POW:以太坊核心開發者會議：深入探討以太坊合并及其路線演變

原文標題：《以太坊核心開發者會議更新 006》

這次更新與以往的有點不同。首先，我決定轉移到 Mirror 發布更新。使用這個用于 1559 NFT 項目的平臺是很不錯的體驗，而且我一直在找機會再次使用它。我會在 HackMD 保留更新列表，這樣便于在一個地方輕松找到它們。

第二，由于我們現在的工作重點在合并 (The Merge) 上，本文其實不算是一篇「更新」，而是對走到當前架構選擇的路線圖演變的深入探討。幾周后，會有一篇類似的文章，詳細介紹以太坊網絡在合并后將如何運作。

合并將把以太坊目前的工作量證明 (PoW) 共識算法轉為在信標鏈上運行的權益證明 (PoS) 機制。這個設計是「以太坊 2.0」路線圖多次迭代的結果。讓我們回顧一下過去幾年路線圖的變化吧。

階段0，1，2

幾年來，權益證明和分片的研發是彼此獨立的。在 2018 年臺北的一次研討會上，大家決定將這兩項研究計劃統一起來，形成一個分三個階段的「以太坊 2.0」路線圖。Ben Edginton 在這篇文章里對當時的研討會和總的理念作了非常好的總結。正是在這次活動中，Hsiao-Wei 展示了這張現在廣為人知的「以太坊 2.0」簡圖：

來源：https://docs.google.com/presentation/d/1G5UZdEL71XAkU5B2v-TC3lmGaRIu2P6QSeF8m3wg6MU/edit#slide=id.g3c326bb661_0_298

數據：已有超10萬地址將以太坊跨鏈至zkSync Era:3月27日消息，據Web3知識圖譜協議0xScope監測，自zkSync Era主網開放以來，已有超10萬地址將以太坊跨鏈至zkSync Era，截止目前跨鏈至zkSync Era的以太坊數量約為1.59萬枚，價值約2790萬美元。同時，zkSync Lite日活隨著zkSync Era主網開放而大幅回落。[2023/3/27 13:29:17]

這張圖展示了當時新路線圖的每個階段將交付的內容：

階段 0 將帶來信標鏈

在階段 1，會加入數據分片

在階段 2，在每個分片加入虛擬機，以在系統里實現計算。

分片的數量最初定為 100，然后提高到 1024，最近又調低到 64。

隨著信標鏈的工作在 2018 年開啟，很明顯，這個分三個階段的以太坊 2.0 路線圖將需要幾年時間才能完全交付。伴隨著使用以太坊人數的快速增長帶來的成長陣痛，這帶來了工作量證明區塊鏈研究計劃的復蘇。在 2018 年的 Devcon IV 上，「Ethereum 1.x」這個術語被提出，用于涵蓋這些研究計劃。其中最重大的一項是無狀態以太坊 (Stateless Ethereum)，這個范式會把未被訪問的狀態從網絡中移除，以限制狀態的膨脹速度。

數據：以太坊DeFi借貸協議24小時清算量達1.31億美元 創歷史新高:2月23日消息，據DeBank數據顯示，近24小時以太坊上借貸協議的清算量達1.31億美元，超越去年11月9330萬美元的紀錄，創下歷史新高，其中Compound上的清算量達到1億美元，排名首位，排名第二位的Aave V2為1097萬美元，當前以太坊上借貸協議總借款額為95.66億美元。[2021/2/23 17:44:51]

一方面有越來越多的關注放在讓 PoW 鏈變得長期可持續上，另一方面開發者們意識到信標鏈可以比以太坊 2.0 路線圖的其他部分更早實現，結合兩者后出現了一個「提早合并」的提案。這份提案把現有的 EVM 鏈作為以太坊 2.0 系統的「分片 0 」來啟動。這樣不僅會加快搬到權益證明的速度，還會使應用層的過渡更順滑，因為搬到權益證明不需要在應用層上做遷移。

這提案出來不久，Danny Ryan 在他的《Eth1+Eth2 客戶端關系 (Eth1+Eth2 client relationship)》的文章里探索了 我們可以如何通過利用現有 Eth1 客戶端實現提早合并。這將大大減少交付一個合并后系統和利用客戶端的開發工作，因為 Eth1 客戶端已經在主網上久經沙場了。按這條路走下去還可以給研究者更多時間解決階段 1 和 2 的開放性問題 (請看這里)，和無狀態以太坊 (這仍然是非常活躍的研究領域)。

動態 | 研究人員Jim McDonald預測以太坊2.0驗證成本:以太坊倡導者、Weald Technology總經理Jim McDonald試圖預測未來以太坊2.0驗證器的成本。McDonald提到了驗證器成本的三種主要類型：設置、基礎設施和操作費用。第一類成本包括選擇硬件、操作系統和軟件實現的成本。最后一個似乎是最困難的，因為目前有六種以太坊網絡實現可用。

基礎設施成本包括硬件、電力和網絡成本的折舊費用。McDonald建議，最好計算36個月的折舊期。運營成本則包括用于維護硬件、軟件升級和重新評估實現的成本。但是McDonald提出的最有趣的說法是：隨著以太坊2.0網絡階段的發展，其費用將大幅增加，包括第1階段和第2階段。需要指出的是，McDonald未能以具體數字來說明大致的費用。而根據最新的估計，以太坊2.0要求的最低抵押額為32 ETH，年預期收益率為4-5%。（U.Today）[2020/1/10]

以 Rollup 為中心的路線圖?

很快到了 2020 年末：階段 0 此時的進度已經達到 99%，信標鏈很快就要啟動了。盡管在階段 1 的工作進展順利，但將在階段 1 引入的分片上實現計算功能的階段 2 仍然有很多未解決的問題：

如何從當前的 EVM 鏈順滑過渡到分片的虛擬機？

聲音 | 慢霧余弦：以太坊Mist瀏覽器當時選型Electron做瀏覽器是很悲催的決定:慢霧余弦發微博表示，以太坊Mist瀏覽器決定關停的一個重要原因確實是“安全考慮”，他們當時選型Electron（基于Chromium和Node.js的）來做瀏覽器確實是個很悲催的決定，Electron本身對許多0day的修復速度就很慢，JavaScript世界的安全問題又很多，而Mist定位的核心部分是錢包+DApp瀏覽，這導致許多安全風險容易放大甚至失控，導致Mist不得不費很多不必要的精力在Electron本身的安全問題上，還不如放棄、重建。[2019/3/25]

從性能上看，有哪些替代虛擬機能被部署？

我們要如何確保各種虛擬機是真的安全？

如何協調所有虛擬機上的狀態和余額？

......

同時，rollup (例如二層的擴容方案) 方面正發生非常快速的進展。多個團隊公布要上測試網，且取得令人鼓舞的早期成果。

大約在這個時候，Vitalik 在 Ethereum Magicians 論壇上發表了長文，論述我們應該把短期和中期的擴容工作集中在 rollup 上。它們不僅會在階段 2 完成前上主網，還會是階段 1 的最大受益者。Rollup 會生成大量數據，而分片可以為它提供比 EVM 鏈消耗更低的存儲。下面是文章的截圖：

動態 | 以太坊用戶將獲得頂級互聯網域名:據coindesk報道，今日，以太坊名稱服務（ENS）宣布與Minds + Machines Group（MMX）達成新合作伙伴關系，將使以太坊用戶能夠將其地址附加到頂級互聯網域名上，從而更容易記住與他們的資產，錢包和服務相關的標識符。以太坊用戶將可在MMX的.luxe域名中注冊地址，該域名是“讓您輕松轉換”的縮寫，這為用戶提供更加友好的方式來訪問區塊鏈的資產和服務，例如dapps和智能合約。\u2028[2018/8/4]

這種方法將對階段 0-2 路線圖產生幾方面的影響。具體如下：

階段 0 (信標鏈) 當時正處于部署主網前在測試網上運行的階段，一旦 PoW 鏈準備好，信標鏈就可以成為共識層引擎，而不需要等到階段 2 以后；

階段 1 (數據分片) 的實現還需要幾年時間，它從擴容的關鍵障礙變成一項增量改進，它會減少已經開發出來的擴容方案 (例如 rollup) 的開銷；

階段 2 (分片執行) 是有最多開放性研究問題且更復雜的功能，它可以在幾年后推出，或完全取消，對擴容路線圖沒有任何影響。

研究社區快速就這個提案聚集起來，并在一個月內發表了一篇 ethresear.ch 文章，詳細介紹了當前這個合并計劃！

可執行信標鏈

當前的合并架構在首次于 2020 年 11 月由 Mikhail Kalinin 發表的《可執行信標鏈 (Executable Beacon Chain)》上得到詳細說明。簡言之，它結合了多次迭代的以太坊 2.0 路線圖的洞見：

信標鏈已經啟動了，現在可以作為共識引擎來使用；

Rollup 是擴展計算的最佳短期解決方案；

當前的 Eth1 客戶端是作為合并后執行層的最佳基礎；

搬到權益證明可以通過對當前運行的應用影響最小的方式實現

Mikhail 提議中的一個重大變更是，與其讓當前的 EVM 鏈成為」分片 0」，不如直接與信標鏈連接。

這是一個簡單但重要的見解——Eth1 執行層客戶端已經是以共識算法可換的方式構建的。主網使用工作量證明，而測試網和私人以太坊網絡使用的是權威證明 (proof of authority) 共識算法 (clique、IBFT 等)。

在文章里，Mikhail 提議直接把權益證明作為客戶端使用的新共識算法。換句話說，就是把當前的工作量證明鏈與信標鏈合并。下面由 Trent Van Epps 制作的這張圖很好地說明這個變化：

來源：https://twitter.com/trent_vanepps/status/1415741658067517441/photo/1

這種方法將最大程度地減少 PoW 鏈上客戶端團隊要做的工作，同時仍然帶來「提前合并」和「以 Rollup 為中心路線」的所有好處 。

Rayonism 項目

為了驗證可執行信標鏈架構的可行性，在名為 Rayonism 的長達一個月的黑客松里，客戶端進行了原型設計。

在幾周內，Eth1 和 Eth2 客戶端的各種混合組合作為合并后的客戶端在 EVM 上運行交易，通過信標鏈達成共識。

高度概括來說，現在的 Eth2 節點變成作為網絡的共識層，而現在的 Eth1 節點則作為其執行層。共識層的功能擴展為把最新的鏈頭信息發送給執行層，并向執行層請求區塊。執行層仍然負責處理區塊、廣播交易、存儲和管理狀態，和處理 JSON RPC 請求。

這個實驗驗證了可執行信標鏈的架構是合理的，且可以用作過渡到權益證明的基礎，現在這個過程被稱為合并。

PoW -> PoS 的過渡?

Rayonsim 項目里沒有測試的是從真正的 PoW 網絡過渡到運行中的 Pos 網絡。經過幾次迭代后，現在已經大致敲定了一份規范。

為了實現從工作量證明到權益證明的過渡，在客戶端里需要設置一個 TERMINAL TOTAL DIFFICULTY （終結總難度)。當發現區塊上的難度超過了工作量證明鏈的難度時，客戶端會進入過渡模式，它們會開始監聽權益證明層的信息來達成共識。一旦共識層最終敲定的一個區塊的難度超過了 TERMINAL TOTAL DIFFICULTY，執行層將完全停止監聽和廣播 PoW 區塊信息。這樣，合并就完成了！

對于應用，這不會對合約和用戶造成任何影響。有一些操作碼需要更新，但就僅此而已。對于信標鏈節點的運行者，在合并中需要選擇一個執行引擎。同樣地，如果你在工作量證明網絡運行一個節點，在合并中需要選擇一個共識客戶端。隨著合并工作的開展，你可以預期會有多個開發者測試網、教程和會議來討論這些問題。

盡管合并的總體方案已經確定了，客戶端團隊還有一長串的事情需要在未來幾個月內完成。大部分要做的事都可以在 這里 追蹤到，值得關注的包括確定合并后的同步協議、為整個過程設置創建集成測試、上線開發者測試網并在不利條件下運行它們，以及為過渡期間的各種意外情況做計劃。

如果你想深入了解實際的規范，EIP-3675 詳細列出執行層客戶端需要的變化，而共識規范中的 merge folder 詳細列出了共識層的變化。

當事情稍微穩定下來，請期待另一篇深入以太坊客戶端在合并后將如何工作的文章。謝謝你的閱讀，下次再見！

感謝 Danny Ryan、Trent Van Epps 和 Mikhail Kalinin 對本文草稿的反饋。

一個值得注意的變更是「無狀態以太坊」不再是過渡到權益證明的先決條件。

在過渡階段根據總難度而不是區塊或 slot 號可以更好處理重組情況。想了解更多，請參見 EIP-3675 里的 "Transition process (過渡過程)" 部分。

撰文：Tim Beiko翻譯：ETH 中文站

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