以太坊2.0技術淺析：信標鏈和分片_以太坊

就在剛過去的7月31日，加密貨幣市值第二高的以太坊迎來了5周年生日。隨著以太坊的不斷發展，社會各界對以太坊的關注也在不斷增加，用戶及應用的不斷激增，也使得大家對以太坊2.0的呼聲不斷高漲。

什么是以太坊2.0？

以太坊2.0是計劃中的以太坊替代方案。

隨著DeFi等項目的迅速升溫，以太坊上交易量不斷激增，這使得交易費用不斷攀升，交易時間不斷加大。總的來說，現行的以太坊1.0已經難以滿足用戶的使用需求和發展需求。

今年4月份，信標鏈創建創世區塊，“0階段”正式啟動測試。以太坊2.0網絡啟動協調員DannyRyan也在論壇中初步宣布，以太坊2.0最終測試網預計將于8月初正式啟動測試。這也意味之以太坊2.0已離我們近在咫尺。

以太坊網絡總共銷毀超126萬枚ETH:金色財經報道，據Ultrasound數據顯示，截止目前，以太坊網絡總共銷毀1266478.94枚ETH。其中，OpenSea銷毀132270.65枚ETH，ETHtransfers銷毀123868.79枚ETH，UniswapV2銷毀112053.66枚。

注：自以太坊倫敦升級引入EIP-1559后，以太坊網絡會根據交易需求和區塊大小動態調整每筆交易的BaseFee，而這部分的費用將直接燃燒銷毀。[2021/12/26 8:04:22]

以下是以太坊2.0的設計目的：

以太坊2.0客戶端Lighthouse發布v1.3.0版本:據官方消息，以太坊2.0客戶端Lighthouse開發團隊Sigma?Prime表示，發布Lighthouse v1.3.0版本。該版本包括對信標鏈節點的重要錯誤修復，應將其視為所有質押者的高優先級，應該盡快完成更新。此外，#2306為聚合證明添加了額外的驗證條件，以防止不正確的證明填滿操作池。#2307改進了區塊打包，為質押者帶來更好的區塊獎勵。Sigma?Prime呼吁為了安全和利益請立即更新。[2021/4/14 20:17:37]

圖1

1、使其更加簡潔，哪怕影響一些效率

2、當主要網絡分區以及大部分節點離線時仍能保持存活狀態

以太坊2.0客戶端Prysm已被合并至master:以太坊2.0Serenity的Prysm客戶端已經合并到master，目前支持使用原生go工具和go模塊完全構建、測試和運行該項目。以太坊2.0 Serenity的Prysm客戶端由Prysmatic Labs使用Go語言開發。目前，有7個ETH2.0客戶端正在開發當中，包括以太坊基金會的Trinity、Prysmatic Labs的Prysm，Sigma Prime的Lighthouse、Status的Nimbus、ChainSafe的Lodestar、PegaSys的Teku以及 Nethermind的Cortex。[2020/6/1]

3、選擇可以抵抗量子計算的組件或者使用日后可以替換為抗量子計算的組件

以太坊2.0完成初步審計：協議規范整體良好，僅需微調:Least Authority已經完成了對以太坊2.0的初步審計。以太坊的升級計劃將于2020年7月啟動。以太坊2.0已經對協議規范進行了初步審計。審計方Least Authority的結論是，協議規范結構良好，具有強大的安全措施。但他們建議進一步審查區塊提議者機制和P2P網絡，因為兩者均被發現有攻擊向量。減輕這些危險的建議仍處于積極研究的階段，這意味著幾乎沒有明確的知識體系可供借鑒。以太坊2.0的研究和實施團隊已經承認了這些缺陷。（Crypto Briefing）[2020/3/25]

4、使用加密技術并使驗證者在單位時間里能夠參與更多的出塊

5、使任何消費級個人電腦也可以參與到分片的處理中

為實現這些目標，以太坊2.0采用了信標鏈、分片、POS及eWASM等技術。我們先來看看以太坊2.0完全實現后的樣子，如下圖所示：

圖2

整個以太網2.0分為四層：

1、POW主鏈層：也就是以太坊1.0的單鏈，作為最底層的基礎，在以太坊1.0向2.0過渡階段，會將以太坊1.0中的價值逐漸轉移到信標鏈中，當以太坊2.0過渡完成，可能會作為一條分片鏈，也可能繼續保留，還未有定論。

2、信標鏈層：此層最終將是分片鏈的管理層，負責管理分片鏈，并參與分片鏈之間的互通，在過渡階段也涉及價值轉移等。

3、分片鏈層：64條不同的鏈，與同一條信標鏈進行溝通，存儲數據，運行合約等，每一條鏈都相當于一條以太坊1.0。

4、虛擬機層：eWASM虛擬機，運行智能合約的執行環境，建立于分片上。

以太坊2.0的關鍵技術

鑒于區塊鏈的不可篡改及出現漏洞后影響巨大等特性，以太坊1.0到2.0的過渡期將持續2年左右，并且分階段進行。

階段0：主要實現信標鏈及以太坊1.0中的部分價值轉移。

階段1：主要實現分片，并穩步將區塊鏈1.0上的數字資產轉移到分片中

階段2：主要實現eWASM虛擬機

……

……

由于階段2的具體實現還不清晰，我們主要針對階段0和階段1的技術實現進行簡單分析。

信標鏈和POS

信標鏈就是一條基于POS機制的區塊鏈單鏈。

在實現CasperFFG共識時，定義了“驗證者”和“提案者”兩種角色。一個節點如果想要成為“驗證者”，就需要向以太坊1.0中的一個智能合約抵押至少16ETH，智能合約觸發事件，信標鏈檢測到事件并將地址其加入“驗證者”列表。

信標鏈將“驗證者”隨機分配到分片中進行作業。在進行出塊時，信標鏈從“驗證者”中隨機選出“提案者”，“提案者”提出區塊，由“驗證者”進行驗證。信標鏈會對所有“驗證者”和“提案者”進行監視，如若其誠實的完成作業，就給予獎勵，如果其作惡，就會沒收其抵押的ETH。

在實現信標鏈時，定義了信標鏈上保存的數據時分片鏈上的世界狀態。當分片鏈上的世界狀態發生變化，信標鏈上就會產生新的區塊，只有在信標鏈上被記錄的分片的世界狀態，才是被認可的不可逆的區塊數據，如下圖所示：

圖3

分片

分片就是不同的子區塊鏈。

分片的實現其實是基于地址的。這里我們可以假設：我們將地址為0x00開頭的地址定義為分片1，將地址為0x01開頭的地址定義為分片2.以此類推，我們就可以擁有16*16=256個分片。

當節點1被信標鏈分配到分片1時，那么節點1只會對地址是0x00開頭的地址交易進行打包和交易，對于其他地址開頭的交易，將直接丟棄。這樣就抽象出了不同的分片，整個區塊鏈就被抽象的分割成不同的分片。

以太坊2.0展望

以太坊2.0將會是與以太坊1.0完全不同的系統，可能在未來的幾年就會正式上線運行。我們應該在以太坊2.0正式上線前對它的功能特性進行了解，更好的迎接區塊鏈的新浪潮。

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