金色硬核｜全面了解以太坊2.0技术关键：可扩展性

随着存入以太坊2.0存款合约中的ETH在11月24日达到524288枚的阈值，基本可以确定，以太坊2.0的信标链将如约在2020年12月1月启动。

这也意味着以太坊将要在layer1层正式走向PoS和扩容之路。未来以太坊上的去中心化应用可能不用再忍受2020年夏天DeFi热潮中经历的高昂Gas费之苦。

扩容对以太坊来说十分关键，因为以太坊的愿景是作为一个任何人都可参与的、全球性的、去中心化应用公共开源平台。要成为下一代互联网的基础设施，满足互联网主流人群需求，扩容是其必然选择。

Vitalik Buterin对以太坊的期许是成为世界计算机，但是以太坊1.0采用的是PoW共识机制，其TPS仅约15左右，根本无法承担世界计算机的重任。

Vitalik Buterin曾言：“以太坊1.0是几个人为建立世界计算机而作的不懈尝试；以太坊2.0将最终实际成为世界计算机。”

回顾以太坊历史，2014年1月Vitalik发布以太坊白皮书，2015年7月以太坊1.0主网创世。

但在Vitalik发布以太坊白皮书的同一月，他就发表了一篇PoS共识算法Slasher的博客，已经在严肃探讨以太坊未来从PoW转向PoS。

在以太坊主网还未上线的2015年3月，以太坊社区已经规划好太坊未来的技术路径分为是个阶段：前沿（Frontier），家园（Homestead），大都会（Metropolis）和宁静（Serenity），并达成共识，在宁静（Serenity）阶段从PoW转向PoS。为驱动矿工由PoW向PoS转变，以太坊1.0区块链网络还故意设置了“难度炸弹”。

2015年Vitalik和以太坊开发社区开始尝试随机采样（Random Sampling）方式，这对分片技术应用在链上是一个突破。2017年完成了数据可用性证明的突破，证明分片是可行的扩容方案。

完全可以说，以太坊2.0才是Vitalik心中真正的以太坊。

尽管在具体技术路径上，Vitalik也在不断改进看法。比如近期Vitalik表示，以太坊（1.0和2.0）近期和中期的扩容战略以Rollup为中心。

先回顾一下以太坊2.0的路线图。

如上文所述，自以太坊启动就计划了四个发展阶段：前沿（Frontier），家园（Homestead），大都会（Metropolis,）和宁静（Serenity）。

宁静（Serenity）即为以太坊2.0的阶段，其最大的变化是从PoW（工作量证明）到PoS（权益证明）的完全过渡。为这个改变，以太坊2.0至少要分为三个阶段：Phase 0：信标链（Beacon Chains）；Phase 1：分片链（Shard Chains）；Phase 2：跨分片转账、合约调用、eWASM取代以太坊虚拟机（EVM）等；每个阶段都将以不同的方式改善以太坊的性能。

Phase 0：以太坊2.0的第一阶段，将实施“信标链”（Beacon Chains）。信标链存储和管理验证节点的注册，并将实施以太坊2.0的权益证明（PoS）共识机制。以太坊1.0的PoW链将与新的以太坊PoS链一起运行，以确保数据连续性。以太坊2.0的阶段第0将于2020年启动，预计在7月份

Phas1：以太坊2.0的第二阶段可能会在2021年推出。阶段1的主要改进是集成分片链（Shard Chains）。分片链是一种扩容机制，其中以太坊区块链被“拆分”为64个不同的链，从而允许并行交易、存储和信息处理。按最保守的估计，它的吞吐量将达到以太坊1.0的64倍 。

Phas2：以太坊2.0的第三阶段可能会在2021或2022年启动。与阶段0和阶段1相比，阶段2的定义尚不明确，但会涉及增加以太坊账户并启用转账和提款，实施跨分片转账和合约调用，构建执行环境，以便可以在Ethereum 2.0之上构建可扩展的应用程序，并将Ethereum 1.0链引入Ethereum 2.0，并最终关闭工作量证明。

江苏张家港市发放全国首笔数字人民币知识产权质押贷款:8月4日消息，在江苏省张家港市市场监管局、张家港市金融监管局等部门的共同推动下，张家港农村商业银行成功为南丰镇某环保设备制造有限公司发放全国首笔数字人民币知识产权质押贷款，融资金额50万元。本次知识产权质押贷款在国内首次采用数字人民币形式发放，是顺应数字人民币应用场景拓展的一次有效尝试，为科创企业融资提供了新渠道、新形式、新体验。（中国质量报）[2022/8/4 3:02:54]

以太坊2.0信标链主网上线，标志着以太坊2.0正式启动。

什么是以太坊2.0？以太坊2.0，也称为Eth2或“Serenity”，是计划中以太坊区块链的第四个阶段，也是一次彻底的重新设计，共识机制将从PoW（工作量证明）转向到PoS（权益证明）。以太坊规划中的四个阶段为：前沿（Frontier），家园（Homestead），大都会（Metropolis）和宁静（Serenity）。

以太坊1.0和以太坊2.0有什么区别？以太坊2.0将引入以太坊1.0中不存在的两项主要改进：权益证明（PoS）和分片链（Shard Chains）。以太坊1.0的共识机制为工作量证明（PoW）。PoW依靠矿工利用电力驱动物理矿机计算来产生以太坊区块链。而PoS不依赖于矿工和电力，而是依赖于验证节点（虚拟矿工）和ETH存币来产生区块。分片链是一种扩容机制，可以极大地提高以太坊区块链的吞吐量。分片链将把以太坊区块链“拆分”，将数据处理职责分配给许多节点。这允许并行地处理交易。每个分片链就像添加了一个车道，将以太坊从单车道升级为多车道高速公路。分片链有望在以太坊2.0的阶段1推出。

以太坊1.0会发生什么？按照计划，在以太坊2.0第1阶段启动时，以太坊1.0成为以太坊2.0的第一个分片。在此之前，以太坊1.0将继续保持现状。

会有以太坊2.0代币吗？没有新的ETH代币。

如何参与以太坊2.0的staking？ETH持有者可以通过两种方式参与以太坊2.0的staking并获得奖励。1、ETH持有者可以抵押32个ETH来运行自己的验证节点，它需要将32个ETH存入以太坊1.0上的存币合约（Deposit Contracts）。此过程是不可逆的。运行自己的验证节点意味着你有验证和组织区块的责任，如果失责可能会导致ETH的损失。2、ETH持有者通过staking服务提供商或者加入staking矿池抵押ETH，任何人都可以按比例获得staking奖励。

成为以太坊2.0验证节点有什么风险？成为验证节点的好处是可以获得ETH奖励。但以太坊2.0上有“惩罚”机制，因此存在抵押的ETH损失的风险。验证节点可能会损失ETH的第一种方法是掉线，无法正确执行职责。这产生相对温和的惩罚，与可能获得的奖励大致相同。验证节点可能损失资金的另一种方法是发布矛盾信息。在这种情况下，验证节点被大幅惩罚并从系统中驱除。惩罚的金额在1 ETH至全部抵押之间，详细惩罚取决于具体因素

启动信标链需要多少ETH？为启动信标链，将至少需要16384个验证节点，相当于抵押52.4288万个以太坊。信标链达到创始阈值，才开始分配奖励。

当前持有的ETH怎么办？你当前持有的ETH不需要做任何操作。它在以太坊1.0链上继续完全可用。在某个时候，以太坊1.0链将成为以太坊2.0的一部分，并且持有的ETH将像现在一样继续运行，无需执行任何操作。对那些想要参与抵押的人，可以通过将持有的ETH存入以太坊1.0链上的存币合约（Deposit Contracts）中，选择成为以太坊2.0信标链上的验证节点。然后，它成为以太坊2.0信标链上的验证节点余额。此过程是不可逆的。在阶段0期间，这些EHT无法动用，验证节点将不得不等到阶段2才能把这些ETH提取到特定的分片，那时抵押的ETH及所产生的奖励才能在以太坊2.0中完全可用。

谁在开发以太坊2.0？开发以太坊2.0的工作主要由以太坊基金会研究团队领导和协调，开发者大约有数百人。Ethereum 2.0规范在以太坊基金会Github页面上维护。目前有9个独立团队正在以各种不同的编程语言针对不同的用例构建以太坊2.0客户端。这9个团队分别是ChainSafe Systems、PegaSys、Parity Technologies、Prysmatic Labs、Sigma Prime、Status、Trinity、Nethermind、Harmony。

人们为什么抵押ETH2.0参与信标链主网启动？最重要的原因之一就是预期可以获得相对低风险的稳定收益。如果刚好只有524,288ETH的存入，那么，其APR收益可以达到21.6%；如果参与质押的ETH达到2,450,000，其收益率也能达到10%；即便是锁定的ETH高达10,000,000，其APR收益也可以到4.9%，远高于其他DeFi协议的ETH存储收益。这里的APR是用ETH计算，而随着ETH价格增长，其实际APY可能更高，这会激励更多人质押ETH。

信标链使用POS共识算法，其是以太坊2.0的基础架构。在以太坊2.0的第二阶段，分片链将在信标链的帮助下运作。

信标链的工作方式是，为每个分片随机分配不同的验证者，以发布区块，同时还为每个分片链分配一个委员会。该委员会的职责是对分片链验证者产生的区块进行投票。

分片链的区块需要一半以上的委员会成员同意。分片链还可以使用信标链来完成跨分片的操作。信标链启动后将与以太坊1.0链并行运行，在此期间并将依赖以太坊1.0链的状态。

信标链使用PoS算法。在PoS算法中，每个矿工产生区块的概率与矿工的权益成正比。但是，信标链中的每个矿工实际上都具有相同的权利。

每个矿工只能向信标链抵押32个ETH。要成为信标链验证者，您需要将交易发送至以太坊1.0上的存币合约（Deposit Contracts），这要求您拥有32个ETH。以太坊1.0上的存币合约（Deposit Contracts）的公开方法（public method）有两个参数：

Pubkey，信标链中验证者的签名公钥

Withdrawal_credentials，用于以后取回抵押的ETH

成功调用存币合约后，合约返回一个日志事件（log event），信标链将自动被告知以太坊1.0链上的事件。

信标链会将新添加的验证者标记为“等待验证者”（Pending Validators）。一段时间后，他们将成为活跃验证者（Active Validators），这意味着他们可以参与区块生成。

信标链将对长期不活动的或坏的验证者进行处罚。当验证者的权益减少到16ETH时，他们将无法参与POS协议的运作。最后，信标将排除权益低于16ETH的验证者。

信标链区块需要维护以下信息：

登记验证者

等待验证者，这些帐户将添加到验证者列表中

活跃验证者，这些账户已添加到验证者列表中

退出验证者，这些帐户离开验证者列表

轮询信息

验证者投票

随机数，用于随机选择提案人和委员会

提案人选择

在提交区块之前，需要选择验证者作为提案人。以太坊1.0中提交下一个区块的权力取决于矿工的算力。如果矿工的处理能力很大，则该矿工有很大可能被选为下一个区块的生产者。

在以太坊2.0中，产块节点的选择基于随机数；在区块链系统中很难生成高质量的随机数。但是，POS协议要求随机数的源是分布式的，可验证的，不可预测的和不可替代的。

使用随机数从一组验证者中选择提案人，使验证者无法知道谁被选中。这样可以防止它们合谋发起攻击。

在信标链中每6秒生成一个区块。这6秒也称为时间槽间隔期（slot gaps）。在每个间隔期间，选定的提案人从信标链的先前区块的验证者那里收集所有选票，并使用它们形成一个新区块。

委员会

在将提案人提议的区块输入信标链的主链之前，需要对其进行投票。

委员会可以对提案人提议的区块进行表决，通过表决的区块可以收到最终确认。理想情况下，如果可以快速收集选票，则委员会中的成员最好都是系统中的活跃验证者。

主链选择规则

在以太坊中，最长链由算力决定，而以太坊2.0的信标链则使用POS算法。因此，将需要一套不同的规则来确定每个人都需要遵循的分叉链（注：即主链）。信标链通过使用LMD GHOST（Latest Message Driven GHOST）来解决此问题。此方法涉及一种基于消息或换句话说通过投票运行的算法。一般来说，票数最高的分叉链将被视为主链。

笑脸代表投票信息。每个区块中的数字代表投票总数，即该区块的权重。

在上图中，尽管顶部链是最长链，但绿色链是主链。

分片链是以太坊2.0网络未来可扩展性的核心特征。

分片是指将数据库中多个节点（例如去中心化数据库或其他类型的数据库）的数据处理职责分开，从而允许同时进行交易、存储和信息的处理。

分片的概念与当前以太坊1.0的模型有很大不同，后者需要所有全节点来处理和验证每个交易。

信标链将监视分片链的运行。

验证者抵押32个ETH后，将其随机分配给某个分片链以进行验证（此处的随机性可确保验证者的分配路径不可预测，否则将面临被操纵的风险）。

eWASM

在第二阶段，随着新虚拟机eWASM（以太坊版WebAssembly）的引入，分片链将从相当基本的数据标记形式演变为完全的交易链，从而承担起扩展以太坊网络的职责。

为了维持区块链生态系统的正常运行，节点必须在虚拟机中执行交易和智能合约。以太坊1.0的虚拟机为EVM。切换到以太坊2.0后，以太坊网络的虚拟机将升级到eWASM，这是一个基于WebAssembly的虚拟机。按万维网联盟（W3C）的标准WebAssembly是开源的。

由于WASM支持多种编程语言，因此eWASM可以让任何语言编写的智能合约都能运行在以太坊上。与Ethereum 1.0的EVM相比，EVM仅允许以Solidity编程语言编写的智能合约运行在以太坊上。

ETH 1.x是以太坊1.0系列升级的代号，因为以太坊2.0全面启动需要2-3年，这意味着当前的以太坊仍将继续运行。阶段0的信标链和阶段1的分片链将在1-2年内完成。将于阶段2实施的eWASM将于2022年某个时候完成。

以太坊2.0将被部署为独立的区块链，因此它不会取代以太坊1.0，这意味着以太坊1.0的区块链需要在未来5至10年内保持持续发展。

以太坊1.x的开发者仍将继续优化以太坊性能，尤其是在layer 2协议上扩容。

比如Optimism团队近期宣布启动Optimism的第一阶段测试网，同时宣布了迈向主网上线的路线图。Optimism并不是唯一正在实现optimisitic rollup的团队，Fuel的rollup也在向测试网迈进，Arbitrum也在做一个rollup。Loopring、zkSync 实现的基于zk-rollup的rollup方案已经上线，基于Starkware技术的Deversifi也已经上线。plasma方案的OMG的主网测试版上线。

参考资料：

slasher：a punitive proof-of-stake algorithm

ethereum launch process

ethereum 2.0：the road to being the worlds computer

标签：EFI区块链以太坊TALdefibox币有价值吗区块链专业考研方向以太坊交易所有几个Bitalgo

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