以太坊:重溫以太坊的升級之路_ETH

以太坊的定位是世界計算機，為了實現這個目標，開發者在誕生之初就為它規劃了一條升級路徑，分別是Frontier(前沿)、Homestead(家園)、Metropolis(大都會)、Serenity(寧靜)四個階段。

目前整個網絡已經走到了第三個階段，前三個階段都屬于以太坊1.0，而最后一個階段Senerity也就是我們經常會聽到的以太坊2.0。

以太坊2.0升級主要是為了解決以太坊的發展過程中產生的一些限制整個網絡的發展的問題，主要有以下三個：

針對這些問題，開發者社區為以太坊2.0升級規劃了幾個步驟。下文將介紹以太坊2.0升級的路線圖。

首先是挖礦帶來的高能耗。由于采用了PoW機制來作為共識機制，以太坊需要節點提供算力來進行挖礦，各種礦機挖礦的計算過程需要消耗大量電能，所以時常被指責網絡運行不夠綠色環保。

再是性能問題。目前以太坊鏈的出塊速度大概是每12-15秒一個塊，TPS大概是15左右，這個處理速度甚至不足以支撐一個普通的商業應用。以太坊網絡時不時產生的擁堵，也限制了它的發展。

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第三就是使用費用問題。使用以太坊網絡需要支付gasfee給維護網絡的礦工，通常在幾美元到幾十美元，視網絡的擁堵狀況而定，最多時甚至達到數百美元。高昂的gasfee使一些協議轉向了以太坊的競爭對手，如Solana、Near等公鏈。

PoS，最后一個步驟是為了改善整個以太坊網絡的性能，提高擴展性。

1.平行鏈--信標鏈

為了實現共識機制的平滑過渡，2020年12月1日，以太坊在當前PoW主網運行的同時，首先啟用了一條平行運行的鏈，叫做信標鏈。信標鏈以PoS作為共識機制，獨立于主網運行。參與者需要向鏈上的一個智能合約質押32個ETH作為權益證明，經過審查后進入驗證者名單，成為信標鏈的驗證者。在這條鏈上，驗證者取代了礦工的角色，成為鏈的構建者。

在PoW機制下，節點通過計算挖礦來生成下一個區塊，而到了PoS機制的信標鏈中，下一個區塊的產生是由驗證者們選擇出來的。這個選擇具有隨機性，不由一個驗證者決定，這體現了去中心化的特點。驗證者們如果表現良好，就可以獲得獎勵，反之如果他們作惡，系統將會從他們質押的32個ETH中扣除一部分。當質押的ETH少于16個時，他們就會被移除出驗證者名單。

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在合并之前，也就是目前這個階段，以太坊處于PoWPoS平行運行的階段。提前啟用PoS平行鏈鏈主要是出于兩方面考慮，第一是盡量減少對目前運行的PoW鏈的影響，減少共識轉換對網絡帶來的沖擊，第二是給新的PoS網絡足夠的時間收集質押的ETH，以保證網絡安全運行。

2.合并

在說以太坊2.0時常常提到的合并就是將PoW的主網與PoS的信標鏈進行合并。以太坊的合并需要首先在測試網上進行測試，一旦在測試過程中發現任何問題，節點視情況進行修復。

目前以太坊的測試網Ropsten、Sepolia已經分別于6月9日和7月6日完成了合并。剩下的Goerli測試網也將于近日進行合并。如果一切順利，以太坊正式網絡將于九月中下旬結束合并。在那之后，PoW的機制將被廢棄，整個網絡將通過PoS來產生新的區塊。

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為了確保共識機制切換成功，以太坊開發者提議實施難度炸彈，以增加PoW的挖礦難度。難度炸彈在2015年被加入到以太坊代碼中，它被描述為：在預定的區塊數上，增加PoW算法中謎題的難度，使計算產生區塊的時間變長，挖礦變得困難，以此來減少礦工的挖礦獎勵，打消他們的積極性。難度炸彈實施后，礦工們將變得無利可圖，原PoW網絡也就無法繼續運行。

3.分片

共識機制的轉變并不能提升以太坊的性能，性能的提升需要通過分片來實現。

分片是一種數據庫分區概念，用于優化存儲并快速處理，通過把組織的網絡分為較小的分區，水平分割數據庫，分散負載，每個分片都有自己獨立的數據，多個分片可以并行處理，從而減少網絡擁堵，增加TPS，實現網絡的可擴展性。

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以太坊比較早期的分片計劃是將主網劃分成64個分片，每個分片都有獨立的區塊提議者和委員會，區塊提議者和委員會是隨機選擇和隨機分配的，區塊提議者從交易池中選擇要納入區塊的交易，當獲得委員會三分之二的同意票之后，區塊就可以被納入鏈上。

這個早期的分片方案旨在擴展以太坊主鏈的性能。但是執行起來很復雜，加之經過幾年的時間，layer2發展迅速，Rollup百花齊放，所以，以Vitalik為中心的以太坊的開發者們逐漸拋棄了這個原有的方案，轉向了新的技術選型，即不再在以太坊主網上直接分片以追求承載更多交易，而是轉換為以Rollup為中心，由Rollup在交易層面擴容、主鏈只為Rollup提供數據可用性的底層鏈的路線圖。

Harmony開發團隊已經提交Crosslink Heartbeat功能的第一部分代碼:7月5日消息，Harmony 開發團隊已經提交 Crosslink Heartbeat 功能的第一部分代碼，該功能將使分片 0 驗證者能夠廣播他們從其他分片收到的最新交聯，旨在消除 1、2、3 區驗證者對信標鏈（0 區）的依賴性，提高驗證者的效率。

注：Crosslink 是來自委員會的一組簽名，證明一個塊在子鏈中，（簽名）可以包含在主鏈中，它是主鏈「了解」子鏈更新狀態的主要手段，包含區塊簽名數據和區塊標識符數據，如區塊哈希值、區塊編號等。[2022/7/5 1:51:22]

在新方案中，以太坊的目標是作為可擴展的數據可用性層，可以簡單理解為最終的結算和記賬。主鏈擴容將聚焦于擴大區塊的數據容量，而非提高鏈上計算效率，即：以太坊分片旨在提供更多數據blob空間以支持Rollup，以太坊無需對這些數據進行解釋，只收集Rollup的計算和證明結果，確保數據可用，而更多的計算執行和交易有效性則由Layer2的Rollup來實現。更具體來說，由Rollup來進行交易的計算和驗證，并將驗證完成的多筆交易和證明結果納入一個包裹，而主鏈上的區塊只記錄這些包裹。

由于一個區塊可以納入多個Rollup產生的包裹，未來以太坊上會存在多種Rollup來為整個網絡執行擴容，目前主流的主要是zkRollup和OptimisticRollup，分別對應有效性證明和欺詐證明兩種證明方式。

能耗減少

在切換到PoS機制后，整個網絡不再依靠消耗大量電能的礦工節點，因此也變得更加環境友好。PoS機制下的節點的能源效率比PoW高99%以上，所以PoS網絡的能源效率將大大提升。當采用PoW機制時，礦工節點需要強大而能耗高的硬件設備來進行復雜的數學計算，誰先完成計算，誰就獲得了構建區塊、獲得區塊獎勵的資格。在這種情況下，礦工只能24小時滿負荷運行自己的挖礦設備，以獲得最大的收益，這些高能耗的設備對電力的需求無疑是巨大的。

在PoS網絡中，區塊的提議者是隨機選擇的，不再需要大量的礦機硬件來競爭出塊權，也就不再需要巨大的電力消耗。

ETH產量

以太坊在由PoW共識轉向PoS之后，不再產生礦工獎勵，取而代之的質押獎勵。所以ETH的發行率將會減少90%。大家把這種情況稱為“TripleHalvening”，因為相當于同時發生了3次比特幣減半，以太坊將經歷發行量的瞬間減少，同時由于質押中的ETH不能流入市場，ETH將進入通貨緊縮的階段。

ETH質押

在合并完成之后，會有更多用戶選擇將自己的ETH質押，因為可以獲得一筆幾乎無風險的質押收益。根據測算，質押ETH的年收益率大概為4%。Kraken在《2022年第一季度質押狀況》的報告中預計，在以太坊完成合并后，質押用戶的年收益率可以達到8.5%-11.5%。

另外由于質押需要增加，質押服務賽道預計會有一波爆發。目前有1300多萬ETH質押在信標鏈上，超過以太坊總量的10%，一共41萬驗證者參與了質押。

由于網絡要求最少要質押32個ETH，同時運行節點設備又有一定的技術和資金門檻，選擇質押服務商相比自行質押就顯得有吸引力得多。目前的質押賽道龍頭Lido已經在流動性質押這個市場中占據了90%以上的份額。

礦工

以太坊合并后，原來的PoW鏈將逐漸被廢棄，原來的礦工的去向也成為一個重要的關注點。作為加密世界里第二大的礦業生態，礦工們會作何選擇？是選擇分叉原鏈，還是轉向ETC繼續挖？作為以太坊的分叉鏈，以太經典可以使用以太坊的礦機進行挖礦，但是以太經典能承載的算力有限，一是因為ETC價格比較低，挖礦的成本和收益本就難以平衡，加上如果合并之后大量算力涌入，競爭加劇，會進一步削減礦工的收入。而分叉原鏈的方案，受制于難度炸彈的設計，可能也很難實施。

結語

以太坊合并已經近在咫尺。雖然升級方案幾經更迭，但目前為止，進展基本順利。作為區塊鏈世界影響最大、擁有最多開發者的公鏈，以太坊的升級毫無疑問會產生巨大的影響。隨著以太坊2.0的到來，公鏈發展也進入一個新的篇章，困擾以太坊使用者許久的低性能、高費用、高能耗的問題，有望通過一系列的升級來解決。對于即將發生的一切，我們充滿期待。

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