前言：

最近，以太坊开发商Marius van der Wijden以太坊目前正在社交平台上进行测试PoS该机制将首次分叉主网影子。这意味着以太坊的合并即将到来，合并是以太坊2.0蓝图上的一个关键里程碑可以扩展，以太坊的整个网络将过渡到PoS共识机制。

另外，以太坊2.0核心开发者dapplion据其社交账号称，以太坊主网影子分叉测试将于周六再次进行。

随着合并的临近，以太坊2.0步伐也更进一步。它试图在不牺牲分散原则的前提下使应用区块链更快、更便宜，具体的解决方案和过程再次成为一个热门话题。所以以以太坊2.0到底是什么计划？升级包括什么？目前的进展如何？它的到来会对行业的发展产生什么影响？欧易研究院将从以太坊进行2.0以太坊技术进步2.0以太坊有三个部分：方案、展望和风险2.0详细说明。

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，核心开发人员已于2021年底停止使用Eth1.0、Eth2.0术语，分别用执行层和共识层来代替。但改名并不影响以太坊既定的升级路线，因为以太坊2.0称谓已深入人心，本文仍将沿用以太坊 2.0这个名字。

一、以太坊2.0技术进展

1.1路线规划

自成立以来，以太坊一直牢牢占据着第一公链的地位，拥有世界上最大的开发者社区，DAPP数量远远落后于其他公共链。但即使是如此首屈一指的地位也并不意味着你可以放松。以太坊位于世界计算机，目前每秒只能处理约20笔交易，甚至难以支持一个普通的商业应用程序，由频繁的拥堵事件引起的高gas费用和等待包装交易使用户体验非常差，这在很大程度上限制了以太坊的发展。

以太坊2.0是解决以太坊网络性能瓶颈的既定规划，致力于在不减少分散化的情况下大大提高以太坊网络的可扩展性和性能，更好地承载分散化应用，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和真正的世界计算机。为了实现世界计算机的目标，它在2014年诞生之初就设定了四个发展阶段：即Frontier Homestead (家)，Metropolis (大都会)，Serenity (安静)。采用前三个阶段PoW模式，第四阶段安静是以太坊的最终形式，也就是我们常说的以太坊2.0。

到目前为止，以太坊的前三个阶段已经完成，开发工作正在进行第四阶段，从 开始PoW 到 PoS 转化，以及分片、由eWASM代替EVM升级后，以太坊的性能将大大提高。

当然，第四阶段不能一蹴而就，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信标链上线，2022年合并，以及随后将实施的分片。目前信标链已于2020年12月上线，之后信标链开始上线PoS执行层产生区块的过程仍由原链以 运行PoW 形式，以太坊进入一个PoW PoS为整个网络向混合开采阶段PoS过渡做铺垫。

(以太坊升级的最新路线图)

截至4月12日，信标链运行平稳。链条数据显示，信标链已经存在34.13万个节点，累计质押总额约1090.46万Eth，有效投票参与率达到99.84%。自2021年10月15日起，节点数量和质押总额稳步增长，验证人的日收入也在缓慢增长。

(信标链块数据，图片来源https://beaconscan.com/）

1.2 来了合并

接下来，以太坊计划在2022年第二季度合并。共识层将被推广（PoS信标链)和执行层（PoW合并原链，停止原链 PoW 部分升级代表以太坊正式切换PoS共识。

□值得注意的是，本次合并将停止原链 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个硬分叉中进行。这意味着解锁前没有 PoS 增发的 ETH 可释放流通，停止通过PoW 增发方式，以太坊进入更强的通缩。此外，这种合并只是以太坊共识的改变，无法提高性能GAS费用不会因为升级而改变，需要等到升级中引入分片，才能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

以太坊2.0方案模型图从上到下分别为：

1.PoW Main Chain原以太坊主网。在以太坊2.0它将继续作为信标链的一部分运行。

2.Beacon Chain是信标链，是整个以太坊2.0系统的中心部分Casper共识协调管理所有独立并行的分片链，负责为分片链随机分配验证者，对整个系统的安全性起到至关重要的作用。通过交联作为各分片的锚定点以实现跨分片通信，并追踪每条分片当前的状态，为以太坊提供最终确定性保证。

3.Shard Chains以太坊是以太坊2.0它是可扩展性的来源。目前的计划是建立 64条分片链，每个分片都有一组验证委员会负责包装和验证块。它可以在不提高节点硬件要求和分散程度的情况下大大提高网络性能和容量。

4.VM层是虚拟机，是智能合约运行的基本环境，驱动整个以太坊运行。以太坊2.0将以eWASM 将取代目前的 EVM，这将提高智能合同的兼容性和执行效率。因为相比之下EVM，eWASM性能更好，扩展性更好，可以支持Solidity，C ，Rust，AssemblyScript开发合同会更容易，比如编程语言。eWASM 也和现在一样Web标准兼容，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 关键解决方案

区块链有一个著名的不可能的三角形问题，即区块链系统不能同时优化可扩展性、安全性和分散性，需要在三者之间做出优化和权衡。即便如此BCH扩大区块大小，提高效率的作用也非常有限，EOS通过DPoS共识牺牲分散化来确保性能，但它引起了人们对安全的担忧。各种解决方案并不能完美地解决不可能的三角形问题。目前，公共链在扩展、交易效率和安全性能方面都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，针对不可能的三角问题提出了以下解决方案：

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转PoS，降低节点门槛，支持更多用户参与，解决分散问题；

通过信标链和Casper通过分片和解决共识机制PoS引入的安全问题。

（以太坊2.0解决不可能三角问题的具体方案来自欧易研究院)

2.2.1解决性能问题-分片（Shards）

分片（Shards）——提高网络性能和容量

分片是区块链扩展的最佳方案。它可以在不提高节点硬件要求和分散程度的情况下大大提高网络性能和容量。在物理空间中，分片将公共链网络中的所有节点划分为不同的分组，每个分组称为分片。原来，公共链中的所有节点都应该进行相同的计算。在所有节点的比较结果一致后，将其写入块数据中。整个网络严重受到网络中单个节点可以处理任务的上限。现在将区块中的任务分组并分配给不同的分片。单个分片中的节点只需承担整个网络的部分工作。假设分片数为n，每个节点的工作量为全网工作量的1/n。因此，每个片段都可以并行工作，从而提高整个网络的承载能力。同样，整个网络的容量也会变得原始n倍。

(分片物理空间图，图片来源TokenInsight分片技术研究报告)

2.2.2解决去中心化问题——共识机制PoW转PoS

共识机制PoW转PoS——降低节点门槛，支持更多用户参与

PoW在机制下，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计算能力与同行竞争PoS以太坊能有效降低验证节点的准入门槛。任何用户质押32个Eth也就是说，有机会进入验证委员会，由信标链随机算法选择区块验证人和区块提议人，无需与计算能力竞争。其中，区块提议人打包交易提议新区块，其他区块验证人检查新区块，最终完成块过程和比较PoW大大简化了共识节点的工作。

这样，以太坊网络节点对硬件设备的要求大大降低，支持更多的用户参与。参与验证的节点越多，以太坊网络就越分散，面对攻击就越安全PoW资源浪费需要大量的计算能力。

(节点块过程，图片来自欧易研究院)

2.2.3解决安全问题-信标链，Casper共识机制

分片和PoS共识机制的引入为以太坊增加了新的安全挑战。例如，由分片引起的单分片51%攻击、分片间双花攻击和PoS共识机制造成的无利害攻击、长期攻击和简单攻击。以太坊通过信标链和共识机制Casper 弥合这两种风险，解决安全问题。

1）信标链-解决51%分片攻击问题，分片间双花攻击问题

信标链不同于普通区块链Slot 和 Epoch而不是 块作为基本时间单位。

Slot（间隙）：未来，以太坊的每个片段都将有一个验证块的验证委员会。验证委员会完成区块确认（目前为12秒）的时间分为两个步骤：区块提议和区块验证。如果验证委员会能够在内部达成共识，则应进行Slot它可以成功地生成一个块，否则它应该是Slot 不能出块，形成 跳过 Slot，所以链条上的块速度不确定。

Epoch(时段):多个Slot(目前是 32 )组合的时间段6.4分钟。验证委员会的节点将在每个节点Epoch洗牌后重新分配，奖惩金额也在每个Epoch确定结束后。Epoch 中最后一个 Slot 称为Checkpoint(检查点)。

(Slot 和 Epoch图片显示，图片来自区块的输出和确认)

为系统随机分配验证者，解决51%分片攻击问题

区块链系统的随机性非常重要。它必须是分布式的、可验证的、不可预测的和不可剥夺的。对于公共链，在将整个网络任务划分为不同片段的同时，将计算能力划分为相应片段。对于单个片段，只能得到原始的1/n计算能力保证，此时单片攻击51%的难度也会降到原来的1/n，这将使分片更容易被恶意矿工控制。因此，对于分片系统，需要良好的随机性来防止特定的分片单独攻击，而信标链负责向系统提供这种随机性，它将随机为每个分片选择验证委员会。

验证者委员会是由信标链随机选择的一组验证节点，负责见证信标链和各分片产生的区块。信标链有其对应的委员会，每一个分片也各有一组验证者委员会。委员会负责保证它们所在分片的安全性和完整性，并负责证明信标链上的分片状态。

在每一次Slot在中国，信标链将在验证委员会中随机选择一个验证人，其他一定数量的验证人将检查该区块并验证其正确性。下次，从委员会中随机选择一个验证节点来生成块，并更改另一组不同的验证节点来验证正确性。

在完成一个Epoch信标链块和验证任务后，信标链将重新洗牌所有验证节点，并随机选择每个片段的下一个Epoch新的验证委员会。在随机数生成算法的帮助下，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。

跨片通信，解决双花攻击问题

双花攻击是指将相同的资金分别发送给两个或两个以上的人。片中也存在双花问题。攻击者可以尝试将相同的资金发送到不同分片中的账户进行双花攻击，这需要跨分片通信，以避免双花攻击。

跨片通信需要在信标链的帮助下完成。分片与信标链直接通信。信标链将同时更新所有分片块头作为验证信息，不同的分片可以通过信标链通信。当信标链块完成时，相应的分片块被认为是最终确定的，而其他分片可以依靠它进行跨片交易。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将将相关信息打包到其块头中。等待信标链将分片1的块头打包到新块中。信标链完成区块共识后，分片2将收到包含分片1块头在信标链广播中的信息。之后，分片 2 将验证分片 1 的信息，然后开始执行相关操作，并将完成的区块信息发送到信标链。

(来自欧易研究院的跨片通信过程)

2）共识机制Casper——以奖惩机制规范节点行为 ，解决无利害攻击、长期攻击、简单攻击等问题

Casper是以太坊 2.0 核心共识协议负责管理系统节点，奖惩验证人。

节点质押解决PoS以奖惩机制规范节点行为，无利害攻击问题

由于PoS存在无利害攻击问题，即在PoS在机制下，恶意节点验证人可以在分叉链上抵押硬分叉，无任何损失。因此，货币持有人需要抵押一定数量的信标链Eth（目前为32Eth）当申请被标记为节点时active" 只有在协议运行之前。

与此同时，信标链还将跟踪和管理验证节点。每当节点成功打包一个块时，它们就会得到它们持有的一个块Token成比例的以太坊系统奖励。节点负责块和验证块，并需要始终在线完成系统分配给它们的任务。如果大多数验证人拒绝他们建立的块，节点将面临抵押贷款损失token风险；验证人未履行区块投票责任的，质押Eth如果验证节点的余额降低到验证阈值以下，则将被踢出验证节点池，不能继续参与验证工作。Casper通过奖惩制度，迫使验证人诚实行事，遵守共识规则。

确保链的最终确定性，避免PoS长程攻击，简单攻击

长期攻击是指创建一个比原始主链更长的链，篡改交易历史，而不是原始主链。简单的攻击是指在单位时间内创建尽可能多的区块，以超过原始主链的长度PoW，PoS 块之间没有强制延迟机制。攻击者可以让重写历史的链在短时间内赶上原来的主链。如果根据最长链的原则来决定，真正的主链很可能会被篡位。

以太坊将通过每个Epoch实现链条的最终确定性，避免这种风险。具体来说，以太坊将是每一个Epoch里的第一个Slot该区块被设置为检查点。参与共识的验证节点将对检查点进行投票。当检查点收到超过三分之二的投票，最后一个检查点也是确定性检查点时，该检查点是确定性检查点，该区块将成为不可改变的确定性Casper共识的一个重大改进是引入了显式的最终确定性。只要在最终检查点之前确认块，块信息就不能再被篡改，不可能被逆转，也不需要后续矿工来增加确认块的安全性。

(图片来自欧易研究院)

三、展望和风险

3.1展望

3.1.1建立行业地位

以太坊2.0如果实施成功，以太坊的性能瓶颈将得到彻底解决。以其目前最大的生态规模，升级后的 较低Gas 费，交易速度更快，加上eWASM以太坊将成为公链领域不可逆转的存在，具有更好的开发者体验和更高的可访问性。

3.1.2促进生态繁荣

受底层公链性能瓶颈的限制，区块链目前无法为实体应用服务，活用户数千万多个月Dapp还没有出现。以太坊2.0如果实施成功，可以支持大规模的商业应用。届时，公能实体，助推Web3腾飞，千万用户级Dapp也将涌现。

3.2风险

3.2.1落地风险

以太坊2.0开发更加困难。虽然以太坊的框架已经确定，但许多细节仍在不断讨论和修改，存在着着陆风险。从架构图可以看出，以太坊已经完成2.0实现智能合约分片和状态分片本身需要几次大的技术创新，设计和开发难度很大。此外，还需要考虑与原链的过渡和兼容性，进一步增加了实现难度。以太坊作为一个发展了几年的平台，代码结构已经变得非常复杂，底层很难修改。许多因素需要考虑原始结构的修改。

3.2.2竞争风险

根据公链TVL对比数据，虽然以太坊公链在左边的饼图中中的55.4%排名第一，但右图面积图能清晰反映以太坊TVL比例在下降，被其他公链侵蚀。

（公链TVL图，图片来源于defillama）

许多公共链致力于解决以太坊目前面临的扩展和性能问题。他们中的大多数人将在智能合同层与以太坊代码兼容，这样开发者就可以最快、最方便地将其转移到自己的公共链上。因此，以太坊面临着巨大的竞争压力。如果以太坊不能及时完成升级，将有机会超越其他公共链。在高性能公共链轨道上，Solana、Avalanche和Terra公链竞争激烈，地址数量迅速增加，留给以太坊2.0时间紧迫。

参考文章：

TokenInsight《分片技术研究报告》

以太坊2.0你还不知道 Casper 吗？

以太坊2.0 :块的输出和确认

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