以太坊“合并”计划及进展研究报告

前言：

近日，以太坊开发者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，将进行第一次主网影子分叉。 这意味着以太坊的“合并”即将到来。 “合并”是以太坊 2.0 可扩展蓝图上的一个关键里程碑。 届时，以太坊全网将过渡到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子分叉测试。

随着“合并”的临近，以太坊2.0的脚步也更进一步了。 它力求在不牺牲去中心化原则的情况下使区块链的应用更快、更便宜。 具体方案和流程再次成为人们热切关注的话题。 那么以太坊 2.0 到底是什么？ 包括哪些升级？ 最近好吗？ 它的到来将对行业的发展产生怎样的影响？ 欧易研究院将从以太坊2.0技术进展、以太坊2.0计划、展望与风险三个部分对以太坊2.0进行详细解读。

注：为迎接合并，以太坊基金会此前宣布，以太坊在升级协议的同时也面临着定位的改变。 到 2021 年底，核心开发者已经不再使用 Eth1.0 和 Eth2.0 的术语，而是使用“执行层”和“共识层”。 不过更名并未影响以太坊既定的升级路线。 由于以太坊2.0的称号已经深入人心，本文仍将使用“以太坊2.0”这个名称。

一、以太坊2.0的技术进展

1.1 路线规划

自成立以来，以太坊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数量远远落后于其他公链。 但即使是这样的一流地位也不意味着您可以高枕无忧。 定位为“世界计算机”的以太坊目前每秒只能处理20笔左右的交易，甚至难以支撑一个普通规模的商业应用。 体验变得很差，这在很大程度上限制了以太坊的发展。

以太坊 2.0 是解决以太坊当前网络性能瓶颈的既定计划。 致力于在不降低去中心化程度的情况下，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。 推动行业应用的爆发。

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“真实世界的计算机”。 为了实现世界计算机的目标，在2014年诞生之初就设定了四个发展阶段：Frontier（前沿）、Homestead（家园）、Metropolis（大都市）、Serenity（宁静）。 前三个阶段全部采用PoW模型，第四阶段“Serenity”是以太坊的最终形态，也就是我们常说的以太坊2.0。

至此，以太坊的前三期已经完成，第四期的开发正在进行中。 在此期间，将完成从 PoW 到 PoS 的转换，以及分片和 eWASM 代替 EVM 等重要升级。 升级完成后，以太坊的性能将得到大幅提升。

当然，第四阶段不可能一蹴而就，需要分阶段升级。 根据其最新的路线图，以太坊第四阶段升级的主要节点是2021年推出Q3信标链，2022年“合并”，以及之后实施的分片。 目前，信标链已于2020年12月上线，此后，信标链开始以PoS形式运行。 执行层出块的过程仍然由原链以 PoW 的形式进行。 以太坊进入了 PoW+PoS 混合挖矿系统。 阶段，为整个网络向 PoS 过渡铺平了道路。

（以太坊升级最新路线图）

截至4月12日，信标链运行平稳。 链上数据显示，信标链已有34.13万个节点，累计质押约1090.46万个ETH，有效投票参与率达到99.84%。 自2021年10月15日以来，节点数量和质押总量稳步增长，验证人每日收入也在缓慢增长。

（信标链区块数据，图片来源）

1.2 “合并”来临

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部分将停止。 此次升级代表着以太坊正式转向 PoS 共识。

□ 值得注意的是，本次合并将停止原链的PoW验证，不会解锁之前质押到信标链的ETH。 解锁将在合并后的第一次硬分叉中进行。 这意味着在解锁之前，没有任何通过PoS发行的ETH来释放流通，也停止了通过PoW增发的方式，以太坊进入更强烈的通缩。 另外以太坊什么时候停止挖矿的，本次合并只是以太坊共识的改变，并不能实现性能的提升。 因此，gas费不会因为这次升级而改变。 需要等到升级引入分片才能有效提高以太坊的可扩展性。

2. 以太坊2.0 解决方案

2.1 以太坊2.0的架构模型

以太坊2.0方案模型图中从上到下分别是：

1. PoW主链是原来的以太坊主网。 在以太坊 2.0 中，它将继续作为信标链的一个分片运行。

2. Beacon Chain即信标链，是整个以太坊2.0系统的核心部分。 Casper共识协调和管理所有独立平行的分片链，负责随机分配验证者到分片链上，对整个系统的安全起着至关重要的作用。 交联作为各个分片的锚点，实现跨分片通信，跟踪各个分片的当前状态，为以太坊提供最终性保证。

3. Shard Chains是分片链，以太坊2.0是可扩展性的源泉。 目前计划建立64条分片链，每个分片有一组验证者委员会负责打包和验证区块。 它可以在不增加节点硬件要求、不降低去中心化程度的情况下，实现网络性能和容量的大幅提升。

4. VM层是一个虚拟机，是智能合约运行的基础环境，驱动着整个以太坊的运行。 以太坊 2.0 将用 eWASM 取代当前的 EVM，这将提高智能合约的兼容性和执行效率。 因为eWASM比EVM有更好的性能和更好的扩展性，并且可以支持Solidity、C++、Rust、AssemblyScript等编程语言，所以开发合约会更加容易。 此外，eWASM 还兼容当前的 Web 标准，使其更易于在普通浏览器中运行，用户无需扩展即可访问 dApp。

（以太坊2.0架构模型）

2.2 关键解决方案

区块链有一个著名的不可能三角问题，即区块链系统不可能在可扩展性、安全性和去中心化三个指标上同时最优。 优化权衡的权衡。 即使 BCH 扩大了区块大小，提高效率的效果也非常有限。 EOS通过DPoS共识牺牲去中心化来保证性能，但也引发了人们对安全问题的担忧。 各种解法都不能完美解决不可能三角问题。 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。

以太坊定位于下一代分布式社会的底层平台，针对不可能三角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共识机制解决分片和PoS引入的安全问题。

（以太坊2.0对不可能三角问题的具体解决方案，图片来自欧亿研究院）

2.2.1 解决性能问题——分片（Shards）

分片 - 提高网络性能和容量

分片是区块链扩容的最佳方案。 它可以在不增加节点硬件要求、不降低去中心化程度的情况下，实现网络性能和容量的大幅提升。 在物理空间上，分片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。 本来，公链中的所有节点都要进行相同的计算，在所有节点的比较结果一致后，将区块数据写入区块数据。 整个网络受到网络中单个节点可以处理的任务上限的严重限制。 现在区块中的任务被分组分配给不同的分片进行处理，单个分片中的节点只需要承担整个网络的一部分工作。 假设分片数为n，则每个节点需要承担的工作量是全网工作量的1/n。 因此，各个分片可以并行工作，从而提高整个网络的承载能力。 同样的，整个网络的容量也会变成原来的n倍。

（Sharding物理空间图，图片来自TokenInsight《Sharding技术研究报告》）

2.2.2 解决去中心化问题——共识机制PoW to PoS

共识机制PoW转PoS——降低节点门槛，支持更多用户参与

在PoW机制下，成为验证节点的门槛较高，需要昂贵的专业矿机产生足够的算力才能与同行竞争。 通过PoS机制，以太坊可以有效降低验证节点的进入门槛。 任何质押 32 Eth 的用户都有机会加入验证者委员会，验证者委员会通过信标链的随机算法选出区块验证者和区块提议者，无需竞争算力。 其中，区块提议者将交易打包提出新区块，另一个区块验证者对新区块进行校验，最后共同完成出块过程，大大简化了PoW共识节点的工作。

这样大大降低了以太坊网络节点对硬件设备的要求，支持更多的用户参与。 参与验证的节点越多，以太坊网络就越去中心化和去中心化，在面对攻击时也就越安全。 同时也解决了PoW需要大量算力造成资源浪费的问题。

（节点块制作过程，图片来自欧亿研究院）

2.2.3 解决安全问题——信标链、Casper共识机制

分片和 PoS 共识机制的引入给以太坊增加了新的安全挑战。 比如分片带来的单分片51%攻击问题，分片之间的双花攻击问题，PoS共识机制带来的无害攻击、远程攻击、简单攻击问题。 以太坊通过信标链和共识机制Casper弥合了这两类风险，解决了安全问题。

1）信标链——解决分片51%攻击问题和分片间双花攻击问题

与普通区块链不同，信标链使用 Slot 和 Epoch 而不是“块”作为时间的基本单位。

Slot（时隙）：未来以太坊中的每个分片都会有一个验证者委员会来验证这个区块。 验证人委员会完成一次区块确认的时间（目前为12秒）分为区块提案和区域区块验证两个步骤。 如果验证者委员会能够达成共识，则该 Slot 可以成功出块，否则该 Slot 不能出块，形成“跳槽”Slot，链上出块速度不确定。

Epoch（period）：由多个slot（目前为32）组合而成的时间段，6.4分钟。 验证人委员会的节点会在每个Epoch结束后进行洗牌和重新分配，其奖惩也将在每个Epoch结束后确定。 Epoch 中的最后一个 Slot 称为 Checkpoint（检查点）。

（Slot和Epoch的图示，图片来自《区块输出与确认》）

系统随机分配验证者，解决碎片化问题 51%攻击

区块链系统出块过程中的随机性至关重要。 它必须是分布式的、可验证的、不可预测的和不可转让的。 对于公链来说，当整个网络的任务被划分到不同的分片中时，算力也被划分到相应的分片中。 对于单个分片，只能获得原始的 1/n 算力保证。 此时对单个分片发起51%攻击的难度也会降低到原来的1/n，这会使得分片更容易被恶意矿工控制。 因此，对于分片系统来说，需要良好的随机性来防止特定的分片被单独攻击以太坊什么时候停止挖矿的，而信标链负责为系统提供这种随机性，它会为每个分片随机选择验证点。 委员会。

验证人委员会是由信标链随机选出的一组验证节点，负责见证信标链和各个分片产生的区块。 信标链有自己的委员会，每个分片都有自己的验证者委员会。 委员会负责确保其所在分片的安全性和完整性，并证明信标链上分片的状态。

在每个 Slot 中，信标链会在验证者委员会中为本链随机选择一个验证者负责出块，并由一定数量的其他验证者检查该区块并验证其正确性。 下一个区块生成时，从委员会中随机选出一个验证节点提议生成一个区块，并由另一组不同的验证节点来验证其正确性。

在完成一个 Epoch 的出块和验证任务后，信标链将重新洗牌所有验证节点，并为每个分片随机选择下一个 Epoch 的新验证人委员会。 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串通，提高了协议的安全性。

跨分片通信，解决分片间双花攻击问题

双花攻击是指将相同的资金发送给两个或更多人。 分片中也存在双花问题。 攻击者可以尝试将同一笔资金发送到不同分片中的账户，从而实施双花攻击。 这需要跨分片通信来避免双花攻击。

跨分片通信需要借助信标链完成。 分片直接与信标链通信。 信标链会同步更新所有分片的区块头作为验证信息，不同的分片可以通过信标链进行通信。 当一个信标链区块敲定后，对应的分片区块就被认为敲定了，其余的分片可以依赖它进行跨分片交易。 信标链作为枢纽，可以记录所有分片的状态和信息，避免双花问题。

具体来说：当分片 1 向分片 2 发送消息时，分片 1 会将相关信息打包到自己的区块头中。 等待信标链将分片1的区块头打包成新的区块。 信标链完成区块共识后，分片2会收到信标链广播的包含分片1区块头的信息，之后分片2会验证分片1的信息并开始执行相关操作，发送完成的区块信息到信标链。

（跨分片通信过程，图片来自欧亿研究院）

2）共识机制Casper——解决无害攻击、远程攻击、简单攻击等问题，以奖惩机制规范节点行为

Casper是以太坊2.0的核心共识协议，负责管理系统节点和奖惩验证者。

通过节点质押解决PoS无利益攻击问题，以奖惩机制规范节点行为

由于 PoS 存在“无利可图攻击”的问题，即在 PoS 机制下，恶意节点验证者可以将自己的币押在分叉的链上，从而毫无损失地推动硬分叉。 因此，代币持有者需要向信标链抵押一定数量的Eth（目前为32Eth）申请成为节点，协议只有在被标记为“活跃”后才能运行。

同时信标链也会对验证节点进行跟踪和管理。 节点每成功打包一个区块，就会获得与其持有的 Token 成正比的以太坊系统奖励。 节点负责生成区块、验证区块，需要一直在线，以完成系统分配给它们的任务。 如果大多数验证者拒绝他们创建的区块，节点将面临失去抵押代币的风险； 如果验证者未能履行对区块进行投票的责任，其质押的 Eth 也将被罚款； 如果验证节点的余额下降，低于验证阈值，将被踢出验证节点池，不能继续参与验证工作。 因此，Casper 通过奖惩制度迫使验证者诚实行事并遵守共识规则。

保证链的最终性，避免PoS远程攻击、简单攻击

远程攻击是指从创世块开始，创建一条比原主链更长的链，篡改交易历史以替换原主链。 简单攻击是指分叉链在单位时间内尽可能多地创建区块，从而超过原主链长度而形成的攻击。 与 PoW 相比，PoS 没有强制两个区块之间延迟的机制。 攻击者可以让改写历史的链在短时间内赶上原来的主链。 如果按照最长链的原则来判断，很有可能是一条真正的主链被篡夺了。

以太坊会在每个 Epoch 周期通过一个检查点来实现链的最终确定性，以避免此类风险。 具体来说，以太坊将每个 Epoch 中的第一个 Slot 块设置为检查点。 参与对检查点进行共识投票的验证者。 当该检查点获得超过2/3的选票，且前一个检查点也是确定性检查点时，则该检查点为确定性检查点，该区块变为确定性不可更改。 因此，Casper 共识的一个重大改进是引入了明确的最终确定性。 只要最终性检查点之前的区块被确认，区块信息就不能再被篡改，不存在被颠覆的可能，也不需要后续矿工为已经确认的区块增加安全性。

（关卡，图片来自欧亿研究院）

三、展望与风险

3.1 展望

3.1.1 确立行业地位

如果以太坊 2.0 成功实施，将彻底解决以太坊的性能瓶颈。 凭借其目前最大的生态规模、升级后更低的gas费用和更快的交易速度，再加上eWASM更好的开发者体验和更高的可访问性，以太坊将成为公链领域不被颠覆的存在。

3.1.2 促进生态繁荣

受限于底层公链的性能瓶颈，目前的区块链无法为实体应用服务，月活数千万级以上的Dapp尚未出现。 如果以太坊 2.0 成功实施，将能够支持大规模的商业应用。 届时，公链将向实体赋能，助推Web3的腾飞，千万级用户的Dapp也将涌现。

3.2 风险

3.2.1 着陆风险

以太坊 2.0 的开发难度更大。 虽然以太坊的框架已经确定，但很多细节还在讨论和修改中，存在实施风险。 从架构图中可以看出，以太坊2.0的完成需要几项重大的技术创新。 智能合约分片和状态分片的实现本身的设计和开发难度极大。 此外，还要考虑与原链的整合。 过渡和兼容进一步增加了实施难度。 作为一个发展了几年的平台，以太坊的代码结构已经变得非常复杂。 底层很重，修改难度大。 对原有结构的修改会影响到整个身体。 需要考虑很多因素。

3.2.2 竞争风险

从公链TVL对比数据来看，虽然左侧饼图中以太坊公链仍以55.4%位居第一，但右侧的面积图可以明显反映出以太坊上的TVL比例正在下降，正在被其他连锁店。 公链蚕食。

（公链TVL图，图片来自defillama）

许多公链致力于解决以太坊目前面临的扩容和性能问题。 大部分在智能合约层兼容以太坊代码，可以让开发者以最快最便捷的方式转移到自己的公链上。 因此，以太坊的竞争压力非常大。 如果以太坊不能及时完成升级，就会给其他公链一个超越的机会。 在高性能公链赛道，Solana、Avalanche、Terra等公链竞争激烈，地址数量快速增长。 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》

以太坊2.0来了，你还不知道Casper吗？

以太坊2.0系列：区块输出与确认

了解以太坊升级：了解最新路线图，消除对合并转PoS的误解