GATE:imToken Labs：以太坊 PoS 演进史_RIA

前言

大家好！今天我们要来探讨Ethereum以太坊的PoS演进史。以太坊为了提高区块链的效能以及更加地环保，不断推陈出新，让整个区块链世界产生了巨大的变革。随着技术的不断进步，以太坊也将开始向新的高度挑战。让我们一起来探讨这个让人感到振奋的演进过程！

因本文章有较深入的PoS介绍，建议已具备基础PoW知识的读者阅读。

2020年12月PoS信标链上线

为了将耗能的PoW升级至节能的PoS，以太坊在2020年12月1日时，上线了以PoS共识机制为主的以太坊信标链！

PoS名词解释

在PoS中，有些名词会和PoW稍微不同！

Block的概念改为Slot与Epoch。平均来说，每12秒会出一个Slot，而每32个Slot称为一个Epoch。

Difficulty改为SlotPrevRandao。

Miner改为Validator与负责出块的SlotProposer。

目前，若要成为Validator，需使用Validator私钥及Withdrawal私钥来建置不停机的验证节点，接着将带有以下指定Data32ETH的交易打到Deposit合约中：

pubkey：Validator公钥，链上唯一识别用

withdrawal_credentials：将Withdrawal公钥作SHA256后，将最左侧2位元由0x00替换而得

signature：由Validator私钥向(pubkey,withdrawal_credentials,deposit_amount)资料进行签名

声音 | imToken创始人何斌：推广应用需降低技术壁垒 增强用户安全教育:金色财经9月20日现场报道，在新加坡共识大会钱包圆桌讨论中，imToken创始人、CEO何斌表示，当前微信和支付宝等移动端支付已经相对成熟，现金已经逐渐淡出人们的生活，在加密钱包应用方面我们需要在保证用户安全的前提下让更多的用户来了解多中心化，了解如何保护其私钥的安全，这样才能进一步推广行业应用；随着以太坊和智能合约的出现和不断发展，当加密应用的技术壁垒被降低，大量应用和用户出现时我们会迎来属于加密行业的“网景时代”。[2018/9/20]

deposit_data_root：由上述pubkey、withdrawal_credentials、signature建立HashTree，并取得其HashTreeRoot而得

Slot与Epoch、Validator与Proposer

成为SlotProposer要做的事

在下一个Epoch到来前，每个Slot会透过Randao随机数指定1位Validator成为此Slot的Proposer，而他要完成2件事！

第1件事：建立区块，并让其他Validator进行验证及投票。

理想上，SlotProposer会在最新的区块后面，直接建置下一个区块，如同PoW时期以维持最长链原则。但实际上，可能会因P2P网络延迟、恶意节点尝试攻击等，导致SlotProposer未必能在最新的区块后面建置下一个区块，造成区块链分叉。这时，需请其他的Validator进行区块投票，得票高者即可成为下一个区块。若恶意节点故意在同一个Slot时段内建立2个区块，则会被施以严重的大幅削减处罚并退出网络。

声音 | ImToken创始人：ImToken一定会发币:据Bianews消息，ImToken创始人何斌表示：“作为创始人，我不避讳是否发币这个话题。我们一定会发币，我们会在token数字加密经济这条路径上去探索，去发现。具体何时发行，发行多少，目前还不能确定。”[2018/7/7]

第2件事：提出一个随机数种子S，并公开Hash(S)结果。

因为少了过去PoW的算力竞争，但直接指定Proposer有违去中心化，所以需要一个由众多SlotProposer一同决定的Randao随机数，用来选定下一个Epoch的SlotProposer们

第1件与第2件事不断重复，使得区块链不断地产生新区块。

Slot的Validator数量推算

在说明每个区块及Epoch需要多少票数前，先进行目前Slot的Validator数量推算！

回顾一下：每12秒为一个Slot，而每32个Slot为1个Epoch。由Beaconscan网站可得知，目前撰文时全球总共约有512,000名以太坊Validator。

所以，每1个Epoch约会有512,000名Validator进行投票。平均下来，每1个Slot约会有512,000/32=16,000名Validator进行投票。

每个Validator要做的事

扣除负责出块的SlotProposer，剩下N-1的Validator需在每个Slot中完成Attestation工作，即向支持的区块及Epoch来进行投票！

投票1：向支持的Epoch投票，支持的Epoch包含需同时选定TargetEpoch及SourceEpoch。

金色财经现场报道：imToken创始人何斌：以太坊是现在区块链领域做得最好的生态平台之一:金色财经6月3日现场报道，在今天的以太坊技术及应用大会上，imToken创始人何斌做了《The User, The Trader, The Developer》主题演讲，何斌说，两年来，以太坊是现在区块链领域做得最好的一个生态平台之一。从数据可以就可以看出。第一，从2016年3月正式上线，以太坊的市值现在已经接近600亿美元，差不多是比特币的一半；第二，以太坊网络已经拥有3500万个钱包，ERC标准的通证现在已经超过8万个，其中65个已经超过1亿美元的市值，imToken没有发币，如果算上imToken应该是66个；第三，关于DApps，以太坊已经拥有庞大的社区，已经上线的或者正在开发的DApps1500个，超过25万开发者，有30多万订阅者，有非常多活跃开发者。第四，还有区块链每天80万笔，对比一下比特币，它大概在四五十万比。这组数据印证了以太坊是目前区块链生态最早最大的开发者平台。[2018/6/3]

Target为Validator认同当下所在的EpochSource为Validator认同最近的Epoch若某个TargetEpoch结束，并得到超过2/3Validator的票数，则此Epoch标示为Justified，故最快要等上1Epoch=6.4分钟的时间。

承上，若此Target紧连的SourceEpoch也得到2/3票数，则此SourceEpoch标示为Finalized。因此，最快要等上2Epoch=12.8分钟的时间

EpochFinalized之前的区块规定不可再被更改

Justified与Finalized的Epoch判断方式

全球最大的以太坊钱包imToken宣布完成1000万美元A轮融资，IDG资本是唯一投资方:2018年5月31日，全球最大的以太坊钱包imToken宣布获得IDG资本1000万美元的A轮投资。IDG资本是全球知名的股权投资机构，也是区块链生态投资的领头基金，投资了包括 Circle、Coinbase、比特大陆、Ripple等在内的多个全球知名区块链公司。[2018/5/31]

投票2：向支持的区块投票

可对过去1Epoch内的Slot区块进行投票。

如果Validator有以下行为会无法拿到奖励

投给旧的、错误的区块投票经常延迟或设备离线，但如果网络出现4个Epoch都没被Finalized的情况，则会有罚款如果Validator有以下行为会进行严重处罚，同个私钥同时存在两台不同机器上导致同一Epoch时间内有2次对区块的投票行为。将机器迁移时，没有将资料库也迁移，导致迁移的机器向同一区块重覆投票的行为如果被Slash处罚一次或因罚款导致余额低于16ETH，则会被强制踢出网络。从beaconcha统计数据可得知，自信标链上线以来被Slash总共有229名Validator，大多为非恶意的机器设置错误导致，约占整体Validator的0.045%。

本节重点整理

PoS是由链上所质押的ETH作担保，来维持分散式共识，好处是：环保，且质押的ETH平均有4%年化报酬。

但此时要自建24小时不停机节点质押至少32ETH，门槛过高

对于仅有少量ETH却又想参与PoS网络的散户该怎办？所以，像是Lido等服务商，就有提供收取质押奖励的10%作为手续费，让散户进行小额质押。而且，更特别的是Lido还提供质押ETH兑换stETH代币，让散户可在二级市场进行stETH交易。

imToken公告称联通线路钱包服务已恢复:imToken刚刚发布公告称：对于DDoS流量攻击，临时做了线路切变，现在可以正常使用钱包服务。但DDoS高防服务还在配置中，期间有可能出现短暂服务波动。[2018/1/26]

从Dune统计数据可得知，目前所有质押的ETH约占总供应量约14.66%

2022年9月PoS信标链与PoW以太坊完成合并

众所期待的PoS以太坊终于在2022年9月15日完成合并！此时，只能使用Validator进行质押挖矿，而使用显卡挖矿的矿工时代也真正地成为了过去！

虽然，一般使用者仍可按照过去PoW使用方式进行ETH转帐或合约交易；但实际上经过TheMerge升级后，以太坊节点已拆分成ExecutionLayer执行层及ConsensusLayer共识层了

以太坊节点区分CL及EL层

在TheMerge后采用了PoS共识，虽然PoW机制被移除，但是PoW的ExcutionLayer却合并到BeaconChain中。

ExecutionLayer执行层仍与PoW时一样进行：

执行EVM虚拟机但是，当区块分叉时，取代PoW机制，会由CL层告知哪一个区块是HeadBlockConsensusLayer共识层就负责：

进行ProofofStake共识当区块分叉时，采LMD-GHOSTForkChoiceRule共识来决定

TheMerge升級前，ExecutionLayer的內容

完成TheMerge升级后，ExecutionLayer的内容与过去PoW时期相同

然而，对于执行以太坊节点的营运者，可以决定将CL节点、EL节点拆分建立，并使用元件所提供的EngineAPI来进行沟通。甚至可执行其中一个元件，另一个元件则与其他节点共用。

本节重点整理

TheMerge合并之后，将以PoS的取代PoW以太坊，无法使用显示卡挖矿。

但此时Validator们仍无法赎回已质押的以太币，所以才会有下一个重大的升级：上海硬分叉。

2023年第2季以太坊信标链进行上海硬分叉升级

以太坊PoS信标链于TheMerge后另一项重大的升级：上海硬分叉，终于让为数众多的的Validator开放让为数众多质押ETH的赎回申请，但考量到系统的稳定性，每个Epoch可退出的Validator或ETH数量是有限制的！

质押退出机制

关于欲将已质押的ETH赎回，除了您需等待2023年第2季上海硬分叉升级完成外，Validator还需将EL／CL节点升级、在CL节点上修改收益地址等前置作业，即可进行ETH赎回请求啦！分为2种形式：

关于前置作业细节可参考imToken先前发布的「上海升级，和你有关吗？」文章！

部份赎回

将超过32ETH的其他ETH给赎回因目前一个12秒的Slot最多只能有16次的部份赎回额度，以全网有512,000Validator来计算，平均每个Validiator要等4.44天才能收到ETH。全部赎回并退出Validator角色

因目前一个6.4分钟的Epoch只能退出6名Validator，所以会依照申请的顺序来进行全部赎回注：实际上，为避免一次大量Validator退出网络而导致安全性问题，所以每个Epoch可退出Validator数量会依照全网Validator总数来进行限制而以上无论是部份赎回，还是全部赎回，因为都在CL节点上广播请求，所以也均无需Gas费用

每个Epoch可退出Validator数量会依照全网Validator总数来进行限制

上线前需充分测试

另外，此次升级还需在各个测试网上进行充分测试，才会正式上线！

2023/02/07可提款的Zhejiang测试网上线2023/02/28进行Sepolia测试网的上海硬分叉升级2023/03进行Goerli测试网的上海硬分叉升级还有其他的提案

而且，这次升级除了EIP-4895是主要提案外，还会一同实现以下EIP提案：

EIP-3651预热COINBASE：启动「COINBASE」地址的预热功能，降低交易手续费消耗EIP-3855增加PUSH0指令：将常用的「常数0推送」操作变成一个指令，将可减少合约程式码大小EIP-3860限制和计价initcode：增加合约部署规范，避免部署程式码过大占用空间EIP-6049新增SELFDESTRUCT停用警告：更新SELFDESTRUCT指令的文件说明，警告使用者该指令未来将被停用未来，本专刊将会为重要的EIP提案来撰写文章进行说明。

本节重点整理

开放质押的ETH赎回，但基于安全理由，每个Epoc只能退出6个验证者（因此每天约有1,350个验证者or43,200ETH可退出。

若您刚好是以太坊信标链的Validator，强烈建议在上海升级前阅读「上海升级，和你有关吗？」文章，来了解这次上海升级时您一定要做的几件事情！

总结

综观整个PoS演进史，以太坊始终保持着为用户提供最优秀的使用体验和开发环境的初衷。PoW到PoS，不断的改变也带给了我们更加高效和环保的区块链世界。上海硬分叉升级将为以太坊带来更多的可能性；在未来，随着这一系列EIP提案的引入，Ethereum将越来越容易地融入日常生活中，并且让人们都可享受到区块链带来的安全性与方便性。让我们一起期待以太坊的更美好未来！

参考资料

中文以太坊SafeHead機制介紹https://medium.com/imtoken/safe-head-part-1-14071f14016bEth2.0的共識層和執行層分工及TheMerge影響https://medium.com/taipei-ethereum-meetup/eth-2-0-cl-el-separation-and-impact-of-the-merge-dbeb6828c907英文Blocknative-AStaker'sGuidetoEthereumSlashing&OtherPenaltieshttps://www.blocknative.com/blog/an-ethereum-stakers-guide-to-slashing-other-penaltiesETHWithdrawalsFAQhttps://notes.ethereum.org/@launchpad/withdrawals-faqHowdoestheNEWEthereumwork?https://www.preethikasireddy.com/post/how-does-the-new-ethereum-workProofofStakeRewardsandPenaltieshttps://ethereum.org/en/developers/docs/consensus-mechanisms/pos/rewards-and-penalties/

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