文章原标题《OKEx投研 | 以太坊2.0报告》。作者：OKEx投资研究分析师秀秀。
目录：
一.伊斯坦布尔的升级
2.以太坊2.0
2.1架构
2.2主要更新点
2.3主要解决方案
三。以太坊2.0的风险
一、伊斯坦布尔升级2019年12月8日周日，以太坊网络按计划升级至伊斯坦布尔，街区高度906.9万。根据ethernodes.org的网站，超过90%的节点已经同步。
(节点同步图，图片来自ethernodes.org)
以太坊自成立以来，牢牢占据加密资产市值第二的位置，拥有全球庞大的开发者社区，在DAPP数量上也远远落后于其他公链。但即便是这种“一人之下万人之上”的地位，也不代表以太坊可以高枕无忧。目前，定位为“世界计算机”的以太坊每秒只能处理15笔左右的交易，而像Visa这样的私人公司每秒可以处理4.5万笔交易。频繁的拥塞事件带来的额外成本和等待时间使得用户体验变差，极大地限制了以太坊的发展。以太坊2.0是取代目前以太坊网络的既定计划。致力于在不降低去中心化的前提下，大幅提升以太坊网络的可扩展性和性能，从而更好地承载去中心化应用，促进行业应用的爆发。
(主流公链DAPP资料图，https://www.stateofthedapps.com/, 11月29日)
伊斯坦布尔升级是以太坊2.0可扩展蓝图中的一个关键里程碑，试图在不牺牲去中心化原则的情况下，让区块链的应用更快更便宜。此次伊斯坦布尔升级将实现的功能包括降低天然气成本的措施；用隐私币Zcash提高链互操作性；以及允许更多创造性功能的智能合约。
总共14个EIP(以太坊改进方案)将分两个阶段实施。其中6项建议将在第一阶段(V1)实施，其余8项建议将在核心开发者讨论和考虑后在第二阶段(V2)实施。
在V1阶段的这些建议中，EIP-1884颇有争议。为了保护区块链免受潜在的垃圾邮件攻击，EIP-1884将增加应用程序开发人员从网络检索数据的计算成本，重置操作码的Gas成本，并增加一些操作的Gas成本。这使得以太网车间调用数据的成本比以前更高。对于开发者来说，需要避免编写高存储空间的应用，以消除燃气成本变化带来的最大干扰，例如，估算一个事务中访问的总存储空间契约代码，并确保其不会过载。此外，EIP-1108非常受欢迎，——，这涉及到重新定价以太坊中预编译的椭圆曲线算法。其旨在通过优化气体支付来提高以太坊的可扩展性和隐私协议，并将使以太坊中ZK-斯纳克和其他隐私应用(如Zether和AZTEC)的使用成本更低。
第二阶段(V2)将在升级后的主网络上实现，包括一项名为“ProgPoW”的算法改进，通过替换工作量证明函数Ethash算法来增强以太坊的抗ASIC能力。
随着以太坊的伊斯坦布尔升级刚刚完成，以太坊2.0开发团队于12月10日正式发布了灯塔公测网络。以太坊2.0的方案和流程再次成为大家的热点问题。
2.以太坊2.0以太坊的目标是成为分布式金融和智能合约执行平台，成为“一台真实世界的计算机”。以太坊官网显示，以太坊是一个全球化、开源的去中心化应用平台。在以太坊里，你可以编写控制数字值的代码，以完全程序化的方式运行，在世界任何地方都可以访问。在这个去中心化的世界里，以太坊似乎把自己定位为去中心化的网络建设者和去中心化的网络基础设施和技术提供者。
为了实现世界计算机的目标，以太坊在2014年诞生之初，就设定了前沿、家园、大都市、宁静四个发展阶段。前三个阶段全部采用POW模式，第四个阶段“安静”是POS——以太坊的最终形态，也就是我们所说的以太坊2.0。
2.0阶段将完成从PoW到PoS的转变，以及重要的升级，如EVM的碎片化和被eWASM取代。升级后，预计以太坊的速度会大大加快。
(以太坊1.0和以太坊2.0的基本信息)
2.1以太坊2.0架构(以太坊2.0整体架构，来自萧王巍)
这张图从上到下是：
1.PoW主链是以太坊目前的主网。在以太坊2.0系统中，它将继续作为信标链的一个片段运行。
2.信标链(Beacon Chain)是所有链的基础链，是整个以太坊2.0系统的中心部分，它通过权益证明Casper协议(Casper是整个系统的共识层，负责管理验证者，实施奖惩)并协调所有独立并行的片段链，以Crosslink作为每个片段的锚点，实现跨片段通信，为分片提供最终的确定性保证。
3.碎片链是一个碎片链，也是可伸缩性的来源。每个片段都由验证者委员会进行封装和验证，片段的状态通过交叉链接定期记录在信标链上。一旦在信标链上完成了一个块，该块中的交叉链接所引用的分段块就被认为是被确定为防篡改的。
4.VM层是以太坊2.0系统的最后一个重要部分，它将提供合同和交易的执行。
以太坊2.0的架构如图1所示。在以太坊2.0中，会有一个主链叫做信标链。信标链下有64个段，每个段可以独立处理数据。信标链是架构的核心，负责连接主链，管理各个片段。
Casper是它对应的共识，它有两个版本。一个是维塔利科领导的卡斯珀FFG。FFG使用PoW pos的混合共识作为过渡协议，成功地将以太坊从PoW转换到pos。其主要思想是在PoS的帮助下帮助PoW生成的块的最终确认，从而在减少矿工奖励的情况下提高系统的安全性；另一个是Vlad领导的Casper CBC，是纯PoS共识。目前，CBC仍有许多细节需要进一步研究和探讨。
信标链通过Casper共识协调所有独立并行的片段链，负责给片段分配验证者，跟踪每个片段的当前状态，为片段提供最终的确定性保证，对提高整个系统的安全性起着至关重要的作用。是实现以太坊2.0的基础。在以太坊2.0中，1.0的原有链条仍然保持原有状态，运行PoW共识。碎片链可以实现完整功能后，1.0会将以太坊的实际运营权交给信标链，以一个碎片或者信标链的一个主存储契约的形式存在，两者通过桥接实现互通。
2.2以太坊2.0的更新点根据以太坊的发展路线图，以太坊将在2020年进入2.0阶段。以太坊2.0的技术升级有三大创新：共识机制由POW改为POS、Shards和eWASM虚拟机。
共识机制为POS——提供了提高效率和解决能耗问题动力。
在以太坊1.0中，工作证明(Proof of Work，PoW)被用作共识机制，新的块由此产生。基于POW计算能力的共识，所有节点同一时间只能做一件事，整个网络能够处理的任务量非常有限，严重受限于网络中单个节点能够处理的任务上限。即使扩大块大小，由于全网共识，效率提升的效果也是有限的。因此，为了减少工作证书生成新块耗时太长，需要大量计算能力浪费资源的问题，以太坊2.0将更改为Proof of Stake，PoS)作为生成新块的共识机制。
碎片)——提高了网络性能和容量。
在物理空间中，分片就是将公链网络中的所有节点分成不同的组，每个组称为一个分片。原公链中所有节点完成的任务完全一样。现在，任务被分组并分配到不同的部分，每个部分处理不同的任务。原来，公链网络的性能瓶颈取决于网络中节点的性能。分片后，单个分片中的节点只需要承担整个网络的部分工作，每个分片并行工作，提高了整个网络的承载能力。假设分片数为n，则每个节点需要承担的工作量为全网工作量的1/n。同样，整个网络的容量也将是原来的100倍。分片是区块链扩展的最佳方案，可以在不提高节点硬件要求和降低去中心化程度的情况下，大幅提升网络性能和容量。
(分段物理空间图，图片来自tokeninsight 《分片技术研究报告》)
用eWASM替换EVM——提高了智能合约的兼容性和执行效率。
虚拟机是一个类似于操作系统的小程序，智能合约在其中部署和执行。以太坊系统上的所有节点都需要运行智能合约来执行区块链上的最终交易。每个完整的节点将运行一个虚拟机，所有节点将执行相同的计算。然后所有节点将比较结果并将其写入块数据。
(智能合同操作流程图)
以太坊2.0将支持多种编程语言，eWASM将取代EVM。EVM虚拟机是以太网中的核心引擎，它驱动着整个以太网的运行，承载着以太网中所有的卡、DAPP、DAO组织和游戏。但是由于EVM的编译工作臃肿复杂，会消耗大量的气体燃料，而且随着以太坊2.0PoS和碎片化的完善，虚拟机需要并行处理事务，EVM是按顺序处理事务的，不适合这种操作。因此，以太坊团队提出用eWASM取代EVM，这是以太坊版的WASM (WebAssembly)代码。与EVM相比，eWASM具有更好的性能和可扩展性，可以支持Solidity、C、Rust、AssemblyScript等多种编程语言。开发合同将变得更加容易，并且支持智能合同、账户、状态等也将成为可能。在ETH2.0上另外eWASM是向下兼容EVM的，所以现阶段理论上以太坊的智能合约还是可以在以太坊2.0上运行的。
2.3主要解决方案
同时，由于碎片化和pos共识机制的引入，以太坊2.0面临新的挑战。因此，卡斯珀FFG、信标链和桥接解决方案可用于桥接这些风险，并帮助以太坊2.0不断改进。
2.3.1 .卡斯帕FFG
卡斯珀FFG实现后，以太坊将首先进入POW POS的混采阶段。现阶段大部分块还是会通过POW产生，部分块会交给POS节点，让全网平滑过渡到POS。
卡斯帕FFG按期为系统指派一个验证者委员会，为每个分段选择一个块提议者和一个块验证者，并对验证者进行奖惩。
(1)管理验证者状态
验证者有四种状态：不活动(尚未执行验证者职责)、活动(正在验证)、等待(即将成为验证节点但仍在队列中等待)和退出验证节点(希望解除验证者职责但仍卡在退出队列中)。
在卡斯帕FFG上，一个完整的验证周期是：
1抵押支付：32 eths需要抵押给Capser的智能合约。
2等待入选通知：等待1天。
3投票：2确认后，在关卡投票确认区块。
4退出：退出协议发出后，验证需要持续7天。
5.撤回房贷：提交申请后，大约需要4个月的时间才能撤回。
应该有一个进入和退出的等待期，这样系统才能安排验证者组成委员会，而且是点对点的连接，这样过程就尽量顺畅，这样验证者的数量就不会有大的波动。
理解两个时间单位
Slot:区块提议者提出区块并用于验证的时间，目前为12秒。如果验证者委员会内部能够达成共识，则该槽可以成功生成一个块，否则该槽将为空。
Epoch:由多个时隙(目前为32个)组成的时间段，为6.4分钟。一个时期中的最后一个槽称为检查点。
成为验证者：
因为POS存在“无辜攻击”的问题，即在POS机制下，恶意节点验证者可以把钱放到fork链上推广硬fork，而不会有任何损失。因此，在以太坊2.0中，认证节点需要向信标链抵押一定数量的ETH(目前为32ETH)才能申请成员资格。当它被标记为“活动”时，它可以运行以太坊2.0协议，信标链也会跟踪和管理认证节点。32 ETH门槛低。基于PoW的PoS以智能合约的形式存在，节点程序可能会简单一点。用户只需要在电脑上运行钱包，配置要求不是很高。验证者要做的最重要的事情就是第三步投票，及时准备和投票，让验证者得到奖励，避免被罚token。
退出验证：验证者也可以发出信号，表示他们想退出系统，停止参与协议的运行。为了防止远程攻击，以太坊的ETH2.0有很长的提取延迟期，他们的抵押令牌，加上奖励和减去罚款，会被返还到一个碎片链中。
(2)向系统随机分配验证者
Commitments(验证者委员会)是信标链随机选择的一组(至少128个)验证节点，负责见证信标链和每个片段生成的块。信标链有其对应的委员会，每个段也有一个验证者委员会来验证该块。该委员会负责确保碎片所在位置的安全性、活动性和完整性，并负责核实信标链上的碎片状态。
在每个时隙中，信标链将在每个委员会中为该链随机选择一个验证者来负责该块，一定数量的其他验证者将检查该块并验证其正确性。下次发布块时，随机选择一个验证节点提出生成块，用另一组不同的验证节点验证正确性。
在指定的委员会完成阻止和验证一个时期的任务后，系统将重组所有验证节点，并为每个段的下一个时期随机选择一个新的验证者委员会。借助随机数生成算法，验证节点的选举过程从根本上避免了验证节点之间的合谋，提高了协议的安全性。
(3)保证链的最终确定性，避免远程POS攻击。
比特币的PoW共识采用最长链原则。为了防止重复支付的发生，一般需要等待六个区块的确认，才能真正确认交易有效。实际上，6个区块的确认被认为是有效性的标志，因为在此之后，在现阶段比特币的计算能力下，交易被篡改的可能性可以忽略，但理论上，即使一个交易被数百个区块确认后，根据最长链原理，该交易仍然存在通过51%攻击篡改数据的可能性。所以在PoW共识下，链确定性只是隐含的最终确定性，这个特性会让本来就复杂的状态碎片化变得更加不确定。
以太坊2.0中验证节点对每个块进行投票会增加网络传播开销。为了减少Casper中的投票数，将每个历元中最后一个槽上的块设置为检查点，参与共识的验证节点将投票给检查点。每个验证器抛出一个检查点，可以是从一个确定性检查点到几个检查点后的一个检查点。从genesis块开始(genesis块是第一个确定性检查点)，下一个检查点获得超过三分之二的票数，那么这个块就变成确定性的，不可改变，这个检查点就是确定性检查点，以此类推。当一个确定性检查点收到超过三分之二的票数从它到它后面的一个子检查点，那么这个确定性检查点和它后面的检查点之间的所有检查点都已经被确认。
如果同一个分支上的最后一个检查点也是确定性检查点，且超过2/3的验证者投票支持该部分，则该确定性检查点为最终检查点。如果某个检查点的状态为最终，则将确认该检查点及其之前的所有数据块。因此，Casper consensus的另一个重大改进是引入了显式最终确定性，即最新块中几个块前面的块信息不能再被篡改，这将有利于无状态客户端的实现。
其间，为了防止验证者在操作过程中作恶，卡斯珀制定了如下一套惩罚机制：验证者不能对同一块积木高度发起两次不同的投票，两次投票的投票范围不能存在一个包含一个，否则将没收抵押的令牌。
此外，为了使PoS能够提高PoW链的安全性，FFG在进行fork选择时对最重链做了一些修改：首先在视图中找到确定性最高的检查点，在检查点后的块中选择最重链。
这有两个好处。第一，在最后一个检查站之前，FFG的所有街区都得到确认，不存在颠覆的可能性。第二点是，一个已确认区块的安全需要矿工持续向区块提供自己的工作量，因此需要更多的采矿奖励来激励矿工；在FFG，只要最终区块得到确认，后续矿工就不需要增加已确认区块的安全性，因此可以减少采矿奖励，降低通货膨胀率。
(4)通过奖惩机制规范节点行为
POS验证节点不仅扮演一个块的角色，还扮演一个验证块的角色，它们还需要始终在线来完成分配给它们的任务。
验证者投票的权重取决于他们的抵押令牌的大小。验证者每成功打包一个方块，将获得与所持令牌成比例的以太坊2.0系统奖励。如果大多数验证者拒绝他们创建的块，他们将面临丢失抵押令牌的风险。同时，如果验证者未能履行区块投票的责任，他们所承诺的以太坊将会减少。如果验证节点的余额降低到验证阈值以下，将被踢出验证节点池，不能继续参与验证工作。因此，卡斯珀通过奖惩制度迫使验证者诚实行事，遵守共识规则。
信标链
跨芯片通信需要信标链的帮助，因为一个芯片没有其他芯片的直接信息，只能通过交联到信标链来获取其他芯片的信息。在以太坊2.0中，每个片段都有一个验证者委员会来验证该块，该委员会的成员必须在信标链上写入该片段的可验证信息(如默克尔根)，这就是交叉链接。当信标链块完成时，相应的片段块被认为是最终的，而其余的片段可以确信它们可以依赖它进行跨片段事务。如果验证者委员会的成员不能就交联的有效性达成共识，那么错误的验证者将被罚款。
(1)保证分段验证器的随机性
在区块链系统中很难产生良好的随机性，公平证明协议的关键要求是随机性的来源，它必须是分布式的、可验证的、不可预测的和不可剥夺的。碎片更容易被恶意挖矿者控制，因为攻击者只需要1/N的哈希计算能力就可以完全控制一个碎片。因此，对于一个碎片化的系统来说，它需要良好的随机性来防止某个特定的碎片被单独攻击，信标链负责将这种随机性提供给系统的其余部分。在以太网分片中，当前随机数的生成由信标链通过RANDAO结构完成。
验证者将提供一个“哈希洋葱”。RANDAO结构是一种将许多参与者提供的单个随机数组合成为单个输出数的方法。为了防止任何参与者明显操纵随机性，开发人员使用提交-揭示方案。验证者注册的时候会提供一个承诺值，这个承诺值是他多次选择的原始数字哈希生成的。每次在委员会中选择一个块生成器，它都会通过提供最后显示的数字的原始图像来剥掉一层或多层“洋葱”。其他人可以检查这样做是否正确，所以命题人不能通过改变他的单个随机数来欺骗系统。因此，基于上述协议中的随机性，块生产者随机选择块提议者。
在casper协议函数中，依靠RANDAO结构带来的随机性让信标链的每一段选择验证者委员会和块验证者。
(2)交联成为各段的锚点，实现跨段沟通。
当片段A上的用户或契约想要与片段B交互时，片段A验证者委员会的成员有必要在信标链上写入关于片段A的可验证信息(如Merkel Root)。片段A会将所有的收据打包到它的块头中。在信标链等待片段A就包含收据的块达成共识之后，它将片段A的块报头打包到信标链中。片段B等待信标链完成块一致性，然后将包含片段A的块头的信标链块头打包到片段B的块中，从而在芯片内达成一致性。如果片段B上的契约想要发送回复消息(可能返回一个值或一个错误)，整个过程需要反过来：片段B生成一个收据，它最终在片段A中生效.
(图片来自以太坊2.0来了。你不认识卡斯帕吗？)
以太坊2.0新提案中的分段数从1024个减少到64个，降低了运算的复杂度，交叉链接的一致周期从一个epoch减少到一个slot，以减少跨分段交易中的延迟时间。
在双向通信的情况下，当B段上的契约是不发送回复信息的最佳情况时，也需要四个共识期才能完成，如下图1到图4中的过程所示。用户只有在三个时间段结束后才能确认通信过程已经完成，因为在片段A收到片段B的可验证信息及其证据之前，用户可以看到片段B已经就可验证信息达成共识。由于ETH 2.0的共识期是12秒，所以碎片A的用户要等12 *3=36秒才能看到结果，而想在碎片A上查询结果的用户要等12 *4=48秒。
桥接
桥接是将ETH从邰方1.0迁移到以太坊2.0。
在单向桥方案中，现有的以太坊1.0以太坊持有者可以烧钱换取等价的以太坊2.0以太坊，2.0以太坊会生成并锁定在信标链的债券契约中，但无法退回。这种桥接会导致验证者的流动性问题，更重要的是可能导致以太坊1.0和以太坊2.0之间的可替代性问题，这种问题会在双向桥接之前出现，很可能会同时出现两个硬币在交换。双向桥不会有这个问题，但是双向桥是一个紧密耦合的共识机制。两条链上的攻击和问题都会影响到另一条链，协议的制定必然非常繁琐。
下图是EthHub上列出的单向桥和双向桥的一些显著的优缺点。值得注意的是，单向桥的优势多体现在技术上，劣势主要集中在经济上。换句话说，单向桥和双向桥的选择，本质上是技术和经济挑战的权衡。
目前，双向桥有两种可能的路线。一个是在以太坊1.0之上构建以太坊2.0的光节点；另一种是在以太坊1.0上运行以太坊2.0的所有节点。
桥接需要考虑每个协议的安全性，因为在实际的用户组中有许多关注点，需要大量的协调才能在我们的生产网络中获得硬分叉。该团队希望在以太坊1.0影响安全和风险状况之前，在生产环境中对其进行验证。开发团队要在加入验证者流动性前启用桥接，但要等第一期产品稳定后才开放；同时有很多相关的研究在进行，可能会影响这个手术什么时候完成。
三、以太坊2.0面临的风险3.1落地风险以太坊2.0的开发难度大，耗时长。从架构图可以看出，以太坊2.0的完成需要几大技术革新，智能契约碎片化和状态碎片化的设计开发难度极大。此外，还需要考虑与原链的过渡和兼容，进一步增加了实现难度。以太坊作为一个发展了几年的平台，代码结构已经变得非常复杂，底层很难修改。对原有架构的修改会牵一发而动全身，需要考虑很多因素。我们看到以太坊的框架虽然已经定型，但是很多细节还在讨论和修改中。
3.2竞争风险很多公链都致力于解决以太坊目前面临的扩展和性能问题。大部分都在智能合约层面兼容以太坊代码，让开发者最快捷方便的转移到自己的公链上。所以以太坊面临的竞争压力非常大。以太坊如果不能很好的改进自己的例子，肯定会给其他公链超越的机会。高性能公链赛道中，2014年的Tezos已经在2018年主网上线，2016年的Cosmos和Cardano的测试版也在2019年上线，所以留给以太坊2.0的时间紧迫。
参考资料：
以太坊2.0术语的秘密，为什么需要信标链？
碎片化技术研究报告| TokenInsight
以太坊2.0的未来蓝图和挑战
以太坊2.0来了。你不认识卡斯帕吗？
ETH 2.0以太网分段指南
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