科普 | 五分鐘了解以太坊2.0

作者?|?ConsenSys翻譯:子銘

導語:預計將于2020年推出的以太坊2.0,標志著人們期待已久的以太坊主網的升級即將開始。本文將簡要介紹以太坊2.0的全貌,并為其下一階段的發展做準備。

以太坊2.0是目前以太坊主網的重大升級,其目的在于通過分片等技術解決以太坊的擴展性問題。

 

以太坊2.0的歷史

 

以太坊 2.0在以太坊社區并不是一個新的想法。自其誕生以來,有關改變以太坊底層共識機制,以解決工作量證明(PoW)的局限性的想法就一直存在。在主網Frontier于2015年7月推出之后,有關以太坊2.0升級的討論從未斷過。

  • Homestead(家園), March 2016
  • Metropolis(大都會): Byzantium(拜占庭), October 2017
  • Metropolis(大都會): Constantinople(君士坦丁堡), February 2019
  • Istanbul(伊斯坦布爾), December 2019

與過去以太坊的多次升級相比,以太坊2.0的推出意義尤為重大,因為它將實現的權益證明共識機制(PoS),將把工作量證明(PoW)從現有網絡中移除。

 

權益證明(PoS)

 

權益證明(PoS)是以太坊2.0中最重要的變化,因為它變革了區塊鏈驗證的經濟激勵結構。目前的激勵結構由PoW共識來維持。使用PoW的公鏈大多都為人熟知(包括BTC、ETC、LTC等),并且它也是迄今為止使用最多的共識機制。PoW機制的礦工們運行節點,并消耗算力來解決復雜的數學問題,競爭下一個區塊的打包權。

礦工在PoW鏈上運行硬件和消耗電力所需的時間和資金會通過區塊獎勵得到補償,即區塊獎勵分配給成功挖到區塊的礦工。PoW共識算法是非常安全的,個體要想破壞像BTC或以太坊這類成熟的PoW公鏈所需的算力是非常大的,甚至如此龐大的算力可能根本不存在。

雖然PoW機制十分安全,但PoW共識也存在可擴展性(Scalability)可訪問性(Accessibility)的問題。

可擴展性:由于每個區塊是按順序開采的,而且每個區塊中可以記錄的數據量是有限的(即區塊大小有限),因此以太坊在給定的時間內只能處理有限的信息量。如果待處理的交易數量超過了一個區塊所能容納的數量,那么剩余的交易就必須等到下個或之后的區塊驗證??蓴U展性問題將通過在PoS網絡上分片(sharding)的實現(見下文)來解決。

可訪問性。PoW礦工對于我們在過去十年中看到的去中心化技術的產生和發展,起到了根本性作用。雖然PoW公鏈有著諸多優勢,但成為礦工的準入門檻相當高。個人必須購買和設置所有必要的硬件才能成為礦工,且要想從區塊鏈獎勵中獲得可觀的總收益,個人可能還得必須居住在電力成本較低的地區。進一步說,往往對于企業和公司來說,其電力成本是會低一些的,這意味著一個礦工要想獲得最大收益的話也許還需要組建一個公司,并購買足夠多的挖礦硬件來增大挖礦概率。幾家最大的挖礦集團會讓大多數普通區塊鏈用戶無法真正參與到網絡的維護中來,這也就導致了礦工的中心化。在以太坊 2.0中,PoS的目標之一是讓更多的個人驗證者參與進來,通過公平競爭來分享維護網絡的回報。

股權證明分別用驗證者(validator)和質押行為(staking)取代了PoW兩個最重要的組成部分:礦工和電。廣義上講,驗證者取代了礦工成為維持網絡約定狀態的節點,并通過下一個區塊的隨機選擇獲得獎勵。與PoW不同(礦工通過消耗電力達到區塊確認),PoS系統中的驗證者只需投入32個ETH就可將利益與系統綁定。

在以太坊 2.0中驗證者通過將資金(至少質押32個ETH)存入以太坊基金會開發的官方存款合約(official deposit contract)。驗證者將下載并運行以太坊2.0客戶端軟件。在運行客戶端軟件的同時,他們將被隨機抽中在鏈上打包或驗證區塊。正確打包并驗證區塊的驗證者將獲得ETH(其數額為驗證者所質押的ETH占所有驗證者的比例)作為獎勵。

在以太坊2.0中,如果驗證者未能保持在線(stay online)并執行他們所承擔的計算責任(computational responsibilities),那么他們的區塊獎勵將相應減少,這樣以激勵驗證者盡可能持續保持在線。如果驗證者惡意地試圖破壞網絡(比如驗證錯誤的數據記錄),他們所質押的32個ETH或部分將會被沒收。在PoS網絡中,針對惡意行為者的經濟激勵機制更強(即讓惡意行為者更沒有動力這樣做),而在PoW中,攻擊失敗的經濟風險僅是達到一定算力所需的電力成本,向PoS系統發起攻擊的成本等于質押的ETH數量(即懲罰)。相比于更抽象的電費成本而言,損失相應數額金錢的風險給那些想要發起攻擊的個人所帶來的直觀感受更強。PoW攻擊失敗的結果是電費的損失,而沒收驗證者的質押資金相當于PoW礦工在一次失敗的攻擊中燒毀了整個礦場。簡而言之,PoS體系可使得個人維護整個網絡的動機更強。

雖然硬件成本的節約使得成為驗證者的準入門檻比成為礦工要低許多,但事實上,沒有多少人擁有32個ETH或者愿意冒著近6000美元(約190美元/ETH)的風險去質押。那些具有足夠的專業知識,能夠讓整個系統在不停機和沒有資金損失的前提下良好運行的專家人數也不并不多?,F在我們預計有兩種解決準入問題的解決辦法:為了技術難題所帶來的障礙,有公司開始提供質押服務,通過這種服務,他們將幫助其他人質押32ETH,通過從中獲得的收益來維持客戶端的運營。如果一個ETH持有者可質押的ETH數量小于32,那么他可以加入一個質押池(staking pool),從而將他的資金與其他人的資金集中起來以達到所需的32ETH門檻。那么他所獲得的回報將與他的總出資額成正比。

權益證明(PoS)將在以太坊2.0升級的第一階段,也就是所謂的第0階段推出。

第0階段

 

以太坊2.0在2020年第0階段后分階段推出。第0階段將推出以太坊2.0網絡的信標鏈。信標鏈將部署PoS共識算法,并將管理驗證者的注冊記錄,而這些驗證者將開始驗證以太坊2.0的區塊。

為了讓信標鏈產出其創世區塊,至少要有524,288個ETH在網絡上質押,并分給至少16,384個驗證者(這些數字是為了確保足夠的安全性和去中心化而設定的)。在達到這個閾值之前,質押獎勵不會被分配,這也是為什么在0階段的早期參與者中需要一些利他主義精神的部分原因。

隨著信標鏈的上線和PoS的實現,現有以太坊的 PoW鏈將繼續存在。事實上,第0階段的信標鏈對大多數以太坊用戶不會有特別大的作用,因為它無法處理交易、執行智能合約或支持去中心化應用(DApps)。這其實是出于設計上的考慮,即確保以太坊2.0在可以支持DApp進行百萬級的交易量之前,在一個運行的狀態下經受住足夠的考驗。為了確保以太坊 2.0的推出不會擾亂現有以太坊的生態,原有以太坊的區塊鏈將繼續并行運行,并在第0階段繼續接受各種升級,在第1.5階段,兩條鏈將實現合并,實現連續且單一的以太坊網絡。

 

第1階段

 

目前還沒有確定的第1階段的推出日期,但預計在第0階段信標鏈推出后的一年內推出,第1階段的主要改進是實現了分片鏈(shard chains),這也就是本文前面提到的可擴展性解決方案。對于以太坊2.0來說,分片將導致以太坊被分割成64條獨立的鏈(即分片鏈),這些鏈之間并行運行并實現無縫互操。分片將通過讓以太坊同時處理多個交易來解決可擴展性問題:理論上來說,64個分片鏈意味著一次可處理64個區塊。目前以太坊(和其他PoW鏈)一次只能處理一個區塊,這意味著后來的交易必須等到一個區塊被處理完后才能在下面的區塊中得以確認。由于幾十條同時進行并無縫互操,處理數據的工作量可被分散在同時進行處理的多個區塊上。

 

第1.5階段

 

第1階段內的一個重要時刻是原有PoW區塊鏈與新PoS鏈的合并。這個時刻在以太坊社區被稱為1.5階段。具體來說,PoW鏈將被帶入以太坊 2.0中,并作為64條區塊鏈中的一個分片鏈與信標鏈并存,這意味著數據歷史不會被中斷,即ETH持有者也將不必在以太坊1.0和2.0之間進行任何形式的代幣轉移或交換;相反,他們將能夠在以太坊2.0繼續使用手中的ETH,在操作上沒有額外的步驟,也不會有原有ETH作廢的風險。雖然原有PoW鏈的歷史仍將存在,但它將不再需要PoW共識機制來維護;它將像以太坊 2.0上的其他PoS分片鏈一樣運行。

 

第2階段

 

第2階段目前還沒有0階段或1階段那么明確。不過,我們知道,隨著PoS和分片鏈的實施,第2階段將實現以下功能(包括但不局限于):ETH賬戶的設立、交易、轉賬和提現以及智能合約的執行。

 

第2階段之后

 

在第2階段之后,以太坊的演進將不會結束。在第2階段之后的幾年里,以太坊網絡的覆蓋面和功能將會得到極大提升。

 

以太坊1.x

 

雖然上文已經提到,但值得再次強調的是,以太坊2.0預計要到第2階段才會完全發揮作用。在此期間,區塊鏈生態將繼續發展,以太坊仍然要滿足開發者、去中心化應用構建、企業、政府等的需求。因此,在真正進入第1階段之前,以太坊PoW鏈至少會以“以太坊1.x”的形式存在。即使以太坊2.0的未來建設方案仍在完善,但開發者仍然會致力于提升以太坊1.x的表現。

 

結論

 

以太坊 2.0已經在區塊鏈生態系統中被期待已久,并在區塊鏈生態中有著大量討論。PoS和分片將為可擴展性、安全性和可訪問性帶來巨大的改善。對于ETH持有者來說,以太坊 2.0又意味著一個全新的機遇,即他們均可參與并獲得維護網絡的獎勵。對于那些希望通過質押32個ETH成為驗證方的人來說、他們可借助第三方來押注32個ETH、或者與他人共享資金的人來降低準入門檻,以太坊生態系統將承載更多產品和解決方案,包括ConsenSys PegaSys和Codefi teams。

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