链验证者产生的区块进行投票。

分片链的区块需要一半以上的委员会成员同意。分片链还可以使用信标链来完成跨分片的操作。信标链启动后将与以太坊1.0链并行运行，在此期间并将依赖以太坊1.0链的状态。

信标链使用PoS算法。在PoS算法中，每个矿工产生区块的概率与矿工的权益成正比。但是，信标链中的每个矿工实际上都具有相同的权利。

每个矿工只能向信标链抵押32个ETH。要成为信标链验证者，您需要将交易发送至以太坊1.0上的存币合约（Deposit Contracts），这要求您拥有32个ETH。以太坊1.0上的存币合约（Deposit Contracts）的公开方法（public method）有两个参数：

Pubkey，信标链中验证者的签名公钥

Withdrawal_credentials，用于以后取回抵押的ETH

成功调用存币合约后，合约返回一个日志事件（log event），信标链将自动被告知以太坊1.0链上的事件。

信标链会将新添加的验证者标记为“等待验证者”（Pending Validators）。一段时间后，他们将成为活跃验证者（Active Validators），这意味着他们可以参与区块生成。

信标链将对长期不活动的或坏的验证者进行处罚。当验证者的权益减少到16ETH时，他们将无法参与POS协议的运作。最后，信标将排除权益低于16ETH的验证者。

信标链区块需要维护以下信息：

登记验证者

等待验证者，这些帐户将添加到验证者列表中

活跃验证者，这些账户已添加到验证者列表中

退出验证者，这些帐户离开验证者列表

轮询信息

验证者投票

随机数，用于随机选择提案人和委员会

提案人选择

在提交区块之前，需要选择验证者作为提案人。以太坊1.0中提交下一个区块的权力取决于矿工的算力。如果矿工的处理能力很大，则该矿工有很大可能被选为下一个区块的生产者。

在以太坊2.0中，产块节点的选择基于随机数；在区块链系统中很难生成高质量的随机数。但是，POS协议要求随机数的源是分布式的，可验证的，不可预测的和不可替代的。

使用随机数从一组验证者中选择提案人，使验证者无法知道谁被选中。这样可以防止它们合谋发起攻击。

在信标链中每6秒生成一个区块。这6秒也称为时间槽间隔期（slot gaps）。在每个间隔期间，选定的提案人从信标链的先前区块的验证者那里收集所有选票，并使用它们形成一个新区块。

委员会

在将提案人提议的区块输入信标链的主链之前，需要对其进行投票。

委员会可以对提案人提议的区块进行表决，通过表决的区块可以收到最终确认。理想情况下，如果可以快速收集选票，则委员会中的成员最好都是系统中的活跃验证者。

主链选择规则

在以太坊中，最长链由算力决定，而以太坊2.0的信标链则使用POS算法。因此，将需要一套不同的规则来确定每个人都需要遵循的分叉链（注：即主链）。信标链通过使用LMD GHOST（Latest Message Driven GHOST）来解决此问题。此方法涉及一种基于消息或换句话说通过投票运行的算法。一般来说，票数最高的分叉链将被视为主链。

笑脸代表投票信息。每个区块中的数字代表投票总数，即该区块的权重。

在上图中，尽管顶部链是最长链，但绿色链是主链。

分片链是以太坊2.0网络未来可扩展性的核心特征。

分片是指将数据库中多个节点（例如去中心化数据库或其他类型的数据库）的数据处理职责分开，从而允许同时进行交易、存储和信息的处理。

分片的概念与当前以太坊1.0的模型有很大不同，后者需要所有全节点来处理和验证每个交易。

信标链将监视分片链的运行。

验证者抵押32个ETH后，将其随机分配给某个分片链以进行验证（此处的随机性可确保验证者的分配路径不可预测，否则将面临被操纵的风险）。

eWASM

在第二阶段，随着新虚拟机eWASM（以太坊版WebAssembly）的引入，分片链将从相当基本的数据标记形式演变为完全的交易链，从而承担起扩展以太坊网络的职责。

为了维持区块链生态系统的正常运行，节点必须在虚拟机中执行交易和智能合约。以太坊1.0的虚拟机为EVM。切换到以太坊2.0后，以太坊网络的虚拟机将升级到eWASM，这是一个基于WebAssembly的虚拟机。按万维网联盟（W3C）的标准WebAssembly是开源的。

由于WASM支持多种编程语言，因此eWASM可以让任何语言编写的智能合约都能运行在以太坊上。与Ethereum 1.0的EVM相比，EVM仅允许以Solidity编程语言编写的智能合约运行在以太坊上。

ETH 1.x是以太坊1.0系列升级的代号，因为以太坊2.0全面启动需要2-3年，这意味着当前的以太坊仍将继续运行。阶段0的信标链和阶段1的分片链将在1-2年内完成。将于阶段2实施的eWASM将于2022年某个时候完成。

以太坊2.0将被部署为独立的区块链，因此它不会取代以太坊1.0，这意味着以太坊1.0的区块链需要在未来5至10年内保持持续发展。

以太坊1.x的开发者仍将继续优化以太坊性能，尤其是在layer 2协议上扩容。

比如Optimism团队近期宣布启动Optimism的第一阶段测试网，同时宣布了迈向主网上线的路线图。Optimism并不是唯一正在实现optimisitic rollup的团队，Fuel的rollup也在向测试网迈进，Arbitrum也在做一个rollup。Loopring、zkSync 实现的基于zk-rollup的rollup方案已经上线，基于Starkware技术的Deversifi也已经上线。plasma方案的OMG的主网测试版上线。

参考资料：

slasher：a punitive proof-of-stake algorithm

ethereum launch process

ethereum 2.0：the road to being the worlds computer

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