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边肖：记得要集中注意力。
资料来源：OKX
前言：
近日，以太坊的开发者Marius van der Wijden在社交平台上表示，目前正在以太坊上测试PoS机制，将首次进行主网阴影分叉。这意味着以太坊的“合并”即将到来，而“合并”是以太坊2.0可扩展蓝图中的一个关键里程碑，届时整个以太坊网络将转变为PoS共识机制。
此外，以太坊2.0的核心开发者dapplion在其社交账号上表示，本周六将再次进行以太坊主网的影叉测试。
随着“合并”的临近，以太坊2.0进入了一个新的阶段。它试图在不牺牲去中心化原则的情况下，让应用区块链更快更便宜，具体方案和流程再次成为大家热议的话题。那么以太坊2.0到底是什么？包括哪些升级？现在怎么样了？它的到来会对行业的发展产生什么影响？欧亿研究院将从技术进步、方案、前景、风险三个部分详细讲解以太坊2.0。
注：为了迎接合并，以太坊基金会此前宣布，在升级协议的同时，以太坊也面临着定位的改变。2021年底，核心开发者已经停止使用Eth1.0和Eth2.0术语，分别替换为“执行层”和“共识层”。不过改名并没有影响以太坊既定的升级路线。由于以太坊2.0的称谓已经深入人心，本文仍将使用“以太坊2.0”这个名称。
一、以太坊2.0的技术进步
1.1路线规划
以太坊自成立以来就牢牢占据了第一公链的位置，拥有全球最大的开发者社区。DAPP的数量将其他公共连锁店远远甩在后面。但即使是这样的领先地位，也不代表可以高枕无忧。目前，位于“世界计算机”的以太坊每秒只能处理20次左右的交易，甚至难以支撑一个普通规模的商业应用。频繁的拥堵事件和等待打包交易导致的高额燃气费，使得用户体验非常差，极大地限制了以太坊的发展。
以太坊2.0是解决当前以太坊网络性能瓶颈的既定方案。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。
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”。为了实现世界计算机的目标，2014年诞生之初，它就设定了四个发展阶段：边疆(Frontier)、家园(home)、大都会(Metropolis)和宁静(Serenity)。前三个阶段都采用了PoW模式，第四个阶段“宁静”是以太坊的最终形态，也就是我们常说的以太坊2.0。
至此，以太坊的前三个阶段已经完成，第四个阶段的开发正在进行中。在此期间，将完成从PoW到PoS的转型，以及切片、用eWASM替代EVM等重要升级。升级后，以太坊的性能会有很大的提升。
当然，第四阶段不可能一蹴而就，会分阶段升级。根据其最新的路线图，以太坊第四期升级的主要节点是2021年Q3信标链上线，2022年“合并”，以及之后要实施的碎片化。目前，灯塔链已于2020年12月上线。此后，信标链开始以PoS的形式运行，执行层生成块的过程仍由原链以PoW的形式进行。以太坊与PoW PoS进入混采阶段，为全网向PoS过渡做铺垫。
(以太坊升级最新路线图)
截至4月12日，信标链运行顺利。上行数据显示，信标链拥有34.13万个节点，累计质押金额约1090.46万Eth，其中有效投票参与率为99.84%。自2021年10月15日起，节点数和质押总额稳步增长，每日验证者收入也在缓慢增长。
(信标链块数据，图片来自https://beaconscan.com/)
1.2“合并”即将到来
接下来，以太坊计划在2022年第二季度“合并”。共识层(PoS信标链)将与执行层(PoW原链)合并，原链的PoW部分将被停止。此次升级代表着以太坊正式切换到PoS共识。
值得注意的是，本次合并将停止原链的PoW验证，不会解锁此前质押给信标链的ETH。解锁将在合并后的第一个硬分叉中进行。这意味着没有PoS发行的ETH可以在解锁前发行，通过PoW增发的方式被叫停。以太坊进入了更强的通缩。另外，这次合并只是以太坊共识的改变，并不能提升性能。所以气费不会因为这次升级而改变，需要等到后期在升级中引入碎片，有效提高以太坊的可扩展性。
二。以太坊2.0方案
2.1以太坊2.0架构模型
从上到下，以太坊2.0的模型图如下：
1.PoW主链是原来的以太网主网。在以太坊2.0中，它将继续作为信标链的一个片段运行。
2.信标链是一个信标链，是整个以太坊2.0系统的中心部分。Casper consensus协调管理所有独立并行的碎片链，负责随机分配验证者给碎片链，对整个系统的安全性起着至关重要的作用。以交联作为各段的锚点，实现跨段通信，跟踪各段的当前状态，为以太坊提供最终的确定性保证。
3.碎片链是一个碎片链，以太坊2.0是可扩展性的来源。目前的计划是建立64个分片链，每个分片都有一组验证者委员会，负责分块打包验证。在不增加节点硬件要求和降低去中心化程度的情况下，可以大大提高网络性能和容量。
4.四号。VM层是虚拟机，是智能合约运行的基础环境，驱动整个以太坊。以太坊2.0将用eWASM取代目前的EVM，这将提高智能合约的兼容性和执行效率。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等编程语言，因此开发契约会更容易。此外，eWASM还兼容当前的Web标准，因此更容易在普通浏览器中运行，用户无需扩展程序即可访问dApp。
(以太坊2.0架构模型)
2.2主要解决方案
区块链有一个著名的不可能三位一体问题，即区块链系统不可能同时在可扩展性、安全性和去中心化上最优，所以需要在这三个指标之间做一个权衡来进行优化。例如，即使BCH扩大了块的大小，效率提高的效果也是有限的。EOS通过牺牲DPoS共识的去中心化来保证性能，但它导致人们担心安全问题。各种解法都无法完美解决不可能的三位一体问题。目前公链在可扩展性、交易效率、安全性能等方面还不能满足实际商业应用的需求。
本文定位于下一代分布式社会的底层平台以太坊，对不可能的三位一体问题提出以下解决方案：
通过分片提高网络性能和容量，解决性能问题；
通过共识机制PoW to PoS，降低节点门槛，支持更多用户参与，解决去中心化问题；
通过信标链和Casper共识机制，解决了分片和PoS引入的安全问题。
(以太坊2.0对不可能的三位一体问题的具体解决方案，图片来自欧院)
2.2.1解决性能问题——碎片
碎片)——提高了网络性能和容量。
是区块链扩容的最佳方案，在不增加节点硬件要求、不降低去中心化程度的情况下，大幅提升网络性能和容量。物理上，碎片化就是将公链网络中的所有节点分成不同的组，每个组称为一个碎片。原始公共链中的所有节点都必须执行相同的计算。所有节点比较结果相同后，写入块数据。整个网络受到网络中单个节点所能处理的任务上限的严重限制。现在，块内的任务被分组分配到不同的网段，单个网段内的节点只需要承担整个网络的部分工作。假设段数为n，则每个节点的工作负载为全网工作负载的1/n。所以每个碎片可以并行工作，从而提高整个网络的承载能力。同理，整个网络的容量也会变成原来的N倍。
(碎片物理空间图，图片来自TokenInsight 《分片技术研究报告》)
2.2.2解决分权问题——共识机制PoW to PoS
共识机制PoW to PoS——降低了节点门槛，支持更多用户参与。
在PoW机制下，成为验证节点的门槛很高，需要昂贵的专业矿机才能产生足够的计算能力与同行竞争。以太坊利用PoS机制，可以有效降低认证节点的准入门槛。任何认捐32 Eth的用户将有机会进入验证者委员会，该委员会由块验证者和块提议者的信标链随机算法选出，没有任何竞争。其中，分块提议者将事务打包提出新分块，其他分块验证者对新分块进行检查，最后合作完成分块过程，相比PoW共识节点大大简化了工作。
从而大大降低了以太网网络节点对硬件设备的要求，支持更多用户参与。参与验证的节点越多，以太网就越分散、去中心化，面对攻击时也就越安全。同时也会解决PoW需要大量计算能力浪费资源的问题。
(出节点过程，图片来自欧院)
2.2.3解决安全问题——信标链、Casper共识机制
而分片PoS共识机制的引入给以太坊增加了新的安全挑战。比如碎片化导致的单碎片51%攻击，碎片间的双花攻击，PoS共识机制导致的无害攻击，远程攻击，简单攻击。以太坊在这两种风险之间架起了桥梁，通过信标链和共识机制Casper解决了安全问题。
1)信标链——解决了51%碎片攻击和碎片间双花攻击的问题。
与普通区块链不同，信标链以时隙和历元代替“块”作为基本时间单位。
槽点：未来以太坊的每块瓷砖都会有一个验证者委员会来验证区块。审核委员会完成一个区块确认的时间(目前为12秒)分为两个步骤：区块提议和区块验证。如果可以在验证者委员会内部达成共识，则该槽可以成功生成一个块；否则，插槽无法封锁，形成“跳过”插槽，因此链上的封锁速度是不确定的。
Epoch(时间段):由多个时隙(目前为32个时隙)组成的时间段，为6.4分钟。验证者委员会的节点会在每个历元之后进行洗牌和重新分配，每个历元结束后会决定它们的奖惩金额。一个时期中的最后一个槽称为检查点。
(有说明槽位和纪元，图片从《区块的产出和确认》)
验证者随机分配给系统，解决碎片51%攻击问题。
区块链系统走出区块过程中的随机性至关重要。它必须是分布式的、可核查的、不可预测的和不可剥夺的。对于公链来说，在将全网任务划分为不同段的同时，也将计算能力划分为相应的段。对于单个碎片，只能保证原来1/n的计算能力。此时，对单个碎片发起51%攻击的难度将降低到原来的1/n，这将使该碎片更容易被恶意挖矿者控制。因此，碎片系统需要良好的随机性，以防止特定碎片受到单独攻击，信标链负责向系统提供这种随机性，它会为每个碎片随机选择一个验证者委员会。
验证者委员会是信标链随机选取的一组验证节点，负责见证信标链和每个片段产生的块。信标链有其对应的委员会，每个片段也有一组验证者委员会。该委员会负责确保碎片所在位置的安全性和完整性，并负责证明信标链上的碎片状态。
在每个时隙中，信标链在验证者委员会中为该链随机选择一个验证者，一定数量的其他验证者检查该块并验证其正确性。当下一个块发布时，从委员会中随机选择一个验证节点提出生成块，并使用另一组不同的验证节点验证正确性。
在完成一个时期的封锁和验证任务后，信标链将洗牌所有验证节点，并为每个分段随机选择下一个时期的新验证者委员会。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。
跨片通信解决片间双花攻击问题。
双花攻击是指分别给两个或两个以上的人送同样的钱。碎片也有双花问题。攻击者完全可以尝试向不同分片中的账户发送相同的钱来实施双花攻击，这需要良好的跨分片通信来避免双花攻击。
跨片段通信需要信标链的帮助。分片直接和信标链通信，信标链会同步更新所有分片的块头作为验证信息，所以不同的分片可以通过信标链进行通信。当信标链块完成时，相应的碎片块被认为是最终的，其余的碎片可以依赖它进行跨碎片事务。信标链作为枢纽，可以记录所有碎片的状态和信息，避免双花问题。
具体来说，当片段1向片段2发送消息时，片段1会将相关信息打包到其块头中。等待信标链将块1的块头打包到新块中。在信标链完成块一致性之后，块2将接收信标链广播的包含块1的块报头的信息。之后，片2会验证关于片1的信息，然后开始相关操作，并将完成的块信息发送到信标链。
(跨片交流过程，图片来自欧洲理工学院)
2) Casper——，共识机制，解决了无辜攻击、远程攻击和简单攻击问题，用奖惩机制规范节点行为。
Casper是以太坊2.0的核心共识协议，负责管理系统节点，奖惩验证者。
通过节点承诺解决PoS无辜攻击问题，通过奖惩机制规范节点的行为。
由于PoS中存在“无息攻击”的问题，即在PoS机制下，恶意节点验证者可以把钱押在分叉链上来推硬分叉，而不会有任何损失。因此，持币人需要向信标链抵押一定数量的Eth(目前为32Eth)才能申请成为节点，只有标记为“活动”后才能运行协议。
同时，信标链还将跟踪和管理认证节点。节点每成功打包一个方块，就会获得与所持令牌成正比的以太坊系统奖励。节点负责块释放、块验证，并始终在线完成系统分配给它们的任务。如果大多数验证者拒绝他们设置的块，节点将面临丢失抵押令牌的风险；如果验证者未能履行为区块投票的责任，他们所质押的Eth也将被没收；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。
保证链的最终确定性，避免PoS远程攻击和简单攻击。
远程攻击是指从创建块开始，创建比原主链更长的链，篡改交易历史替换原主链。简单攻击是指分叉链在单位时间内制造尽可能多的块，从而超过原主链长度的攻击。与PoW相比，PoS没有在两个块之间强制延迟的机制。攻击者可以在短时间内让改写历史的链条追上原来的主链。如果按照最长链原则决定，很有可能会篡夺真正的主链。
以太坊将通过每个历元一个检查点来实现链的最终确定性，以避免这样的风险。具体来说，以太坊将每个历元中的第一个槽块设置为检查点。参与的验证节点将对检查点进行投票。当一个检查点获得超过三分之二的票数，并且最后一个检查点也是确定性检查点时，那么这个检查点就是确定性检查点，这个块就变成确定性的，不可改变的。因此，Casper consensus的一个主要改进是引入了明确的最终确定性。只要最后一个检查点之前的所有块都被确认，块信息就不能再被篡改，不存在颠覆的可能，也不需要后续矿工使用它来增加确认块的安全性。
(关卡，图片来自欧院)
三。前景和风险
3.1前景
3.1.1确立行业地位
如果以太坊2.0成功实现，将彻底解决以太坊的性能瓶颈。以太坊凭借其目前最大的生态规模、升级后更低的气费、更快的交易速度，以及eWASM更好的开发者体验和更高的可访问性，将成为公链领域不可替代的存在。
3.1.2促进生态繁荣
受限于底层公链的性能瓶颈，区块链目前还不能服务实体应用，月活1000万以上的Dapp还没有出现。如果以太坊2.0成功实现，可以支持大规模的商业应用。届时，必将把公链赋能给实体，助推Web3的腾飞，千万级用户级Dapp也将涌现。
3.2风险
着陆风险
以太坊2.0开发难度大。虽然以太坊的框架已经确定，但很多细节还在不断讨论和修改中，存在落地风险。从架构图可以看出，完成以太坊2.0需要几大技术创新，设计开发智能契约分片和状态分片的难度极大。此外，还需要考虑与原有链条的过渡和兼容，进一步增加了实现的难度。作为一个开发了几年的平台，以太坊的代码结构已经变得非常复杂，底层虽然沉重，但是很难修改。对于原架构的修改，需要考虑很多因素。
竞争风险
根据公链TVL的对比数据，虽然左边饼状图中以太坊的公链仍以55.4%位居第一，但右边的面积图可以清晰地反映出以太坊的TVL比例正在下降，正在被其他公链蚕食。
(公链TVL图，图片来自defillama)
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。大部分都兼容智能合约层的以太坊码，可以让开发者最快捷方便的转移到自己的公链上。所以以太坊面临着很大的竞争压力。以太坊如果不能及时升级，就给了其他公链超越的机会。在高性能公链赛道中，Solana、Avalanche、Terra等公链竞争激烈，地址数量增长迅速。留给以太坊2.0的时间很紧迫。
参考文章：
TokenInsight 《分片技术研究报告》
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以太坊2.0系列：输出和确认区块
阅读以太坊升级：了解最新路线图，消除合并对PoS的误解。