BitMEX研報：全面探究以太坊 2.0_以太坊

作者?|?BitMEXResearch

摘要：本文我們重點研究最早將于2020年7月份推出的以太坊2.0。然而，以太坊2.0的推出也許并不能算是一個極為重大的事件。起初以太坊2.0將主要作為

新權益證明共識機制的測試網絡運行。大部分的經濟活動和智能合約仍將保留在原有以太坊網絡上，且原有以太坊網絡將作為以太坊2.0的平行鏈繼續存在。前后版本之間將會有一個單向通道，即以太坊1.0可以轉移至以太坊2.0，但反之則不能實現。鑒于以太坊目前決定通過分片進行擴展，我們相信以太坊一定會經歷一段復雜且較長的過渡期。

概要

以太坊正試圖將其整個數字經濟轉移到一個新的網絡——以太坊2.0上。這種過渡其實是高風險且十分復雜的，并且需要相當長的時間。在我們看來，以太坊推出2.0版本的主要動機是可擴展性。事實證明，以太坊網絡自推出以來就很受歡迎，其網絡上交易量大幅增長。為了讓這種增長勢頭持續下去，全節點運營商和共識代理都需要運行越來越強大的計算機。這最終會導致其越來越中心化，由此可能會降低系統的抗審查特性，若一直延續下去會最終使得網絡變得毫無意義。

面對這個問題，比特幣選擇了鏈下擴容方案，而比特幣現金似乎更愿意假裝這個問題并不存在。但對于以太坊來說，它在面臨該困境的解決方法也越來越明晰——分片。

分片的核心問題在于它意味著以太坊經濟模式的改變。舉例來說，如果說以太坊是一個不可阻擋的單一世界計算機，而將其分解成多個分片的話可能就無法滿足所有用戶的期望。如果分片1上的智能合約想要與分片2上的智能合約進行交互，由于分片之間需要對一系列事件達成共識且做到信息的共享，在這個過程中將會產生很多摩擦，至少與同一分片上的兩個合約進行交互時相比，體驗將是不同的，因此，在某種程度上，以太坊2.0的推出會逐漸瓦解之前所謂“單一世界計算機”的愿景。有些人認為以太坊和分片是對立的概念。但還有人認為以太坊網絡可能正在介入某些利基領域，即如果不同細分用戶對不同類型的應用感興趣的話，那它們之間幾乎就不需要什么交互。在以太坊網絡上，分片也許是具有一定意義的，它能夠保證不同細分用戶在共享同樣的底層以太坊代幣的同時，提高整個網絡的靈活性。

事實上，

分片代表著以太坊的運作方式發生了根本性的變化，這也就解釋了為什么向分片過渡其實是一個超越人們所想而更具顛覆性的變化。現有的智能合約不能簡單地轉移到分片網絡中。新的以太坊網絡意味著原有網絡的智能合約也同樣需要適應新的環境重新構建一次。這種過渡將是一個長期且痛苦的過程。在以太坊2.0的初始階段，它將作為一個平行鏈與以太坊1.0并存，而在未來的某個時候這兩條鏈將重新合二為一。

Bitstamp US CEO：目前的儲量證明方法并不完美:12月21日消息，加密交易平臺Bitstamp USA首席執行官Bobby Zagotta表示，交易所指望“儲備證明”來恢復消費者信心，“儲備證明”是讓客戶更多地了解中心化交易所如何管理客戶資產的重要一步。但他補充說，目前的儲量證明方法“并不完美”，因為“它只是時間的快照”。（The Block）[2022/12/21 21:58:53]

在以太坊還沒有推出之前實際上是計劃采用PoS而不是以PoW作為共識機制的。而由于從PoS向PoW的過渡比預想的更加困難，因此其時間安排也就推遲了。隨著以太坊向新的網絡過渡，以此為契機同時推出PoS是具有一定道理的。以太坊虛擬機將升級到新的版本，此次升級將使得相關技術和對以太坊的監測經驗向前推動超過5年。

過渡期的三個階段

如下圖所示，向以太坊2.0的過渡將分三個階段進行：

單向通道

以太坊2.0推出之后將會有兩個以太坊網絡并行運行。起初，我們可以將以太坊1.0上的代幣兌換為以太坊2.0上的代幣，但反向操作是不可行的。因此理論上，Eth2的交易價格應該小于或等于Eth1的價格。然而，在過渡的早期階段，Eth2甚至不太可能會有價格，或不能得到交易所的支持，因為該幣可能不會被用于除staking之外的其他用途，甚至基本的交易活動都不能實現。

如果要使Eth1轉成Eth2，用戶必須使用Eth1上的存入合約。該合約會本質上銷毀Eth1，且此次銷毀會被當作為發行新Eth2的依據。因此Eth1就基本上被永遠銷毀了。轉為Eth2的代幣會自動進入PoS的驗證器池。正如我們在2018年有關PoS的文章中所解釋的那樣，PoS背后的想法是，歸屬于共識代理的投票與獎勵權重是由用戶存入代幣的數量決定的。在Eth2規范中，每個staking代理需要32個ETH。如果向合約發送超過32個ETH，那么staker也不會從這些額外的幣中獲得收益，如果發送的ETH少于32個ETH，staker就不會激活手中的Eth2。因此，如果要使得Eth1轉為Eth2，應該以32個ETH為一批成批發送，每一批ETH都可以認為是一個獨立的staking代理。

代幣發行

如上文所述，以太坊網絡將有兩個平行系統同時存在。原有以太坊將繼續作為PoW鏈運行，而以太坊2.0將在新的PoS系統下運行。在此期間，共識代理的兩方，即礦工和持股者，都需要激勵。因此以太坊的通脹率會增加，直到兩個系統最終合并。目前來看這可能會被認為是一個缺陷，但為了確保能夠成功過渡到以太坊2.0，它也是值得付出的代價。

全球做市商MBIT將為Pyth Network提供數字資產對實時市場數據:10月25日消息，全球做市商MBIT已與預言機項目Pyth Network合作，將為其提供各種數字資產交易對的機構級實時市場數據，以為加密貨幣市場帶來更大流動性和透明度。[2022/10/25 16:37:48]

至于Eth2的通脹計劃而言，其發行率將取決于參與staking的Eth2的發行量。每年的發行計劃將基于以下算法：

上式中Eth2是轉移到PoS的代幣數量。該公式背后的想法是，Eth1轉入Eth2的數量越多，發行的新幣就越多，然而，可獲得的投資回報率會下降，因為被押注的幣越多，可獲得的投資回報率就會下降。我們可以從下圖中看到通脹率的變化。

上述發行時間表是基于激勵而言的，而激勵應該確保最初有一個很大的動機將代幣轉移到Eth2中并stake。這種轉移的激勵會越來越低，因為如果Eth2已經十分成功，那么Eth1的需求量就會減少。這樣可以確保有足夠的代幣轉移至Eth2，由此以來新網絡的規模就會很大，而如果Eth2的確非常受歡迎的，該種代幣的發行量也不會太高。

當然，隨著所有這些新幣的發行，有些人可能會問這種機制將如何匹配以太坊最初的"永久線性通脹"計劃？

“永久線性供應增長模型降低了一些人如BTC中財富聚集的風險，讓生活在現在和未來的個人有公平的機會獲得數字貨幣，同時也阻止了ETH的貶值，因為隨著時間的推移，‘供應增長率’仍然趨向于零。”

另外還有一些潛在的因素可以拉低潛在上升的通脹率：

在階段1中，費用系統預計會涵蓋兩個要素，一個是基礎費，另一個要素是溢價費。這些被銷毀的代幣將降低通脹率。

如果驗證者未能參與驗證過程，例如是由于節點崩潰或與網絡斷開連接的原因，則staking獎勵會下降。

驗證者行為不當會受到懲罰，這些代幣也會被銷毀。

上述機制會導致Eth2的銷毀從而抑制通脹率上升的影響，然而我們很難預測每個因素抑制的幅度如何，因此Eth2的發行率存在著很大的不確定性。

動態 | 近1000萬枚USDT自一未知地址轉至Bitfinex:據Whale Alert檢測，9,999,960枚USDT (價值10,056,645美元)自一未知地址轉至Bitfinex。[2019/9/17]

值得一提的是，我們不確定任何一部分交易費用被銷毀的效力。從經濟學的角度來看，共識代理和用戶的利益是一致的，用戶需向共識代理支付一定的服務費。如果共識代理的資金完全由用戶支付的費用而不是區塊獎勵來提供，那么兩方的沖突可能就不那么容易發生。同時，與將其交給費用市場相比，試圖任意決定正確的獎勵時間表可能會導致效率低下。當然，BTC在這一點上也還沒有成功，區塊獎勵仍然很可觀。至于以太坊而言，從長遠來看，所有的交易費都歸到驗證者手中可能更具有可持續性，以此降低通脹計劃，以抵消其影響。畢竟驗證者只是為了保證用戶活動的安全，這可能會使安全和通脹之間的艱難權衡變得更加容易。

雙鏈合并

在我們看來，最終計劃的實施——即將原有以太坊與以太坊2.0合并可能還需要幾年的時間。它可能通過使原有以太坊成為以太坊2.0內部的分片來實現。這樣一來就可以在分片之間進行代幣的雙向轉移，直至兩種代幣實現最終合并。根據計劃，目前發生在原有以太坊上的大部分活動現在可以在以太坊分片內繼續進行。

下一步可能就是共識機制的合并。以太坊2.0中原有以太坊的分片可以逐漸過渡到PoS機制。起初PoW機制可以存在，但在設定了一定數量的區塊之后，例如每100個區塊，區塊的共識可以由PoS來決定。PoS會逐漸發展直至取代PoW成為主流共識機制，但在這些PoS的檢查點中仍實行PoW。如此下去，最終PoW以及其區塊獎勵將完全被淘汰。這將給以太坊用戶和投資者提供更多通脹計劃的確定性。

網絡提議的常數

下表是我們認為以太坊2.0說明中一些最重要且最具有意義的一些常數

PoS

PoS是根據累積最多的stake來選擇分叉規則的一般思路。當然我們還面臨著如何構造投票過程的問題。以太坊2.0投票系統背后的核心原則與2018年以太坊提案所說明的并沒有變化，它仍然是基于CasperFriendlyFinaltyGadget的想法。但是，基于CasperFriendlyFinaltyGadget和theLatestMessageDriventGreedyHeaviestObservedSubtreeFork選擇規則的結合，這個系統已經更新了。

動態 | 兩筆5000枚BTC的轉賬同時轉入了Bitfinex和Kraken:據Whale Alert監測，北京時間17:21:10出現兩筆5000枚BTC的轉賬，一筆通過多個地址轉入了Bitfinex交易所，另一筆由33bgo9開頭地址轉入了Kraken交易所。兩筆1萬枚的BTC轉賬價值超過了1億美元。[2019/7/11]

我們將通過將投票系統分解成幾個組成部分來解釋投票系統的基本機制。首先要考慮的是我們有一個大的stakers池，每個staker最多代表32個ETH。這個池子不直接對區塊進行投票，而是被安排進各種投票委員會中，其成員從更大的池子里隨機抽取。

設立委員會的原因是，不是每個staker都可以參與每個區塊的投票，否則區塊鏈上會包含太多的投票數據，而且無法擴展。委員會也有助于將投票數據聚合成可管理的數據塊。因此會選擇一個隨機子集的staker在這些委員會中投票。Eth2規范將每個委員會的目標人數定位128，這是一個比較理想的最小值。我們認為實際上是存在區塊選擇的概率保證的。簽署投票的簽名可以進行聚合以減少所需的區塊空間，確保網絡可以擴展。

實際上情況還要比上圖所展示的更復雜一些。在第0階段，每個slot最多可以有64個驗證者委員會。因此，如果每個委員會有128個成員，那么每個epoch最多可以包含多達262,144個stakers。

每個staking代理被分配到一個委員會中，stakers越多，委員會的規模就越大。委員會最大的規模為2048個，大致相當于每個epoch使用的以太坊供應總量，因此無論有多少人選擇stake，委員會中總會有足夠的空間。下圖說明了委員會的數量和每個委員會的成員數量是如何隨著staking池中的ETH數量的變化而變化的。它表明隨著staking池的增加，委員會的數量首先增加到64個，然后，委員會的規模開始增加。

要確定哪個區塊的票數最多，我們需要將所有委員會的投票數相加。如果投票者表現良好，那么他們可以從新發行的以太坊池中獲得獎勵。另一方面，如果投票者進行了某些類型的惡意行為，則他們就要獲得懲罰，并損失一部分權益。這些對惡意行為的懲罰是為了防止諸如一個投票者投票給兩個沖突區塊等事情的發生。然而，在某些情況下，為沖突區塊投票可能是合法的，因此懲罰規則并不是直觀意義上的懲罰規則，我們在后面的報告中會討論這些規則。

Bitgrail創始人：我現在不能接觸存在Bitgrail上的資金:據Bitgrail創始人Francesco Firano消息：我現在不能接觸存在Bitgrail上的資金，Espen Enger的訴訟推動法院控制交易所里的比特幣，不要再聯系我，我現在什么也做不了，等法院通知吧。[2018/6/17]

最終化

當委員會成員對某一區塊進行表決時，他們不僅要對某一區塊提案進行表決，而且還必須引用和表決某一歷史上的檢查點區塊。或者更準確地說，引用從一個檢查點區塊向另一個檢查點區塊的過渡。正是這種機制才有助于保證投票過程有效且可信。因此，本質上有兩種PoS投票過程發生。下圖展示了該兩種投票類型，以及這些投票可能被存儲在哪個區塊中。

如果在某一階段的所有委員會中，有一個核對點模塊建立在該模塊之上，并且有三分之二以上的委員會成員在投票中提到該核對點，那么該模塊就是"確定的"。最早在一個epoch的三分之二的時候就可以實現。下一個階段是最終化，當區塊鏈一個區塊之后包含兩個確定區塊，該區塊就被最終化了。因此，在大多數情況下，用戶需要等待大約一個epoch的時間來驗證區塊，而最終化則需要等待兩個epoch的時間。如下圖所示。

懲罰條件

如上文所述，懲罰條件并不是明晰指出的，不能因為投票者投了兩個矛盾的區塊，就簡單地懲罰他們。因此，有以下三種情況下可以對投票者進行懲罰。

可以懲罰的條件：

?一個區塊生產者在其分配的slot內提出兩個沖突的區塊提案。

產生兩票，其中包含相同高度的檢查點區塊過渡引用的沖突引用。

產生兩票，其中包含重疊的檢查點區塊塊過渡引用。例如，一個引用了從檢查點區塊1到檢查點區塊4過渡的投票，和一個投票引用從檢查點塊2到檢查塊3的過渡的投票。人們可能會認為這個規則應該被一個更明顯的規則所取代，即所有的塊過渡引用應該是按順序進行的，然而，一個誠實的節點可能會錯過一個檢查點區塊，而不按順序的投票可能是合法的。這種行為如下圖所示。

對于PoS過程的評估

在最終確定后，可以肯定的是用戶們交易肯定不能被雙花。但是，這些系統的評估難度非常大，在評估收斂和最終化的程度時，是非常困難的。

這整個過程中的投票委員會、投票委員會的索引、參考檢查點塊過渡和等待兩個epoch的最終化的過程可能是一個不必要的抽象。它只是將PoS系統分解成不同的部分來增加復雜性，混淆了安全模型的根本性破綻──權益問題。另一方面，也許將PoS過程分解成這些子部分確實會真正增加網絡的安全特性。在概率的平衡上，我們認為這些投票過程可能在一定程度上提高了安全性和。投票過程中的復雜性確保了改變staking客戶端到任何利潤最大化的非交易行為在技術上很可能是非常具有挑戰性的，這在一定程度上增加了安全性。但這是否會使系統足夠強大以使其長期生存和發展，在我們看來這確實是一個有待商榷的問題。然而，我們想在評論和分析中說明一下，我們對這一系統的理解是不完整的。

請注意，我們上面的描述只是對這一過程的一個基本輪廓，其中有很多我們沒有提到的內容，還有制度的許多疏漏等方面。例如，我們沒有涉及到進入或退出staking池，如何計算每個staker的獎勵和懲罰，舉報人如何標記不良行為，所有投票數據占據多少區塊空間，以及如何匯總和計算staking投票等問題。

分片

在第一階段中，分片被添加到系統之中。原計劃是一開始有1024個分片，現在已經縮減到只有64個。信標鏈仍然被認為是主鏈或父鏈，只是現在它也包含了與分片的鏈接。由于有64個分片，因此信標鏈可以鏈接到64個分片，假設在正常運行下，每個信標塊可以鏈接到每個分片。

這樣就有了兩種引用方式，分片鏈區塊引用信標區塊，信標區塊可以引用信標鏈區塊。有可能在某些信標區塊中遺漏掉一些分片引用，但是每個分片鏈區塊都必須鏈接到信標鏈。

需要注意的是，在第1階段，分片系統和分片過程變得相互關聯。從第0階段開始，每個slot的多個驗證者委員會現在被映射到了分片上。因此，每個分片都有了自己的分層投票委員會，在每個提案人委員會期間都會發生變化。與信標鏈的方式一樣，委員會中的一名成員然后被給定在一段時間slot中產生一個區塊的任務，而其余的委員會成員然后對每個提案進行投票。需要考慮的一個關鍵點是，當信標鏈通過交叉鏈接引用分片區塊時，所有這些投票信息都包含在信標鏈中。

下圖說明了一個stakers對分片鏈的一個可能分配方案。在第1階段中，staking代理被隨機分配，要么分配到信標鏈，要么分配到特定的區塊鏈。如果少于840萬ETH，則沒有足夠的staking代理來完全服務于所有的分片，因此分片可能會有一定程度的縮減現象。

因此，信標鏈每個槽位只剩下一個驗證者委員會。每個分片區塊都包含一個最新的信標區塊的哈希值，并且。信標區塊可能包含了所有的投票數據，這些數據來自于分片。

因此，所有區塊鏈上的投票和staking也可以用于主信標鏈的分叉選擇規則計算和最終化的過程中。PoS的工作原理和以前一樣，只是信標鏈上的投票信息不是包含在一個委員會索引中的投票信息，而是包含每個分片的投票信息。

在各個分片鏈內沒有檢查點區塊，也沒有證明或最終化過程。相反，要想在區塊內部獲得交易最終確定的保證，必須等待信標鏈。一旦信標鏈中的相關區塊最終化完成，那么分片鏈中的用戶就可以獲得分片內交易的確定性。

因此，交叉連接有三個功能：

使區塊鏈委員會中的staker投票能夠被計入主信標鏈上的投票，以及

驗證分片鏈區塊且使其最終化。

關于所有其他形式的跨分片通信，如跨分片傳輸ETH或其他資產，據我們所知，這方面的機制還沒有完全解決。雖然這個話題可能要到第二階段才會出現，但這很可能是另一個在可擴展性和可用性之間造成不完美妥協的領域。人們甚至可以說，這里的挑戰是如此之大，以至于整個分片模型都會受到質疑。

分片結構為希望運行節點的人提供了靈活性。人們可以運行一個節點來處理一切，信標鏈和每個分片。人們還可以只運行信標鏈，其中包括一些分片區塊的區塊頭。還有第三種選擇，即運行一個節點來驗證信標鏈和選定的分片子集。如果一個人選擇不運行一個節點處理每一個分片，那么他就是依靠其他人來檢查這些分片中的進程的真實性，然而這樣做的想法是，有些用戶會選擇驗證這些分片，因此他的保證程度在概率上是很高的。

結論

以太坊持有者喜歡嘗試新的復雜系統，無論是TheDAO、ICO、Maker，還是現在的DeFi。然而一些以太坊社區的成員向我們表達了這樣的擔憂：以太坊技術已經有5年的歷史了，也許已經落后了。因此以太坊2.0滿足了一個熱衷于嘗試新想法的社區需求。所以我們預測，將會有相當多的資金會涌入以太坊2.0賺取staking獎勵，該獎勵則可能是價值數十億美元的ETH。

很多人問我們，以太坊2.0的推出會對現在ETH的價格產生什么影響。當然在短期內，大量的ETH可能會被鎖定在信標鏈內部，被新的區塊鏈賺取獎勵的能力所吸引。這一方面可能會限制市場上的ETH供應量，推動價格上漲，另一方面可能只是吸引其他被視為鎖定的合約的ETH。然而，真正的問題是以太坊是否會推動長期價值，為此，供應不僅需要限制，還需要有可持續的需求。

要想讓以太坊2.0網絡取得成功，權益證明和分片系統需要發揮作用，并且有足夠的吸引力來讓原有以太坊生態中具有經濟意義的部分加入到以太坊2.0中。智能合約和DeFi系統將需要選擇哪種分片適合他們，并投資升級他們的技術，以適應分片化系統的復雜性和局限性。因此，以太坊生態系統中相當一部分人還需要很多年的時間才能實現這一轉變。以太坊2.0是一個令人難以置信又雄心勃勃的項目，我們同樣覺得它并不會在不經受重大挫折的情況下取得成功。

在寫這份報告的過程中，有一件事著實吸引了我們的注意力：以太坊異常復雜。有這么多的委員會、分片和投票類型，似乎一不小心很有可能會出錯，甚至可能會有進一步的延期。然而，盡管有這些潛在的問題，以太坊2.0仍然值得一試。如果它真的成功了，潛在的回報是非常可觀的。

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