以太坊10万TPS升级之路

首先我想问大家一个问题：以太坊是不是一个“成熟的”产品？

其实只要比较熟悉以太坊，你就发现它并不成熟，虽然它有着最丰富的生态，庞大的市值，无与伦比的地位，但是同时它有非常多的缺陷：Gas 高昂、TPS 低下、扩展性不足等等问题严重限制着以太坊的发展。但是以太坊就这样“摆烂”了吗？这显然更不可能！

V神认为现在的以太坊仅仅完成了 40%，即使是在合并之后也就 55%，可见我们现在使用的以太坊只是“半成品”！并且V神在以太坊社区会议(ETHCC)上公开表示，以太坊在完成五次升级后，TPS 将达到 10 万！（TPS：每秒处理交易数，现在为15-20）

今天我们就聊聊以太坊后续升级的那些事，将其升级的五个阶段：The Merge、The Surge、The Verge、The Purge、The Splurge 完完整整的呈现的在大家眼前。

以太坊升级路线图中文版注意：The Merge、The Surge、The Verge、The Purge、The Splurge 并没有严格的先后顺序，它们是同时进行的，而 Merge 是最先完成的一步。

Merge、Surge、Verge、Purge、Splurge 的用词是主要是为了押韵，所以不能单单以字面意思理解。

概述

*The Merge：共识机制由 POW 转 POS，减少能源消耗，为之后的分片和数据优化打下基础

*The Surge：分片，提升 TPS，降低 Gas，提高可扩展性

*The Verge：引入 Verkle 树，优化数据存储

*The Purge：简化存储，降低验证者硬盘空间性能要求，减少网络拥堵

*The Splurge：一系列小升级，以保证以上升级可以平稳运行

1. The Merge

9月15日，以太坊 Merge 升级完成，这标志着以太坊终于摆脱了“浪费资源”的帽子，走进了 POS 时代，V神表示以太坊转 POS 让全世界的用电量下降了 0.2%！这是一次非常重要的转折，圈内的朋友亲切地称之为“过年了”。虽然此次以太坊合并可以撑得上 Web3 盛会，但是据我观察，真正了解“合并”的人真的少之又少。

V神：以太坊合并完成

1.1 什么是 Merge？

Merge 即合并指的是以太坊主链和信标链的合二为一，而信标链是与以太坊主链平行工作互不影响、以 POS 为共识机制的一条区块链，它于2020年12月1日运行，合并之前的验证者超过37万，信标链不参加主网交易的验证，只负责管理分片链的验证者以及存储少部分认证。

简单说下信标链和分片链：这是以太坊2.0最重要的两个模块，信标链的职责是推动主链转POS的进程以及管理分片链的验证者，而分片链则着眼于提高网络的容量，进而加快交易速度、减少Gas消耗。关于分片的知识后面会具体说明。

合并前的网络结构

1.2 为什么要 Merge？

首先我们要纠正一个误解：Merge（合并）的目的不是提高交易速度或者降低交易费用，事实上它对这两点基本也并没有提升。但同时Merge的意义又是非凡的，它是以太坊升级之路上最重要的事件之一，为之后的四次升级奠定了基础。

Merge 将信标链与主链合并，以太坊的共识全面转为 POS，引入“验证委员会”概念，这加强了网络共识并为高效的协议内数据可用性层铺平了道路。同时，由于 POS 不再需要挖矿，生成区块消耗的能源大大降低。

注解：与 POW 不同，POS 不需要专业的矿机挖矿来生成区块，每个人只要质押 32ETH 就可以成为验证者节点，拥有记账和投票的权力。POS 的整个共识过程可以简单分为“打包”和“投票”，首先系统随机挑选打包节点，负责生成新区块，其他节点对其生成的区块投票验证，获得多数投票后区块加入共识。但是当节点很多时，投票会浪费大量时间，所以为了提高效率网络中会选出一个“验证委员会”，由委员会的节点负责投票，为了保证公平，委员会成员是轮换选举制。在 POS 中，打包奖励与“币龄”相关，简单理解就是你质押的ETH越多，时间越长，奖励越多。为了激励诚实负责的节点，打击作恶节点，如果验证者突然离线或者故意验证不良交易，其质押的ETH会被削减。如果你没有32ETH但是也想参与，可以选择加入第三方质押池获得部分奖励。

1.3 Merge 的意义

Merge 最重大的改变就是以太坊的共识全面转为 POS，而共识机制的转变主要有以下几个优势：

*能源消耗降低

从此以太坊无需价格高昂的挖矿设备，质押32ETH就可以成为验证者节点，能源消耗降低 99.95%，世界总用电量下降 0.2%。

*减少以太坊的发行，使以太坊成为通缩货币

区块奖励将由每天 1.46W 枚减少到 1600 枚，同时质押使得 ETH 的流通量进一步降低，研究公司 FSInsight 的报告认为发行量的下降意味着以太坊的市值可能在未来 12 个月内超过比特币；

*以太坊2.0战略的关键一步，为分片奠定基础。

在POW共识下，矿工可以随意停止工作并离开网络，POS的质押激励解决了这一问题（详见1.2注解部分），这为之后分片链协调验证者投票奠定了基础。

2. The Surge

Merge 升级对用户来说感知并不强，但是下一步的 Surge 却是可以真真切切的改变用户体验，大家心心念念的 TPS 终于要提升了，同时Gas费用也会大大降低。The Surge 预计在 2023 年开始，在以太坊的整个升级过程中，这绝对是最关键的一步，也是最复杂的一步。但是因为这部分涉及的知识点太多太复杂，在这里我尽量简单描述，感兴趣的朋友可以自行查阅相关设计。

2.1 什么是 Surge？

The Surge 主要利用分片提高网络的 TPS、降低 Gas，那什么是“分片”呢？可以简单从字面意思去理解，分片会将以太坊分成若干更小的链，整个网络的 TPS 将是所有小区块链 TPS 的总和（就像在高速路上增加更多车道可以容纳更多车辆），这将显着提高网络的可扩展性，以太坊预计将会创建 64 个分片。

看到这里我们就可以明白为什么合并转 POS 是分片的基础：因为分片分割了整条链上的资源，如果是采用 POW 共识，此时每条分片链上的算力将会是原来的 1/n，这样针对分片链的攻击将容易很多，安全性得不到保障！而 POS 不需要算力，每个分片链上的验证者都是由共识随机分配的，同时作恶节点将会被惩罚削减质押的 ETH，所以 POS 也就不会因为分片而出现安全性下降的问题。

分片示意图

分片最关键的技术是 Danksharding、EIP-4844、Optimistic Rollups 和 ZK Rollups，下面简单说一下 Danksharding 和 EIP-4844。

Danksharding 是 2020 年后提出的新分片提案，Danksharding 初始阶段的 Proto-Dansharding 加入了 EIP-4844 引出了一种新的数据类型——Blob。Bolb 数据处理的的成本比 Calldata 低得多，而且处于共识层的 Bolbdata 只会保存一个月，区块的存储压力将会大大降低。Danksharding 使用了“数据可用性采样”技术，该技术允许以太坊上的节点使用少量数据来验证大量数据。总的来说，Danksharding 进一步细分了数据类型，精细化了数据处理流程，降低了系统工作量，让以太坊变成了一个统一的交易结算和数据可用性层。

2.2 为什么要 Surge？

Merge 降低了整个网络的能源消耗，但是对性能却没有提升，以太坊如果一致维持在20以内的TPS，很多应用场景都会被限制，所以通过 Surge 扩容分片提升性能是必由之路。

完成 Surge 升级后，以太坊的 TPS 将会大大提升（但是还达不到10万），用户体验更加丝滑顺畅，以太坊的使用场景也会有所扩展。在这个阶段完成后，我们执行交易的速度会十分接近 Web2 中心化服务，这是质的飞跃！没人能预测以太坊在这之后能够出现什么样的现象级产品！

3. The Verge

Verge 最重要的改变是引入 Verkle 树，这是对 Merkle 证明的强大升级。它可以用更小的数据来验证交易，这将优化以太坊上的存储并帮助减小验证节点存储的数据量，同时也让太坊变得更具可扩展性。

简单说，The Verge 将会优化区块的数据结构，验证节点需要存储的数据量会大幅降低，这降低了对节点性能的要求，更多的节点可以成为验证者，提升了以太坊的去中心化程度。

Verkle 树

4. The Purge

The Purge 的作用与 The Verge 相似，都是优化数据存储但侧重点有所不同，Verge 优化了验证所需的数据量，Purge 则是清除已有的历史数据和坏账，这就可以减少验证者所需的硬盘空间，简化存储，从而减少网络拥塞，提高交易处理速度。V神表示，到这个阶段结束时，以太坊应该能够每秒处理 100,000 笔交易。

5. The Splurge

The Splurge 是一系列比较小的升级，主要用来确保网络在前 4 个阶段之后平稳运行，也就是修修补补，将遗留问题处理一下。当这个阶段完成，以太坊才真正迈入“完全体”阶段！这也将是史无前例的 Web3 盛会。

总结

在完成以上五个阶段后，以太坊才能真正成为世界计算机：更安全的交易、更高的TPS、更低的Gas、更多的用户和更丰富的使用场景。虽然根据合并的经验来看，整个阶段肯定不会特别顺利，但是希望那一天到来时，大家都还能聚在一起，像合并那天一样共同庆祝这属于 Web3 的伟大胜利！