以太坊2.0方案及进展研究报告

近日，以太坊开发者 Marius van der Wijden 在社交平台上表示，他目前正在以太坊上测试 PoS 机制，并将进行主网的第一次影子分叉。这意味着以太坊“合并”即将到来，这是以太坊2.0可扩展蓝图上的一个关键里程碑，届时整个以太坊网络将过渡到PoS共识机制。

此外，以太坊2.0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的步伐也在进步。它力求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。具体方案和流程再次成为热议话题。那么以太坊 2.0 到底是什么？包括哪些升级？到目前为止进展如何？它的到来会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、展望及风险三个方面对以太坊2.0进行详细解读。

注：为了迎接合并的到来，以太坊基金会此前宣布，以太坊在升级协议的同时，也面临着定位的变化。2021 年底，核心开发者停止使用 Eth1.0、 Eth2.0 术语分别替换为“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这个名字已经深入人心，本文将继续使用“以太坊2.0”这个名字。

以太坊2.0技术进展

路线规划

自成立以来，以太坊就牢牢占据了第一公链的地位，拥有全球最大的开发者社区。DAPP的数量远远落后于其他公链。但即使是这种首要地位也不意味着您可以高枕无忧。以太坊定位为“世界计算机”，目前每秒只能处理20笔左右的交易，即使是普通规模的商业应用也难以支撑。频繁的拥塞事件导致的高昂gas费用和等待打包交易，让用户更加困难。体验变差了，很大程度上限制了以太坊的发展。

Ethereum2.0 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的应用，推动行业应用的爆发式增长。

以太坊的目标是成为分布式金融和智能合约执行平台，“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，就设定了4个发展阶段：Frontier（前沿）、Homestead（家）、Metropolis（大都会）、Serenity（安静）。前三个阶段都采用PoW模型，第四阶段“安静”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，第四阶段的开发工作正在进行中。在此期间，将完成从 PoW 到 PoS 的转换，以及分片和 eWASM 取代 EVM 等重要升级。车间的业绩将大大提高。

当然，第四阶段不可能一蹴而就，会分阶段升级。根据其最新路线图，以太坊第四阶段升级的主要节点是2021年Q3推出信标链，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 的形式运行。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PoW+PoS混合挖矿系统。阶段，为全网过渡到 PoS 做铺垫。

（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，信标链拥有3个4.130,000个节点，累计质押总量约为1090.460,000 ETH，其中有效投票参与率为99. 84%。自 2021 年 10 月 15 日以来，节点数量和 Staking 总量稳步增长，验证者每日收益也在缓慢增长。

（信标链区块数据，图片来自）

“并购”来了

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。本次升级代表以太坊正式转向 PoS 共识。

值得注意的是，本次合并将停止对原链的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。这意味着在解锁之前，PoS增发的ETH都无法释放流通，通过PoW增发的方式已经停止，以太坊进入了更强的通缩。另外，本次合并只是以太坊共识的改变，并不能实现性能提升。因此，GAS 费用不会因此次升级而改变。需要等到后续升级中引入分片，才能有效提升以太坊的可扩展性。

以太坊2.0 方案

以太坊2.0 架构模型

以太坊2.0方案模型图中从上到下分别为：

（以太坊2.0 架构模型）

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同时在可扩展性、安全性和去中心化方面达到最优。权衡使优化权衡。即使BCH扩大区块大小，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，但它导致人们担心安全问题。各种解决方案都无法完美解决不可能三角问题。目前，公有链在可扩展性、交易效率、安全性能等方面都不能满足实际商业应用的需求。

以太坊定位为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PoW到PoS的共识机制，降低节点门槛，支持更多用户参与，解决去中心化问题；

分片和 PoS 引入的安全问题通过信标链和 Casper 共识机制解决。

（以太坊2.0对不可能三角问题的具体解法，图片来自欧亿研究院）

分片是区块链扩展的最佳解决方案。在不增加节点硬件要求、不降低去中心化程度的情况下，可以大幅提升网络性能和容量。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。原本公链上的所有节点都要进行相同的计算，在所有节点的比对结果一致后才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到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部分工作。假设分片数量为n，每个节点需要承担的工作量是全网工作量的1/n。因此，每个分片可以并行工作，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。

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

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算力与同行竞争。通过采用 PoS 机制，以太坊可以有效降低验证节点的准入门槛。任何质押 32 ETH 的用户将有机会进入验证者委员会，该委员会由信标链的随机算法选出，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议新区块，其他区块验证者对新区块进行验证，最后协同完成区块生成过程，大大简化了PoW共识节点的工作。

这样，以太坊网络节点对硬件设备的要求大大降低，让更多的用户参与进来。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，在面对攻击时也会更加安全。同时也解决了PoW需要大量算力造成的资源浪费问题。

（节点出块过程，图片来自欧亿研究院）

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

Beacon Chain - 解决分片51%攻击和分片间双花攻击的问题

与普通区块链不同，信标链使用 Slots 和 Epochs 而不是“块”作为基本时间单位。

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区块。验证者委员会完成一个区块确认的时间（目前为 12 秒）分为区块提议和区块验证两个步骤。如果验证者委员会内部能够达成共识，则槽位可以成功出块，否则槽位不能出块，形成“跳过”槽位，因此链上出块的速度是不确定的。

Epoch：多个Slots（目前为32个）形成的时间段为6.4分钟。验证者委员会的节点会在每个 epoch 之后进行洗牌和重新分配，并且他们的奖惩金额也在每个 epoch 之后确定。Epoch 中的最后一个 Slot 称为 Checkpoint。

（Slot 和 Epoch 图以太坊全球节点数量，图片来自《出块与确认》）

为系统随机分配验证者，解决分片 51% 攻击的问题

区块链系统出块过程的随机性至关重要，它必须是分布式的、可验证的、不可预测的、不可分割的。对于公链来说，当整个网络的任务被划分到不同的分片时，计算能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，这会使分片更容易受到恶意攻击。矿工控制。因此以太坊全球节点数量，对于一个分片系统来说，需要良好的随机性来防止特定的分片被单独攻击，而信标链负责为系统提供这种随机性。它为每个分片随机选择验证。委员会。

验证人委员会是信标链随机选择的一组验证人，负责见证信标链和每个分片产生的区块。信标链有相应的委员会，每个分片也有一组验证者委员会。委员会负责确保其所在分片的安全性和完整性，并负责证明信标链上分片的状态。

在每个时隙中，信标链在验证人委员会中随机选择一名验证人负责出块，并由一定数量的其他验证人对该区块进行检查并验证其正确性。当下一个区块产生时，会从委员会中随机选择一个验证节点提议出块，并替换另一组验证节点来验证正确性。

在完成一个 Epoch 的出块和验证任务后，信标链将对所有验证节点进行重新洗牌，并为每个分片随机选择一个新的验证者委员会用于下一个 Epoch。借助随机数生成算法，验证节点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分别发送给两个或更多人。分片也存在双花问题。攻击者完全可以尝试将相同的资金发送到不同分片的账户来实施双花攻击，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，不同分片可以通过信标链进行通信。当一个信标链区块完成时，对应的分片区块被认为是最终的，剩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 shard 1 向 shard 2 发送消息时，shard 1 会将相关信息打包到其区块头中。等待信标链将分片 1 的区块头打包成一个新区块。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 的区块头信息。之后分片 2 会验证分片 1 的信息，然后开始执行相关操作，并发送完成的区块信息到信标链。

（跨分片通信过程，图片来自欧易研究院）

Casper 是以太坊2.0 的核心共识协议，负责管理系统节点并对验证者进行奖惩。

通过节点质押解决PoS无害攻击问题，通过奖惩机制规范节点行为

因为 PoS 存在“无益攻击”的问题，即在 PoS 机制下，恶意节点验证者可以将自己的币质押在分叉的链上，从而在没有任何损失的情况下推动硬分叉。因此，代币持有者需要向信标链质押一定数量的 ETH（目前为 32Eth）申请成为节点，并且只有在被标记为“活跃”后，协议才能运行。

同时，信标链还跟踪和管理验证节点。节点将收到与他们成功打包的每个区块所持有的代币成比例的以太坊系统奖励。节点负责生产区块、验证区块，并且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构建的区块，节点将面临丢失其质押代币的风险；如果验证者未能履行其为区块投票的责任，其质押的 ETH 也将被削减；如果验证者余额减少，如果达到验证阈值，将被踢出验证节点池，无法继续参与验证工作。因此，

保证链的最终性，避免PoS远程攻击和简单攻击

远程攻击是指从创世区块开始，创建一条比原主链更长的链，篡改交易历史来替换原主链。简单攻击是指分叉链在单位时间内创建尽可能多的区块以超过原始主链长度的攻击。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。主链被篡改。

以太坊将通过每个 epoch 周期的检查点来实现链的终结性，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。参与检查点共识投票的验证者。当 checkpoint 已经获得了超过 2/3 的选票，并且之前的 checkpoint 也是确定性的 checkpoint 时，那么这个 checkpoint 就是一个确定性的 checkpoint，这个 block 就变成了确定性的，不可更改的。因此，Casper 共识的一个重大改进是引入了明确的确定性。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，也不需要后续矿工对已确认的区块增加安全性。

（关卡，图片来自欧亿研究院）

展望与风险

外表

Ethereum2.0，如果成功实现，将彻底解决以太坊的性能瓶颈。以太坊目前最大的生态规模，升级后的gas费用更低，交易速度更快，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可逆转的存在。

受限于底层公链的性能瓶颈，目前的区块链无法服务于物理应用，月活跃用户过千万的Dapp还没有出现。如果以太坊2.0成功实现，就可以支持大规模的商业应用。届时，公链将赋能实体，助推Web3的腾飞，数百万用户的Dapp将应运而生。

风险

以太坊2.0 很难开发。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，存在落地风险。从架构图中可以看出，要完成以太坊2.0，需要几大技术创新。智能合约分片和状态分片的实现本身是极难设计和开发的。考虑到与原链的过渡和兼容，进一步增加了实现的难度。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，底层很难修改。对原有结构的修改会影响到全身，需要考虑很多因素。

从公链TVL的对比数据来看，虽然以太坊公链在左边的饼图中仍然以55.4%的比例位居第一，但是右边的面积图可以清晰的反映以太坊上的TVL比例不断衰落，被其他公链侵蚀。

（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。其中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、最方便的方式转移到自己的公链上。因此，以太坊面临的竞争压力非常大。如果以太坊不能及时完成升级，就会给其他公链超越的机会。在高性能公链赛道上，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。