以太坊新升级 (2.0)

由 Alchemy 编写

由 Brady Werkheiser 审核

发布于 2022 年 3 月 9 日，阅读时长 7 分钟

以太坊 Logo

注意：本概述包含过时的内容。自从撰写以来，以太坊成功完成了“The Merge”，并过渡到使用信标链提供的 Proof-of-Stake 共识。主网分片的计划转向了由 danksharding 和 模块化设计原则 提供支持的 以 Layer-2 为中心的路线图。

当以太坊首次为一个新的去中心化世界奠定基础时，它以其对智能合约和去中心化应用程序（DApps）的原生支持吸引了用户。然而，数百万人的采用是能源密集型的，并导致了极高的 gas 费用、网络拥塞、较长的交易时间和较大的区块链规模——这些问题在以太坊采用的工作量证明共识机制中并不少见。

什么是 Ethereum 2.0？

以太坊最初称其新的升级为 Ethereum 2.0 或 Eth2。但是，截至 2022 年 1 月 24 日，由于用户之间的误解，他们已弃用该术语。以太坊现在更喜欢使用术语“执行层”（Eth1）和“共识层”（Eth2）。

此以太坊升级并非旨在取代执行层，而是对其进行补充。因此，没有 Eth2，只有一个更好、更进化的以太坊。

此升级也称为 Serenity，旨在通过使其更可持续、可扩展和安全来解决以太坊的一些结构性问题。

以太坊将很快包括两个关键升级：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。这些机制允许给定加密网络的所有计算机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”其 ETH 的验证者网络确认，而不是矿工进行 PoW 计算。通过摆脱计算密集型的 PoW 流程，以太坊未来的能源消耗将大大降低。

添加分片

在分片中，区块链被分成多个部分，从而分散了网络的负载。以前，节点必须处理整个区块链的交易，但通过分片，节点现在只需维护其分片的交易。

过渡到权益证明

以太坊的计划举动正值 Algorand 和 Solana 等新的区块链越来越受欢迎之际，部分原因是它们在 PoS 方面优于以太坊。这些优势通常会导致更低的交易费用和更快的最终确定时间（速度）。

许多人将权益证明和类似的共识机制视为未来的标准，包括以太坊的创始人 Vitalik Buterin，他认为大多数区块链最终将使用权益证明。

权益证明和工作量证明有何不同？

以太坊目前使用 PoW，最初由比特币开创。PoW 由矿工组成，通常以矿池的形式出现，他们竞争解决复杂的数学问题。在此过程中，矿工竞相计算与比特币当前目标匹配的 哈希 值。第一个找到此正确 哈希 值的矿工，最终会使用新验证的交易更新区块链，并获得链的代币作为奖励。

虽然 PoW 是一种经过验证且安全的共识方法，但随着区块链网络的扩展，它已变得越来越不切实际且能源密集。像以太坊这样的智能合约兼容网络会产生大量的交易量。使用 PoW 验证这些交易需要巨大的计算能力。

PoS 通过用一种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的代币作为抵押品，以便作为网络中的验证者参与。与 PoW 不同，PoS 需要的计算能力显着降低，因为不是所有人同时竞争，而是随机选择一个验证者。

当选择一个验证者时，他们将赢得写入区块链的权利，然后该信息由网络的其余部分在一个称为认证的过程中进行验证。作为回报，验证者会获得链的代币奖励。如果选择的验证者提出了不正确或恶意的区块，它将在一个称为削减的过程中失去其质押。为了在升级后的以太坊上运行验证者节点，一个人必须质押至少 32 个 ETH。

什么是分片？

分片是计算机科学中一个常见的概念，是指拆分数据库以分散负载的想法。对于以太坊来说，这将意味着将网络分成 64 条链，称为“分片”。与当前的以太坊主网类似，每个分片最终将包含其自己的一组帐户余额和智能合约。

通过将区块链分成多个部分，验证者将不再负责处理以太坊网络上广播的每笔交易。相反，验证者将在他们自己的分片上验证新块，然后由“委员会”（128 个随机选择的验证者）在主要的以太坊链上确认。一旦一个分片块有足够的证明，就会创建一个与信标链的“交叉链接”，以确认整个网络的交易。

以太坊分片

信标链是分片的主要协调机制。它负责将分片状态信息中继到其他分片和从其他分片中继，并管理验证者流程。信标链将生成随机数，以分配质押者来验证分片链。

这将如何影响可持续性？

由于 PoS 依赖于质押货币而不是像 PoW 那样的计算能力，因此它的能源密集度要低得多。这对以太坊来说是一个重要的改进，因为据估计，该网络目前的 年化消耗量为 112.9 TWh，大致相当于荷兰的年消耗量（一个拥有 1740 万人口的国家）。

以太坊开发团队估计，这种转变可以将 能源消耗降低 99.95%。

以太坊功耗

这将如何影响可扩展性？

除了能源效益外，PoS 和分片还将大大扩展以太坊的容量。

目前，以太坊网络每秒只能支持 15 笔交易。随着数百万用户加入和每天推出新的应用程序，此交易限制已严重限制了以太坊的效用。此外，当前的共识机制要求每个节点都拥有整个网络的数据，该数据已超过 1TB。随着网络的扩展，这些不断增长的磁盘空间需求是不可持续的，并限制了谁可以运行节点。

使用 PoS，运行节点将不需要在硬件和能源方面进行如此巨大的投资，并且这些成本不会随着网络规模的增长而增加。

此外，添加分片最终将缓解网络的拥塞，因为可以同时处理更多的交易，并且存储需求也会减少。根据以太坊开发团队的说法，这些更改可以使吞吐量达到每秒 100,000 笔交易。

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提高安全性。硬件要求将会降低，从而降低了网络中更多节点的准入门槛。升级后，以太坊将至少有 16,384 个验证者，而 目前的验证者为 2,700 个。

切换到 PoS 还可以进一步阻止潜在的攻击。首先，验证者尝试进行的攻击可能会导致协议销毁验证者质押的 ETH，这称为削减。其次，诸如 51% 攻击 或 女巫攻击 之类的攻击现在将要求攻击者持有 51% 的质押 ETH，而不是控制网络 51% 的算力。这不仅是不切实际的数量（截至今天约为 150 亿美元），而且可能会导致 ETH 的大幅贬值，从而阻止这种攻击。

我们在以太坊的开发时间轴中处于什么位置？

以太坊的开发时间轴

升级之前

2015 年，Vitalik Buterin 认识到 需要进行 PoS 升级。此升级不仅是对该平台的重大升级，而且还实现了 Buterin 长期以来对以太坊的愿景，以及以太坊基金会核心团队多年来一直在努力实现的目标。

“你可以将 Ethereum 1.0 视为原型。我们不得不发布一些我们知道无法扩展的东西，以证明你可以构建去中心化应用程序。”——以太坊联合创始人 Joe Lubin。

信标链

2020 年 12 月 1 日，信标链（此新升级的第一部分）上线。目前，信标链和以太坊主网作为并行链存在，我们使用原始以太坊链的方式没有任何改变。

信标链更新将 PoS 引入以太坊。用户现在可以使用存款合约将其 ETH 从主网转移到信标链，从而使他们可以质押其 ETH 并进一步保护信标链。但是，在以太坊主网在下一次更新（称为“合并”）中与信标链“对接”之前，提款是不可能的。这意味着质押其 ETH 的人将不得不等待一段时间才能获得回报。目前，在大约 1.2 亿的总供应量中，质押了大约 1000 万个 ETH。

最初，验证者将仅向信标链添加新块。但是，一旦发生“合并”，这些验证者将开始向主要的以太坊网络贡献区块。

在建立 PoS 时，信标链为分片的发生提供了必要的基础架构。最终，信标链将负责随机分配分片链验证者，这对于提供安全分片是必需的。分片计划在“合并”之后的升级中添加。

The Merge

最初计划在 21 年第四季度进行的合并现在计划在 22 年第二季度进行。完成后，以太坊主网将成为信标链中的一个分片，并且 PoS 将成为官方共识机制。以太坊主网分片将使用 PoS，从而结束以太坊的 PoW 和挖矿。

通过添加主网，这个新的 PoS 以太坊现在将包含执行智能合约的能力，并拥有以太坊的所有完整历史记录和状态。

重要的是要注意，在合并之后不会立即支持诸如提取质押 ETH 之类的功能。相反，这些功能计划在随后的第一个硬分叉中启动。

分片链

预计在 2023 年推出，分片链将通过两次更新来实现。

版本 1：数据可用性

分片链最初只会向以太坊网络提供额外数据，添加 63 条新链（总共 64 条）。在启动时，它们将不支持交易或智能合约。但是，这些添加的链以及 Rollup 将大大提高交易容量并降低 gas 费用，从而为 每秒数万笔交易 铺平道路。

Rollup 是一种 Layer 2 解决方案，可以在主以太坊链（Layer 1）之外执行交易，然后将已完成的交易数据发布到 Layer 1。将交易“汇总”到单个链下交易中的过程具有显着的可扩展性优势。

版本 2：代码执行

升级的最后一部分将使分片更类似于当前的以太坊主网，从而使它们能够处理交易并执行智能合约。分片还可以相互通信，从而允许跨分片交易。

以太坊社区内部对是否需要采取此步骤存在争议。许多人认为在“版本 1：数据可用性”中提供的每秒交易次数的增加就足够了，因此不需要“更智能”的分片。

执行分片在多大程度上对于加速交付是必要的还有待观察。

以太坊升级的更广泛影响

一旦以太坊升级实现，以太坊可能会解决其区块链整体生态系统面临的许多瓶颈。撰写本文时，Gas 价格很容易超过 80 Gwei（约 30 美元），这使得少量金额的转移变得不切实际，因此限制了用户群。此外，这种拥塞导致交易时间过长，在许多情况下需要几个小时。这进一步限制了以太坊当前的效用。

随着以太坊在可持续性、可扩展性和安全性方面取得的最新进展，许多这些瓶颈将得到改善，从而为更多以太坊的采用和用例铺平了道路。

虽然整个 Web3 领域肯定会受益于升级带来的技术增强，但 DeFi 的某些领域（例如借贷和收益耕作）可能会面临更大的竞争，因为质押可能会成为这些投资策略的替代方案。但是，这很可能是不必要的担忧，至少在短期内如此，因为 DeFi 收益通常超过升级后的以太坊的质押奖励。

DApp 过渡到这项新技术需要多长时间仍然是一个悬而未决的问题。Skale 网络（Skale Labs 的创建者）的首席执行官 Jack O’Holleran 建议，大多数 DApp 将等到合并完成，并且很可能会在“他们闲暇时”之后的某个时候进行过渡。尽管尚不清楚升级何时完成或完全采用，但很明显，完成后，它将为整个生态系统带来巨大的改进潜力。

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📚 目录

• 什么是 Ethereum 2.0？
• 过渡到权益证明
• 权益证明和工作量证明有何不同？
• 什么是分片？
• 这将如何影响可持续性？
• 这将如何影响可扩展性？
• 这将如何影响安全性？
• 我们在以太坊的开发时间轴中处于什么位置？
• 以太坊升级的更广泛影响

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