金色硬核｜全面了解以太坊2.0技術關鍵：可擴展性_以太坊

隨著存入以太坊2.0存款合約中的ETH在11月24日達到524288枚的閾值，基本可以確定，以太坊2.0的信標鏈將如約在2020年12月1月啟動。

這也意味著以太坊將要在layer1層正式走向PoS和擴容之路。未來以太坊上的去中心化應用可能不用再忍受2020年夏天DeFi熱潮中經歷的高昂Gas費之苦。

擴容對以太坊來說十分關鍵，因為以太坊的愿景是作為一個任何人都可參與的、全球性的、去中心化應用公共開源平臺。要成為下一代互聯網的基礎設施，滿足互聯網主流人群需求，擴容是其必然選擇。

Vitalik Buterin對以太坊的期許是成為世界計算機，但是以太坊1.0采用的是PoW共識機制，其TPS僅約15左右，根本無法承擔世界計算機的重任。

Vitalik Buterin曾言：“以太坊1.0是幾個人為建立世界計算機而作的不懈嘗試；以太坊2.0將最終實際成為世界計算機。”

回顧以太坊歷史，2014年1月Vitalik發布以太坊白皮書，2015年7月以太坊1.0主網創世。

但在Vitalik發布以太坊白皮書的同一月，他就發表了一篇PoS共識算法Slasher的博客，已經在嚴肅探討以太坊未來從PoW轉向PoS。

在以太坊主網還未上線的2015年3月，以太坊社區已經規劃好太坊未來的技術路徑分為是個階段：前沿（Frontier），家園（Homestead），大都會（Metropolis）和寧靜（Serenity），并達成共識，在寧靜（Serenity）階段從PoW轉向PoS。為驅動礦工由PoW向PoS轉變，以太坊1.0區塊鏈網絡還故意設置了“難度炸彈”。

2015年Vitalik和以太坊開發社區開始嘗試隨機采樣（Random Sampling）方式，這對分片技術應用在鏈上是一個突破。2017年完成了數據可用性證明的突破，證明分片是可行的擴容方案。

完全可以說，以太坊2.0才是Vitalik心中真正的以太坊。

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盡管在具體技術路徑上，Vitalik也在不斷改進看法。比如近期Vitalik表示，以太坊（1.0和2.0）近期和中期的擴容戰略以Rollup為中心。

先回顧一下以太坊2.0的路線圖。

如上文所述，自以太坊啟動就計劃了四個發展階段：前沿（Frontier），家園（Homestead），大都會（Metropolis,）和寧靜（Serenity）。

寧靜（Serenity）即為以太坊2.0的階段，其最大的變化是從PoW（工作量證明）到PoS（權益證明）的完全過渡。為這個改變，以太坊2.0至少要分為三個階段：Phase 0：信標鏈（Beacon Chains）；Phase 1：分片鏈（Shard Chains）；Phase 2：跨分片轉賬、合約調用、eWASM取代以太坊虛擬機（EVM）等；每個階段都將以不同的方式改善以太坊的性能。

Phase 0：以太坊2.0的第一階段，將實施“信標鏈”（Beacon Chains）。信標鏈存儲和管理驗證節點的注冊，并將實施以太坊2.0的權益證明（PoS）共識機制。以太坊1.0的PoW鏈將與新的以太坊PoS鏈一起運行，以確保數據連續性。以太坊2.0的階段第0將于2020年啟動，預計在7月份

Phas1：以太坊2.0的第二階段可能會在2021年推出。階段1的主要改進是集成分片鏈（Shard Chains）。分片鏈是一種擴容機制，其中以太坊區塊鏈被“拆分”為64個不同的鏈，從而允許并行交易、存儲和信息處理。按最保守的估計，它的吞吐量將達到以太坊1.0的64倍 。

Phas2：以太坊2.0的第三階段可能會在2021或2022年啟動。與階段0和階段1相比，階段2的定義尚不明確，但會涉及增加以太坊賬戶并啟用轉賬和提款，實施跨分片轉賬和合約調用，構建執行環境，以便可以在Ethereum 2.0之上構建可擴展的應用程序，并將Ethereum 1.0鏈引入Ethereum 2.0，并最終關閉工作量證明。

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以太坊2.0信標鏈主網上線，標志著以太坊2.0正式啟動。

什么是以太坊2.0？以太坊2.0，也稱為Eth2或“Serenity”，是計劃中以太坊區塊鏈的第四個階段，也是一次徹底的重新設計，共識機制將從PoW（工作量證明）轉向到PoS（權益證明）。以太坊規劃中的四個階段為：前沿（Frontier），家園（Homestead），大都會（Metropolis）和寧靜（Serenity）。

以太坊1.0和以太坊2.0有什么區別？以太坊2.0將引入以太坊1.0中不存在的兩項主要改進：權益證明（PoS）和分片鏈（Shard Chains）。以太坊1.0的共識機制為工作量證明（PoW）。PoW依靠礦工利用電力驅動物理礦機計算來產生以太坊區塊鏈。而PoS不依賴于礦工和電力，而是依賴于驗證節點（虛擬礦工）和ETH存幣來產生區塊。分片鏈是一種擴容機制，可以極大地提高以太坊區塊鏈的吞吐量。分片鏈將把以太坊區塊鏈“拆分”，將數據處理職責分配給許多節點。這允許并行地處理交易。每個分片鏈就像添加了一個車道，將以太坊從單車道升級為多車道高速公路。分片鏈有望在以太坊2.0的階段1推出。

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以太坊1.0會發生什么？按照計劃，在以太坊2.0第1階段啟動時，以太坊1.0成為以太坊2.0的第一個分片。在此之前，以太坊1.0將繼續保持現狀。

會有以太坊2.0代幣嗎？沒有新的ETH代幣。

如何參與以太坊2.0的staking？ETH持有者可以通過兩種方式參與以太坊2.0的staking并獲得獎勵。1、ETH持有者可以抵押32個ETH來運行自己的驗證節點，它需要將32個ETH存入以太坊1.0上的存幣合約（Deposit Contracts）。此過程是不可逆的。運行自己的驗證節點意味著你有驗證和組織區塊的責任，如果失責可能會導致ETH的損失。2、ETH持有者通過staking服務提供商或者加入staking礦池抵押ETH，任何人都可以按比例獲得staking獎勵。

成為以太坊2.0驗證節點有什么風險？成為驗證節點的好處是可以獲得ETH獎勵。但以太坊2.0上有“懲罰”機制，因此存在抵押的ETH損失的風險。驗證節點可能會損失ETH的第一種方法是掉線，無法正確執行職責。這產生相對溫和的懲罰，與可能獲得的獎勵大致相同。驗證節點可能損失資金的另一種方法是發布矛盾信息。在這種情況下，驗證節點被大幅懲罰并從系統中驅除。懲罰的金額在1 ETH至全部抵押之間，詳細懲罰取決于具體因素

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啟動信標鏈需要多少ETH？為啟動信標鏈，將至少需要16384個驗證節點，相當于抵押52.4288萬個以太坊。信標鏈達到創始閾值，才開始分配獎勵。

當前持有的ETH怎么辦？你當前持有的ETH不需要做任何操作。它在以太坊1.0鏈上繼續完全可用。在某個時候，以太坊1.0鏈將成為以太坊2.0的一部分，并且持有的ETH將像現在一樣繼續運行，無需執行任何操作。對那些想要參與抵押的人，可以通過將持有的ETH存入以太坊1.0鏈上的存幣合約（Deposit Contracts）中，選擇成為以太坊2.0信標鏈上的驗證節點。然后，它成為以太坊2.0信標鏈上的驗證節點余額。此過程是不可逆的。在階段0期間，這些EHT無法動用，驗證節點將不得不等到階段2才能把這些ETH提取到特定的分片，那時抵押的ETH及所產生的獎勵才能在以太坊2.0中完全可用。

誰在開發以太坊2.0？開發以太坊2.0的工作主要由以太坊基金會研究團隊領導和協調，開發者大約有數百人。Ethereum 2.0規范在以太坊基金會Github頁面上維護。目前有9個獨立團隊正在以各種不同的編程語言針對不同的用例構建以太坊2.0客戶端。這9個團隊分別是ChainSafe Systems、PegaSys、Parity Technologies、Prysmatic Labs、Sigma Prime、Status、Trinity、Nethermind、Harmony。

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人們為什么抵押ETH2.0參與信標鏈主網啟動？最重要的原因之一就是預期可以獲得相對低風險的穩定收益。如果剛好只有524,288ETH的存入，那么，其APR收益可以達到21.6%；如果參與質押的ETH達到2,450,000，其收益率也能達到10%；即便是鎖定的ETH高達10,000,000，其APR收益也可以到4.9%，遠高于其他DeFi協議的ETH存儲收益。這里的APR是用ETH計算，而隨著ETH價格增長，其實際APY可能更高，這會激勵更多人質押ETH。

信標鏈使用POS共識算法，其是以太坊2.0的基礎架構。在以太坊2.0的第二階段，分片鏈將在信標鏈的幫助下運作。

信標鏈的工作方式是，為每個分片隨機分配不同的驗證者，以發布區塊，同時還為每個分片鏈分配一個委員會。該委員會的職責是對分片鏈驗證者產生的區塊進行投票。

分片鏈的區塊需要一半以上的委員會成員同意。分片鏈還可以使用信標鏈來完成跨分片的操作。信標鏈啟動后將與以太坊1.0鏈并行運行，在此期間并將依賴以太坊1.0鏈的狀態。

信標鏈使用PoS算法。在PoS算法中，每個礦工產生區塊的概率與礦工的權益成正比。但是，信標鏈中的每個礦工實際上都具有相同的權利。

每個礦工只能向信標鏈抵押32個ETH。要成為信標鏈驗證者，您需要將交易發送至以太坊1.0上的存幣合約（Deposit Contracts），這要求您擁有32個ETH。以太坊1.0上的存幣合約（Deposit Contracts）的公開方法（public method）有兩個參數：

Pubkey，信標鏈中驗證者的簽名公鑰

Withdrawal_credentials，用于以后取回抵押的ETH

成功調用存幣合約后，合約返回一個日志事件（log event），信標鏈將自動被告知以太坊1.0鏈上的事件。

信標鏈會將新添加的驗證者標記為“等待驗證者”（Pending Validators）。一段時間后，他們將成為活躍驗證者（Active Validators），這意味著他們可以參與區塊生成。

信標鏈將對長期不活動的或壞的驗證者進行處罰。當驗證者的權益減少到16ETH時，他們將無法參與POS協議的運作。最后，信標將排除權益低于16ETH的驗證者。

信標鏈區塊需要維護以下信息：

登記驗證者

等待驗證者，這些帳戶將添加到驗證者列表中

活躍驗證者，這些賬戶已添加到驗證者列表中

退出驗證者，這些帳戶離開驗證者列表

輪詢信息

驗證者投票

隨機數，用于隨機選擇提案人和委員會

提案人選擇

在提交區塊之前，需要選擇驗證者作為提案人。以太坊1.0中提交下一個區塊的權力取決于礦工的算力。如果礦工的處理能力很大，則該礦工有很大可能被選為下一個區塊的生產者。

在以太坊2.0中，產塊節點的選擇基于隨機數；在區塊鏈系統中很難生成高質量的隨機數。但是，POS協議要求隨機數的源是分布式的，可驗證的，不可預測的和不可替代的。

使用隨機數從一組驗證者中選擇提案人，使驗證者無法知道誰被選中。這樣可以防止它們合謀發起攻擊。

在信標鏈中每6秒生成一個區塊。這6秒也稱為時間槽間隔期（slot gaps）。在每個間隔期間，選定的提案人從信標鏈的先前區塊的驗證者那里收集所有選票，并使用它們形成一個新區塊。

委員會

在將提案人提議的區塊輸入信標鏈的主鏈之前，需要對其進行投票。

委員會可以對提案人提議的區塊進行表決，通過表決的區塊可以收到最終確認。理想情況下，如果可以快速收集選票，則委員會中的成員最好都是系統中的活躍驗證者。

主鏈選擇規則

在以太坊中，最長鏈由算力決定，而以太坊2.0的信標鏈則使用POS算法。因此，將需要一套不同的規則來確定每個人都需要遵循的分叉鏈（注：即主鏈）。信標鏈通過使用LMD GHOST（Latest Message Driven GHOST）來解決此問題。此方法涉及一種基于消息或換句話說通過投票運行的算法。一般來說，票數最高的分叉鏈將被視為主鏈。

笑臉代表投票信息。每個區塊中的數字代表投票總數，即該區塊的權重。

在上圖中，盡管頂部鏈是最長鏈，但綠色鏈是主鏈。

分片鏈是以太坊2.0網絡未來可擴展性的核心特征。

分片是指將數據庫中多個節點（例如去中心化數據庫或其他類型的數據庫）的數據處理職責分開，從而允許同時進行交易、存儲和信息的處理。

分片的概念與當前以太坊1.0的模型有很大不同，后者需要所有全節點來處理和驗證每個交易。

信標鏈將監視分片鏈的運行。

驗證者抵押32個ETH后，將其隨機分配給某個分片鏈以進行驗證（此處的隨機性可確保驗證者的分配路徑不可預測，否則將面臨被操縱的風險）。

eWASM

在第二階段，隨著新虛擬機eWASM（以太坊版WebAssembly）的引入，分片鏈將從相當基本的數據標記形式演變為完全的交易鏈，從而承擔起擴展以太坊網絡的職責。

為了維持區塊鏈生態系統的正常運行，節點必須在虛擬機中執行交易和智能合約。以太坊1.0的虛擬機為EVM。切換到以太坊2.0后，以太坊網絡的虛擬機將升級到eWASM，這是一個基于WebAssembly的虛擬機。按萬維網聯盟（W3C）的標準WebAssembly是開源的。

由于WASM支持多種編程語言，因此eWASM可以讓任何語言編寫的智能合約都能運行在以太坊上。與Ethereum 1.0的EVM相比，EVM僅允許以Solidity編程語言編寫的智能合約運行在以太坊上。

ETH 1.x是以太坊1.0系列升級的代號，因為以太坊2.0全面啟動需要2-3年，這意味著當前的以太坊仍將繼續運行。階段0的信標鏈和階段1的分片鏈將在1-2年內完成。將于階段2實施的eWASM將于2022年某個時候完成。

以太坊2.0將被部署為獨立的區塊鏈，因此它不會取代以太坊1.0，這意味著以太坊1.0的區塊鏈需要在未來5至10年內保持持續發展。

以太坊1.x的開發者仍將繼續優化以太坊性能，尤其是在layer 2協議上擴容。

比如Optimism團隊近期宣布啟動Optimism的第一階段測試網，同時宣布了邁向主網上線的路線圖。Optimism并不是唯一正在實現optimisitic rollup的團隊，Fuel的rollup也在向測試網邁進，Arbitrum也在做一個rollup。Loopring、zkSync 實現的基于zk-rollup的rollup方案已經上線，基于Starkware技術的Deversifi也已經上線。plasma方案的OMG的主網測試版上線。

參考資料：

slasher：a punitive proof-of-stake algorithm

ethereum launch process

ethereum 2.0：the road to being the worlds computer

Tags：以太坊ETH區塊鏈POSrly幣為什么要關閉以太坊側鏈ETHMAXY區塊鏈的三個基本特征BitcoinPoS

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