全新的 Ethereum 升级(2.0)

注意：本概述包含已过时的内容。自撰写以来，Ethereum 已成功完成"The Merge"，转而使用由 Beacon Chain 提供的 Proof-of-Stake 共识机制。分片主网的计划已转向以layer-2 为中心的路线图，由 danksharding 和模块化设计原则驱动。

Ethereum 最初为去中心化的新世界奠定基础时，凭借对智能合约和去中心化应用的原生支持吸引了用户。然而，数百万用户的采用导致了能耗过高、极高的 gas 费用、网络拥堵、交易时间长以及区块链体积过大等问题——这些问题在 Ethereum 所采用的共识机制工作量证明中并不少见。

什么是 Ethereum 2.0？

Ethereum 最初将这次新升级称为 Ethereum 2.0 或 Eth2。但截至 2022 年 1 月 24 日，由于用户之间存在误解，他们已弃用这个术语。Ethereum 现在更倾向于使用"执行层"（Eth1）和"共识层"（Eth2）这两个术语。

这次 Ethereum 升级从未打算取代执行层，而是对其进行补充。因此不存在 Eth2，只有一个更好、更成熟的 Ethereum。

这次升级也被称为 Serenity，旨在通过提高可持续性、可扩展性和安全性来解决 Ethereum 的一些结构性问题。

Ethereum 即将迎来两项关键升级：权益证明（PoS）和分片。

将共识机制从工作量证明（PoW）切换到权益证明（PoS）

权益证明和工作量证明被称为共识机制。这些机制使给定加密网络中的所有计算机能够就哪些交易有效达成一致。

PoS 是一种共识机制，其中交易由质押 ETH 的验证者网络确认，而不是由进行 PoW 计算的矿工确认。通过摆脱计算密集型的 PoW 流程，Ethereum 未来的能耗将大幅降低。

加入分片

在分片中，区块链被划分为多个部分，分散网络负载。此前，节点必须处理整条区块链的交易，但有了分片后，节点将只需维护自己所在分片的交易。

过渡到权益证明

Ethereum 计划中的这次转变，恰逢 Algorand 和 Solana 等新区块链因其相对 Ethereum 的 PoS 优势而日益流行。这些优势通常带来更低的交易费用和更快的最终确认速度。

许多人认为权益证明及类似的共识机制将成为未来的标准，其中包括 Ethereum 创始人 Vitalik Buterin，他认为大多数区块链最终都会采用权益证明。

权益证明和工作量证明有何区别？

Ethereum 目前使用 PoW，该机制最初由 Bitcoin 率先采用。PoW 由矿工（通常以矿池的形式组成群体）竞相解决复杂的数学问题构成。在这个过程中，矿工争相计算出与 Bitcoin 当前目标匹配的哈希值。最先找到正确哈希值的矿工，最终将新验证的交易更新到区块链上，并获得该链代币作为奖励。

虽然 PoW 是一种经过验证的安全共识方法，但随着区块链网络规模的扩大，它已变得越来越不切实际且能耗巨大。像 Ethereum 这样支持智能合约的网络能够产生大量的交易。使用 PoW 验证这些交易需要巨大的计算能力。

PoS 通过用质押机制取代挖矿来解决这个问题，该机制要求验证者存入一定数量的链上代币作为抵押，才能作为验证者参与网络。与 PoW 不同，PoS 所需的计算能力大大降低，因为验证者不是同时相互竞争，而是随机选出一名验证者。

当某个验证者被选中时，它就获得了写入区块链的权利，随后该信息会由网络中的其他成员通过一种称为"证明"（attestation）的过程进行验证。作为回报，验证者会获得该链代币的奖励。如果被选中的验证者提出了错误或恶意的区块，它将失去质押的代币，这个过程称为"惩罚"（slashing）。要在升级后的 Ethereum 上运行验证节点，必须至少质押 32 ETH。

什么是分片？

分片是计算机科学中的一个常见概念，即拆分数据库以分散负载。对于 Ethereum 来说，这意味着将网络拆分为 64 条被称为"分片"的链。与目前的 Ethereum Mainnet 类似，每个分片最终都将拥有自己的一套账户余额和智能合约。

通过将区块链拆分为多个部分，验证者将不再需要负责处理 Ethereum 网络上广播的每一笔交易。验证者将只在自己所在的分片上验证新区块，然后由一个"委员会"（128 个随机选出的验证者）在 Ethereum 主链上进行确认。一旦某个分片区块获得足够的证明，就会与 Beacon Chain 之间创建一个"交叉链接"（cross-link），从而为整个网络确认交易。

Beacon Chain 是各分片的主要协调机制。它负责在各分片之间转发分片状态信息，并管理验证者流程。Beacon Chain 会生成随机数，将质押者分配去验证各个分片链。

这将如何影响可持续性？

由于 PoS 依赖于质押代币，而非像 PoW 那样依赖计算能力，因此能耗大大降低。这对 Ethereum 而言是一项重要的改进，因为如今据估计，该网络的年耗电量为 112.9 TWh，大致相当于荷兰（一个拥有 1740 万人口的国家）的年耗电量。

Ethereum 开发团队估计，这次转变可能会将能耗降低 99.95%。

这将如何影响可扩展性？

除了能耗方面的益处外，PoS 和分片还将大幅提升 Ethereum 的容量。

目前，Ethereum 网络每秒只能支持 15 笔交易。随着数百万用户的加入和新应用每天不断上线，这一交易上限已严重限制了 Ethereum 的实用性。此外，当前的共识机制要求每个节点保存整个网络的数据，而这一数据量已经超过了 1TB。随着网络规模的扩大，这种日益增长的磁盘空间需求是不可持续的，并限制了能够运行节点的人群。

有了 PoS，运行节点将不再需要在硬件和能耗上进行如此大的投入，而且这些成本不会随着网络规模的扩大而增加。

此外，加入分片最终将缓解网络拥堵，因为可以同时处理更多交易，同时存储需求也会降低。据 Ethereum 开发团队称，这些变化可以带来每秒 100,000 笔交易的吞吐量。

这将如何影响安全性？

PoS 的另一个好处是它将提高去中心化程度并改善安全性。硬件要求将降低，从而降低更多节点加入网络的门槛。升级完成后，Ethereum 将拥有至少 16,384 个验证者，而目前只有 2,700 个。

切换到 PoS 也进一步削弱了潜在攻击的动机。首先，验证者若尝试攻击，协议可能会销毁其质押的 ETH，这称为"惩罚"（slashing）。其次，诸如 51% 攻击或 Sybil 攻击之类的攻击，现在需要攻击者持有 51% 的质押 ETH，而不是控制网络 51% 的挖矿算力。这不仅是一个不切实际的数额（截至目前约合 150 亿美元），而且很可能导致 ETH 大幅贬值，从而遏制此类攻击的发生。

我们在 Ethereum 的发展时间线上处于什么位置？

升级之前

2015 年，Vitalik Buterin 意识到了进行 PoS 升级的必要性。这次升级不仅对该平台而言意义重大，也实现了 Buterin 长期以来对 Ethereum 的愿景——这也是 Ethereum 基金会核心团队多年来一直努力的方向。

"你可以把 Ethereum 1.0 看作是一个原型。我们必须先发布一个我们知道无法扩展的版本，以证明去中心化应用是可以构建的。"——Joe Lubin，Ethereum 联合创始人。

beacon chain

2020 年 12 月 1 日，这次新升级的第一部分 Beacon Chain 正式上线。目前，Beacon Chain 与 Ethereum Mainnet 作为平行链存在，我们使用原始 Ethereum 链的方式没有发生任何变化。

Beacon Chain 的更新将 PoS 引入了 Ethereum。用户现在可以使用存款合约将其 ETH 从 Mainnet 转移到 Beacon Chain，从而能够质押 ETH，进一步保障 Beacon Chain 的安全。然而，在下一次名为"The Merge"的更新中 Ethereum Mainnet 与 Beacon Chain "对接"之前，提现将无法进行。这意味着质押了 ETH 的用户需要再等一段时间才能获得收益。目前，在总供应量约 1.2 亿枚 ETH 中，约有 1000 万枚 ETH 已被质押。

最初，验证者只会向 Beacon Chain 添加新区块。但一旦"The Merge"发生，这些验证者将开始为 Ethereum 主网贡献区块。

在搭建 PoS 的过程中，Beacon Chain 为分片的实现提供了必要的基础设施。最终，Beacon Chain 将负责随机分配分片链的验证者，这是实现安全分片所必需的。分片计划在"The Merge"之后的升级中加入。

the merge

The Merge 最初计划于 2021 年第四季度进行，现已推迟至 2022 年第二季度。完成后，Ethereum Mainnet 将成为 Beacon Chain 中的一个分片，PoS 将成为官方共识机制。Ethereum Mainnet 分片将使用 PoS，从而结束 Ethereum 的 PoW 和挖矿。

通过加入 Mainnet，这个新的 PoS Ethereum 现在将具备执行智能合约的能力，并拥有 Ethereum 的完整历史和状态。

需要注意的是，诸如提取已质押 ETH 之类的功能不会在 The Merge 完成后立即得到支持。这些功能预计将在随后的第一次硬分叉中推出。

分片链

预计于 2023 年推出，分片链将分两次更新完成。

版本一：数据可用性

分片链最初只会为 Ethereum 网络提供额外的数据，新增 63 条链（共计 64 条）。上线之初，它们不会支持交易或智能合约。然而，这些新增的链与 rollups 一起，将大幅提升交易容量并降低 gas 费用，为每秒数万笔交易铺平道路。

Rollups 是一种 layer 2 解决方案，它在主 Ethereum 链（layer 1）之外执行交易，然后将完成的交易数据发布到 layer 1。这种将交易"汇总"（rolling up）为单笔链下交易的过程带来了显著的可扩展性优势。

版本二：代码执行

升级的最后一部分将使分片更接近当前的 Ethereum Mainnet，使它们能够处理交易并执行智能合约。分片之间也将能够相互通信，从而实现跨分片交易。

这一步是否有必要，在 Ethereum 社区内部存在争议。许多人认为"版本一：数据可用性"所带来的每秒交易数提升已经足够，因此不需要"更智能"的分片。

执行分片在多大程度上能够加快交付速度，仍有待观察。

Ethereum 升级的更广泛影响

一旦 Ethereum 升级实现，该链可能会解决其整个生态系统所面临的诸多瓶颈问题。截至撰写本文时，gas 价格轻易超过 80 Gwei（约合 30 美元），这使得小额转账变得不切实际，从而限制了用户群体的规模。此外，这种拥堵还导致交易时间过长，许多情况下需要数小时——这进一步限制了 Ethereum 目前的实用性。

随着 Ethereum 在可持续性、可扩展性和安全性方面取得新进展，许多此类瓶颈将得到改善，从而为 Ethereum 更广泛的采用和更多应用场景铺平道路。

虽然整个 Web3 领域无疑将从这次升级带来的技术改进中受益，但 DeFi 的一些领域，如借贷和流动性挖矿，可能会面临更激烈的竞争，因为质押可能成为这些投资策略的替代选择。然而，至少在短期内，这种担忧可能是不必要的，因为 DeFi 的收益率通常仍高于升级后 Ethereum 的质押奖励。

应用需要多长时间才能过渡到这项新技术，仍是一个悬而未决的问题。Skale Labs（Skale 网络的创建者）首席执行官 Jack O'Holleran 认为，大多数应用会等到 The Merge 完成后，并可能会"按自己的节奏"在之后的某个时候进行过渡。虽然目前尚不清楚这次升级究竟何时完成或何时被完全采用，但可以肯定的是，一旦完成，它将为整个生态系统带来全面改善的潜力。