一文带你读懂以太坊2.0

导语：预计将于2020年推出的以太坊2.0，标志着人们期待已久的以太坊主网的升级即将开始。本文将简要介绍以太坊2.0的全貌，并为其下一阶段的发展做准备。

以太坊2.0是目前以太坊主网的重大升级，其目的在于通过分片等技术解决以太坊的扩展性问题。

以太坊2.0的历史

以太坊 2.0在以太坊社区并不是一个新的想法。自其诞生以来，有关改变以太坊底层共识机制，以解决工作量证明（PoW）的局限性的想法就一直存在。在主网Frontier于2015年7月推出之后，有关以太坊2.0升级的讨论从未断过。

Homestead（家园）, March 2016

Metropolis（大都会）: Byzantium（拜占庭）, October 2017

Metropolis（大都会）: Constantinople（君士坦丁堡）, February 2019

Istanbul（伊斯坦布尔）, December 2019

与过去以太坊的多次升级相比，以太坊2.0的推出意义尤为重大，因为它将实现的权益证明共识机制（PoS），将把工作量证明（PoW）从现有网络中移除。

权益证明（PoS）

权益证明（PoS）是以太坊2.0中最重要的变化，因为它变革了区块链验证的经济激励结构。目前的激励结构由PoW共识来维持。使用PoW的公链大多都为人熟知（包括BTC、ETC、LTC等），并且它也是迄今为止使用最多的共识机制。PoW机制的矿工们运行节点，并消耗算力来解决复杂的数学问题，竞争下一个区块的打包权。

矿工在PoW链上运行硬件和消耗电力所需的时间和资金会通过区块奖励得到补偿，即区块奖励分配给成功挖到区块的矿工。PoW共识算法是非常安全的，个体要想破坏像BTC或以太坊这类成熟的PoW公链所需的算力是非常大的，甚至如此庞大的算力可能根本不存在。

虽然PoW机制十分安全，但PoW共识也存在可扩展性（Scalability）和可访问性（Accessibility）的问题。

可扩展性：由于每个区块是按顺序开采的，而且每个区块中可以记录的数据量是有限的（即区块大小有限），因此以太坊在给定的时间内只能处理有限的信息量。如果待处理的交易数量超过了一个区块所能容纳的数量，那么剩余的交易就必须等到下个或之后的区块验证。可扩展性问题将通过在PoS网络上分片（sharding）的实现（见下文）来解决。

可访问性。PoW矿工对于我们在过去十年中看到的去中心化技术的产生和发展，起到了根本性作用。虽然PoW公链有着诸多优势，但成为矿工的准入门槛相当高。个人必须购买和设置所有必要的硬件才能成为矿工，且要想从区块链奖励中获得可观的总收益，个人可能还得必须居住在电力成本较低的地区。进一步说，往往对于企业和公司来说，其电力成本是会低一些的，这意味着一个矿工要想获得最大收益的话也许还需要组建一个公司，并购买足够多的挖矿硬件来增大挖矿概率。几家最大的挖矿集团会让大多数普通区块链用户无法真正参与到网络的维护中来，这也就导致了矿工的中心化。在以太坊 2.0中，PoS的目标之一是让更多的个人验证者参与进来，通过公平竞争来分享维护网络的回报。

股权证明分别用验证者（validator）和质押行为（staking）取代了PoW两个最重要的组成部分：矿工和电。广义上讲，验证者取代了矿工成为维持网络约定状态的节点，并通过下一个区块的随机选择获得奖励。与PoW不同（矿工通过消耗电力达到区块确认），PoS系统中的验证者只需投入32个ETH就可将利益与系统绑定。

在以太坊 2.0中验证者通过将资金（至少质押32个ETH）存入以太坊基金会开发的官方存款合约（official deposit contract）。验证者将下载并运行以太坊2.0客户端软件。在运行客户端软件的同时，他们将被随机抽中在链上打包或验证区块。正确打包并验证区块的验证者将获得ETH（其数额为验证者所质押的ETH占所有验证者的比例）作为奖励。

在以太坊2.0中，如果验证者未能保持在线（stay online）并执行他们所承担的计算责任（computational responsibilities），那么他们的区块奖励将相应减少，这样以激励验证者尽可能持续保持在线。如果验证者恶意地试图破坏网络（比如验证错误的数据记录），他们所质押的32个ETH或部分将会被没收。在PoS网络中，针对恶意行为者的经济激励机制更强（即让恶意行为者更没有动力这样做），而在PoW中，攻击失败的经济风险仅是达到一定算力所需的电力成本，向PoS系统发起攻击的成本等于质押的ETH数量（即惩罚）。相比于更抽象的电费成本而言，损失相应数额金钱的风险给那些想要发起攻击的个人所带来的直观感受更强。PoW攻击失败的结果是电费的损失，而没收验证者的质押资金相当于PoW矿工在一次失败的攻击中烧毁了整个矿场。简而言之，PoS体系可使得个人维护整个网络的动机更强。

虽然硬件成本的节约使得成为验证者的准入门槛比成为矿工要低许多，但事实上，没有多少人拥有32个ETH或者愿意冒着近6000美元（约190美元/ETH）的风险去质押。那些具有足够的专业知识，能够让整个系统在不停机和没有资金损失的前提下良好运行的专家人数也不并不多。现在我们预计有两种解决准入问题的解决办法：为了技术难题所带来的障碍，有公司开始提供质押服务，通过这种服务，他们将帮助其他人质押32ETH，通过从中获得的收益来维持客户端的运营。如果一个ETH持有者可质押的ETH数量小于32，那么他可以加入一个质押池（staking pool），从而将他的资金与其他人的资金集中起来以达到所需的32ETH门槛。那么他所获得的回报将与他的总出资额成正比。

权益证明（PoS）将在以太坊2.0升级的第一阶段，也就是所谓的第0阶段推出。

第0阶段

以太坊2.0在2020年第0阶段后分阶段推出。第0阶段将推出以太坊2.0网络的信标链。信标链将部署PoS共识算法，并将管理验证者的注册记录，而这些验证者将开始验证以太坊2.0的区块。

为了让信标链产出其创世区块，至少要有524,288个ETH在网络上质押，并分给至少16,384个验证者（这些数字是为了确保足够的安全性和去中心化而设定的）。在达到这个阈值之前，质押奖励不会被分配，这也是为什么在0阶段的早期参与者中需要一些利他主义精神的部分原因。

随着信标链的上线和PoS的实现，现有以太坊的 PoW链将继续存在。事实上，第0阶段的信标链对大多数以太坊用户不会有特别大的作用，因为它无法处理交易、执行智能合约或支持去中心化应用（DApps）。这其实是出于设计上的考虑，即确保以太坊2.0在可以支持DApp进行百万级的交易量之前，在一个运行的状态下经受住足够的考验。为了确保以太坊 2.0的推出不会扰乱现有以太坊的生态，原有以太坊的区块链将继续并行运行，并在第0阶段继续接受各种升级，在第1.5阶段，两条链将实现合并，实现连续且单一的以太坊网络。

第1阶段

目前还没有确定的第1阶段的推出日期，但预计在第0阶段信标链推出后的一年内推出，第1阶段的主要改进是实现了分片链（shard chains），这也就是本文前面提到的可扩展性解决方案。对于以太坊2.0来说，分片将导致以太坊被分割成64条独立的链（即分片链），这些链之间并行运行并实现无缝互操。分片将通过让以太坊同时处理多个交易来解决可扩展性问题：理论上来说，64个分片链意味着一次可处理64个区块。目前以太坊（和其他PoW链）一次只能处理一个区块，这意味着后来的交易必须等到一个区块被处理完后才能在下面的区块中得以确认。由于几十条同时进行并无缝互操，处理数据的工作量可被分散在同时进行处理的多个区块上。

第1.5阶段

第1阶段内的一个重要时刻是原有PoW区块链与新PoS链的合并。这个时刻在以太坊社区被称为1.5阶段。具体来说，PoW链将被带入以太坊 2.0中，并作为64条区块链中的一个分片链与信标链并存，这意味着数据历史不会被中断，即ETH持有者也将不必在以太坊1.0和2.0之间进行任何形式的代币转移或交换；相反，他们将能够在以太坊2.0继续使用手中的ETH，在操作上没有额外的步骤，也不会有原有ETH作废的风险。虽然原有PoW链的历史仍将存在，但它将不再需要PoW共识机制来维护；它将像以太坊 2.0上的其他PoS分片链一样运行。

第2阶段

第2阶段目前还没有0阶段或1阶段那么明确。不过，我们知道，随着PoS和分片链的实施，第2阶段将实现以下功能（包括但不局限于）：ETH账户的设立、交易、转账和提现以及智能合约的执行。

第2阶段之后

在第2阶段之后，以太坊的演进将不会结束。在第2阶段之后的几年里，以太坊网络的覆盖面和功能将会得到极大提升。

以太坊1.x

虽然上文已经提到，但值得再次强调的是，以太坊2.0预计要到第2阶段才会完全发挥作用。在此期间，区块链生态将继续发展，以太坊仍然要满足开发者、去中心化应用构建、企业、政府等的需求。因此，在真正进入第1阶段之前，以太坊PoW链至少会以“以太坊1.x”的形式存在。即使以太坊2.0的未来建设方案仍在完善，但开发者仍然会致力于提升以太坊1.x的表现。

结论

以太坊 2.0已经在区块链生态系统中被期待已久，并在区块链生态中有着大量讨论。PoS和分片将为可扩展性、安全性和可访问性带来巨大的改善。对于ETH持有者来说，以太坊 2.0又意味着一个全新的机遇，即他们均可参与并获得维护网络的奖励。对于那些希望通过质押32个ETH成为验证方的人来说、他们可借助第三方来押注32个ETH、或者与他人共享资金的人来降低准入门槛，以太坊生态系统将承载更多产品和解决方案，包括ConsenSys PegaSys和Codefi teams。