DAT:imToken Labs：以太坊 PoS 演進史

前言

大家好！今天我們要來探討Ethereum以太坊的PoS演進史。以太坊為了提高區塊鏈的效能以及更加地環保，不斷推陳出新，讓整個區塊鏈世界產生了巨大的變革。隨著技術的不斷進步，以太坊也將開始向新的高度挑戰。讓我們一起來探討這個讓人感到振奮的演進過程！

因本文章有較深入的PoS介紹，建議已具備基礎PoW知識的讀者閱讀。

2020年12月PoS信標鏈上線

為了將耗能的PoW升級至節能的PoS，以太坊在2020年12月1日時，上線了以PoS共識機制為主的以太坊信標鏈！

PoS名詞解釋

在PoS中，有些名詞會和PoW稍微不同！

Block的概念改為Slot與Epoch。平均來說，每12秒會出一個Slot，而每32個Slot稱為一個Epoch。

Difficulty改為SlotPrevRandao。

Miner改為Validator與負責出塊的SlotProposer。

目前，若要成為Validator，需使用Validator私鑰及Withdrawal私鑰來建置不停機的驗證節點，接著將帶有以下指定Data32ETH的交易打到Deposit合約中：

pubkey：Validator公鑰，鏈上唯一識別用

withdrawal_credentials：將Withdrawal公鑰作SHA256后，將最左側2位元由0x00替換而得

signature：由Validator私鑰向(pubkey,withdrawal_credentials,deposit_amount)資料進行簽名

Way Network已完成IMTP開發，可為Web3應用提供廣義跨鏈通信:1月20日消息，基于零知識證明的全鏈互操作協議Way Network已完成子協議IMTP的開發。Way Network除了能做zkBridge用于資產跨鏈之外，還能為Web3應用提供安全而快速的廣義跨鏈通信。

Way的子協議Interchain Message Transmission Protocol （IMTP）是一種由zkSpark進行證明的鏈間信息傳輸方案，用于為DeFi dApp提供鏈上倉位預警、消息通知，為社交dApp提供鏈上Direct Message，為鏈上郵箱或鏈上簽字dApp提供低延遲通信。[2023/1/20 11:22:43]

deposit_data_root：由上述pubkey、withdrawal_credentials、signature建立HashTree，并取得其HashTreeRoot而得

Slot與Epoch、Validator與Proposer

成為SlotProposer要做的事

在下一個Epoch到來前，每個Slot會透過Randao隨機數指定1位Validator成為此Slot的Proposer，而他要完成2件事！

第1件事：建立區塊，并讓其他Validator進行驗證及投票。

理想上，SlotProposer會在最新的區塊后面，直接建置下一個區塊，如同PoW時期以維持最長鏈原則。但實際上，可能會因P2P網絡延遲、惡意節點嘗試攻擊等，導致SlotProposer未必能在最新的區塊后面建置下一個區塊，造成區塊鏈分叉。這時，需請其他的Validator進行區塊投票，得票高者即可成為下一個區塊。若惡意節點故意在同一個Slot時段內建立2個區塊，則會被施以嚴重的大幅削減處罰并退出網絡。

imToken發布2.5.8版，新增支持WalletConnect標準:7月6日消息，imToken發布2.5.8版，新增支持WalletConnect標準，用戶不僅可以實現移動端DApp與imToken的交互，還能使用imToken掃碼授權任何支持該標準的桌面端DApp，且無需擔心資產安全問題；此外新版還支持Tokenlon授權優化，支持無需ETH就能進行代幣授權和交易，解決了沒有ETH作為礦工費的問題，對新用戶更為友好。[2020/7/6]

第2件事：提出一個隨機數種子S，并公開Hash(S)結果。

因為少了過去PoW的算力競爭，但直接指定Proposer有違去中心化，所以需要一個由眾多SlotProposer一同決定的Randao隨機數，用來選定下一個Epoch的SlotProposer們

第1件與第2件事不斷重復，使得區塊鏈不斷地產生新區塊。

Slot的Validator數量推算

在說明每個區塊及Epoch需要多少票數前，先進行目前Slot的Validator數量推算！

回顧一下：每12秒為一個Slot，而每32個Slot為1個Epoch。由Beaconscan網站可得知，目前撰文時全球總共約有512,000名以太坊Validator。

所以，每1個Epoch約會有512,000名Validator進行投票。平均下來，每1個Slot約會有512,000/32=16,000名Validator進行投票。

每個Validator要做的事

扣除負責出塊的SlotProposer，剩下N-1的Validator需在每個Slot中完成Attestation工作，即向支持的區塊及Epoch來進行投票！

動態 | imToken與Circle達成戰略合作 宣布支持USDC:數字貨幣錢包imToken宣布支持區塊鏈金融服務公司Circle發行的穩定代幣USDC。imToken創始人兼CEO Ben表示：“用戶現在可以在imToken中直接管理USDC,除此以外，USDC還將成為Tokenlon（imToken 2.0的內置去中心化交易所）的基礎代幣，作為計價交易單位。”[2018/9/26]

投票1：向支持的Epoch投票，支持的Epoch包含需同時選定TargetEpoch及SourceEpoch。

Target為Validator認同當下所在的EpochSource為Validator認同最近的Epoch若某個TargetEpoch結束，并得到超過2/3Validator的票數，則此Epoch標示為Justified，故最快要等上1Epoch=6.4分鐘的時間。

承上，若此Target緊連的SourceEpoch也得到2/3票數，則此SourceEpoch標示為Finalized。因此，最快要等上2Epoch=12.8分鐘的時間

EpochFinalized之前的區塊規定不可再被更改

Justified與Finalized的Epoch判斷方式

投票2：向支持的區塊投票

可對過去1Epoch內的Slot區塊進行投票。

如果Validator有以下行為會無法拿到獎勵

投給舊的、錯誤的區塊投票經常延遲或設備離線，但如果網絡出現4個Epoch都沒被Finalized的情況，則會有罰款如果Validator有以下行為會進行嚴重處罰，同個私鑰同時存在兩臺不同機器上導致同一Epoch時間內有2次對區塊的投票行為。將機器遷移時，沒有將資料庫也遷移，導致遷移的機器向同一區塊重覆投票的行為如果被Slash處罰一次或因罰款導致余額低于16ETH，則會被強制踢出網絡。從beaconcha統計數據可得知，自信標鏈上線以來被Slash總共有229名Validator，大多為非惡意的機器設置錯誤導致，約占整體Validator的0.045%。

imToken披露匿名攻擊事件 用戶資產未受損:據 imToken 官方披露，imToken 2.0 Beta版的測試服務器被疑似地下產業鏈針對性的黑客攻擊，由于 imToken 的多中心化機制，此次入侵未造成用戶任何資產風險。imToken團隊第一時間進行了阻斷，但黑客有可能獲取到了部分參與 imToken 2.0 測試版用戶的設備信息和訂閱郵件地址，imToken 已向潛在受影響的公測用戶發出“防釣魚”風險告知郵件。[2018/6/12]

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PoS是由鏈上所質押的ETH作擔保，來維持分散式共識，好處是：環保，且質押的ETH平均有4%年化報酬。

但此時要自建24小時不停機節點質押至少32ETH，門檻過高

對于僅有少量ETH卻又想參與PoS網絡的散戶該怎辦？所以，像是Lido等服務商，就有提供收取質押獎勵的10%作為手續費，讓散戶進行小額質押。而且，更特別的是Lido還提供質押ETH兌換stETH代幣，讓散戶可在二級市場進行stETH交易。

從Dune統計數據可得知，目前所有質押的ETH約占總供應量約14.66%

2022年9月PoS信標鏈與PoW以太坊完成合并

眾所期待的PoS以太坊終于在2022年9月15日完成合并！此時，只能使用Validator進行質押挖礦，而使用顯卡挖礦的礦工時代也真正地成為了過去！

雖然，一般使用者仍可按照過去PoW使用方式進行ETH轉帳或合約交易；但實際上經過TheMerge升級后，以太坊節點已拆分成ExecutionLayer執行層及ConsensusLayer共識層了

ImToken首席安全官Blue：區塊鏈行業安全還處在“裸奔”狀態:ImToken首席安全官Blue近日在接受采訪時表示：區塊鏈盡管已經存在很長時間，但他在安全方面還是在起步階段，相當于在裸奔。區塊鏈是一個去中心化的平臺，智能合約等各類代碼其實都是面向大眾公開的，黑客就非常容易看你的源碼，然后找到相關漏洞。在此之前各個服務器上運行的代碼都是不可見的，可以說是一個黑盒子，黑客想要進行攻擊只能不斷的去嘗試去測試，這個時候很難發現問題，但是區塊鏈行業不一樣，全都是公共的開放平臺，智能合約放在平臺上，這都是完全對外可見的，一旦有問題非常容易暴露。[2018/4/20]

以太坊節點區分CL及EL層

在TheMerge后采用了PoS共識，雖然PoW機制被移除，但是PoW的ExcutionLayer卻合并到BeaconChain中。

ExecutionLayer執行層仍與PoW時一樣進行：

執行EVM虛擬機但是，當區塊分叉時，取代PoW機制，會由CL層告知哪一個區塊是HeadBlockConsensusLayer共識層就負責：

進行ProofofStake共識當區塊分叉時，采LMD-GHOSTForkChoiceRule共識來決定

TheMerge升級前，ExecutionLayer的內容

完成TheMerge升級后，ExecutionLayer的內容與過去PoW時期相同

然而，對于執行以太坊節點的營運者，可以決定將CL節點、EL節點拆分建立，并使用元件所提供的EngineAPI來進行溝通。甚至可執行其中一個元件，另一個元件則與其他節點共用。

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TheMerge合并之后，將以PoS的取代PoW以太坊，無法使用顯示卡挖礦。

但此時Validator們仍無法贖回已質押的以太幣，所以才會有下一個重大的升級：上海硬分叉。

2023年第2季以太坊信標鏈進行上海硬分叉升級

以太坊PoS信標鏈于TheMerge后另一項重大的升級：上海硬分叉，終于讓為數眾多的的Validator開放讓為數眾多質押ETH的贖回申請，但考量到系統的穩定性，每個Epoch可退出的Validator或ETH數量是有限制的！

質押退出機制

關于欲將已質押的ETH贖回，除了您需等待2023年第2季上海硬分叉升級完成外，Validator還需將EL／CL節點升級、在CL節點上修改收益地址等前置作業，即可進行ETH贖回請求啦！分為2種形式：

關于前置作業細節可參考imToken先前發布的「上海升級，和你有關嗎？」文章！

部份贖回

將超過32ETH的其他ETH給贖回因目前一個12秒的Slot最多只能有16次的部份贖回額度，以全網有512,000Validator來計算，平均每個Validiator要等4.44天才能收到ETH。全部贖回并退出Validator角色

因目前一個6.4分鐘的Epoch只能退出6名Validator，所以會依照申請的順序來進行全部贖回注：實際上，為避免一次大量Validator退出網絡而導致安全性問題，所以每個Epoch可退出Validator數量會依照全網Validator總數來進行限制而以上無論是部份贖回，還是全部贖回，因為都在CL節點上廣播請求，所以也均無需Gas費用

每個Epoch可退出Validator數量會依照全網Validator總數來進行限制

上線前需充分測試

另外，此次升級還需在各個測試網上進行充分測試，才會正式上線！

2023/02/07可提款的Zhejiang測試網上線2023/02/28進行Sepolia測試網的上海硬分叉升級2023/03進行Goerli測試網的上海硬分叉升級還有其他的提案

而且，這次升級除了EIP-4895是主要提案外，還會一同實現以下EIP提案：

EIP-3651預熱COINBASE：啟動「COINBASE」地址的預熱功能，降低交易手續費消耗EIP-3855增加PUSH0指令：將常用的「常數0推送」操作變成一個指令，將可減少合約程式碼大小EIP-3860限制和計價initcode：增加合約部署規范，避免部署程式碼過大占用空間EIP-6049新增SELFDESTRUCT停用警告：更新SELFDESTRUCT指令的文件說明，警告使用者該指令未來將被停用未來，本專刊將會為重要的EIP提案來撰寫文章進行說明。

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開放質押的ETH贖回，但基于安全理由，每個Epoc只能退出6個驗證者（因此每天約有1,350個驗證者or43,200ETH可退出。

若您剛好是以太坊信標鏈的Validator，強烈建議在上海升級前閱讀「上海升級，和你有關嗎？」文章，來了解這次上海升級時您一定要做的幾件事情！

總結

綜觀整個PoS演進史，以太坊始終保持著為用戶提供最優秀的使用體驗和開發環境的初衷。PoW到PoS，不斷的改變也帶給了我們更加高效和環保的區塊鏈世界。上海硬分叉升級將為以太坊帶來更多的可能性；在未來，隨著這一系列EIP提案的引入，Ethereum將越來越容易地融入日常生活中，并且讓人們都可享受到區塊鏈帶來的安全性與方便性。讓我們一起期待以太坊的更美好未來！

參考資料

中文以太坊SafeHead機制介紹https://medium.com/imtoken/safe-head-part-1-14071f14016bEth2.0的共識層和執行層分工及TheMerge影響https://medium.com/taipei-ethereum-meetup/eth-2-0-cl-el-separation-and-impact-of-the-merge-dbeb6828c907英文Blocknative-AStaker'sGuidetoEthereumSlashing&OtherPenaltieshttps://www.blocknative.com/blog/an-ethereum-stakers-guide-to-slashing-other-penaltiesETHWithdrawalsFAQhttps://notes.ethereum.org/@launchpad/withdrawals-faqHowdoestheNEWEthereumwork?https://www.preethikasireddy.com/post/how-does-the-new-ethereum-workProofofStakeRewardsandPenaltieshttps://ethereum.org/en/developers/docs/consensus-mechanisms/pos/rewards-and-penalties/

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