以太坊2.0升级报告：升级后以太坊速度有望大幅加快

文|OKEx

1.升级伊斯坦布尔

11月21日，以太坊官方博客发文称：以太坊网络将按计划在区块高度9,069,000进行升级，时间预计在2019年12月8日星期日，具体升级日期和时间可能因块生成速度。 此次伊斯坦布尔升级中要实现的功能包括引入分片； 降低天然气成本的措施； 改进了与隐私币 Zcash 的链互操作性； 以及允许更多创意功能的智能合约。

伊斯坦布尔升级将分两个阶段实施，将包括 14 个 EIP（以太坊改进提案）。 其中，6个提案将在第一阶段（V1）实施应用，其余8个提案仍需核心开发者讨论和审议，留待后续第二阶段（V2）升级实施。

在 V1 阶段的这些提案中，EIP-1884 颇具争议——为了保护区块链免受潜在的垃圾交易，它会增加应用程序开发人员从网络检索数据的计算成本，重置操作代码的 Gas 消耗, 增加了一些操作的 Gas 消耗。 这使得在以太坊上调用数据的成本比以前更高。 对于开发者来说，需要避免编写占用大量存储空间的应用程序，以消除Gas成本变化带来的最大干扰。 比如预估在一笔交易中访问的总存储空间+合约+合约代码，并保证不会超载。 另一个大热门是 EIP-1108——它涉及在以太坊上重新定价预编译的椭圆曲线算法。 旨在通过优化 GAS 支付来提高以太坊的可扩展性和隐私协议，并将降低 ZK-SNARKs 和其他隐私应用程序（如 Zether 和 AZTEC）在以太坊上的使用成本。

第二阶段（V2）将在升级后的主网上实现，包括一个名为“ProgPoW”的算法改进，通过替换工作量证明功能Ethash算法来增强以太坊的抗ASIC能力。

伊斯坦布尔升级是以太坊可扩展性路线图的一个重要里程碑，该路线图旨在在不牺牲去中心化原则的情况下使区块链应用程序更快、更便宜。

自成立以来，以太坊稳居加密资产市值第二位，在全球拥有庞大的开发者社区。 也让其他公链在DAPP的数量上远远落后。 但即便是这样“一人之下，万人以上”的地位，也不代表以太坊可以高枕无忧。 定位为“世界计算机”的以太坊目前每秒只能处理约15笔交易，而像Visa这样的私营公司每秒可以处理4.5万笔交易。 频繁的拥塞事件带来的额外费用和处理时间让用户体验更加糟糕，这在很大程度上限制了以太坊的发展。 以太坊要想被广泛采用，必须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应用，促进行业应用的爆发。

（主流公链DAPP资料图，11月29日）

以太坊 2.0 是取代当前以太坊网络的既定计划。 随着以太坊即将在伊斯坦布尔（Istanbul）升级，以太坊2.0的计划和进程再次成为人们热切关注的问题。

二。 以太坊 2.0

以太坊的目标是成为分布式金融和智能合约执行平台，成为“真实世界的计算机”。 以太坊官网是这样显示的：以太坊是一个全球性的、开源的去中心化应用平台。 在以太坊上，您可以编写控制数字价值的代码以太坊节点有多少个，完全按照编程运行，并且可以从世界任何地方访问。 在这个去中心化的世界里，以太坊似乎将自己定位为去中心化网络的建设者和去中心化网络基础设施和技术的提供者。

为了实现世界计算机的目标，以太坊在2014年诞生之初就设定了四个发展阶段：Frontier（边境）、Homestead（家园）、Metropolis（大都市）、Serenity（宁静）。 前三个阶段全部采用POW模型，第四阶段“Serenity”是POS——以太坊的最终形态，也就是我们所说的以太坊2.0。

2.0 阶段将完成从 PoW 到 PoS 的转变，以及其他一些重要的升级。

（以太坊1.0和以太坊2.0基本信息）

2.0升级完成后，预计以太坊上线速度将大大加快。 不同于以往的 POW，它将依赖 PoS 的共识算法来验证交易。

2.1 以太坊 2.0 的架构

（以太坊2.0整体架构，王晓薇）

这张图从上到下是：

1. PoW主链是目前的以太坊主网。 在以太坊 2.0 系统中，它将继续作为信标链的分片运行。

2. Beacon Chain即信标链，是所有链的基础链，是整个以太坊2.0系统的核心部分，通过Casper协议的权益证明（Casper是整个系统的共识层，负责管理验证者，实施奖惩）并协调所有独立的平行分片链，并以Crosslink作为各个分片的锚点，实现跨分片通信，为分片提供最终性保证。

3. Shard Chains是分片链，是可扩展性的来源。 每个分片都有一个验证者委员会对分片进行打包和验证，并定期通过交联将分片的状态记录在信标链上。 一旦一个块在信标链上完成，块中交叉链接引用的分片块被认为是不可变的。

4、VM层是以太坊2.0系统的最后一个重要组成部分，它将提供合约和交易执行。

以太坊2.0的架构如图1所示。在以太坊2.0中，会有一条主链，叫做信标链。 信标链下有64个分片，每个分片可以独立处理数据。 . 信标链是架构的核心，负责连接主链和管理各个分片。

Casper是其对应的共识。 它有两个版本。 一个是 Vitalik 领导的 Casper FFG。 FFG 使用 POW+pos 的混合共识作为以太坊的过渡协议，成功从 PoW 向 PoS 转型。 其主要思想是利用 PoS 来帮助 PoW 产生的区块的最终确认，从而在降低矿工奖励的同时提高系统的安全性； 另一个是Vlad领导的Casper CBC，CBC是纯PoS共识。 从目前来看，CBC还有很多细节需要进一步研究和探索。

信标链通过Casper共识协调所有独立的平行分片链，负责为分片分配验证者并跟踪每个分片的当前状态，为分片提供最终的确定性保证，提高整个系统的安全性也可以起到至关重要的作用。 它是实现以太坊2.0的基础，

在以太坊 2.0 中，1.0 的原链保持原状，运行 PoW 共识。 在分片链能够实现完整功能后，1.0将以太坊的实际运营权交给信标链，信标链将作为信标链的分片或主存储合约存在，两者通过一个桥。

2.2 以太坊2.0更新要点

根据以太坊的发展路线图，2020年以太坊将进入2.0阶段。以太坊2.0的技术升级主要有三大创新：权益证明共识机制（PoS机制）、分片和eWASM虚拟机。

共识机制POW转POS——提高效率，解决能耗问题

在以太坊 1.0 中，工作量证明（PoW）被用作生成新区块的共识机制。 基于POW算力共识，所有节点同一时间只能做一件事，整个网络能够处理的任务量非常有限，严重受限于单个节点的任务上限在网络上可以处理。 即使扩大区块大小，由于全网共识，提高效率的效果也有限。 因此，为了减少产生新区块所需的较长时间和需要大量算力造成的资源浪费，以太坊2.0将改为权益证明（PoS）作为产生新区块的共识机制。块。

分片 - 提高网络性能和容量

在物理空间上，分片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。 本来公链上所有节点执行的任务是完全一样的，现在把任务分组分配给不同的分片，每个分片处理不同的任务。 事实证明，公链网络的性能瓶颈取决于网络中节点的性能。 分片后，单个分片内的节点只需承担整个网络的部分工作，各个分片并行工作，从而提高了整个网络的承载能力。 假设分片数为n，则每个节点需要承担的工作量是全网工作量的1/n。 同样的，整个网络的容量也会变成原来的100倍。 分片是区块链扩容的最佳方案。 它可以在不增加节点硬件要求、不降低去中心化程度的情况下，实现网络性能和容量的大幅提升。

（Sharding物理空间图，图片来自《Sharding技术研究报告》）

用eWASM替代EVM——提高智能合约的兼容性和执行效率

虚拟机是类似于操作系统的小程序，是部署和执行智能合约的地方。 以太坊系统上的所有节点都需要运行智能合约来执行区块链上的交易。 每个全节点都会运行一个虚拟机，所有节点都会进行相同的计算。 之后，所有节点将比较结果并写入区块数据。

（智能合约运行流程图）

以太坊 2.0 将支持多种编程语言，eWASM 将取代 EVM。 EVM虚拟机是以太坊网络中的核心引擎，驱动着整个以太坊的运行，承载着以太坊上所有的代币、DAPP、DAO组织和游戏。 但是由于EVM的编译工作臃肿复杂，会消耗大量的gas，并且随着以太坊2.0 PoS和分片的完善，虚拟机需要并行处理交易，EVM不适合这样的操作因为它按顺序处理事务。 因此，以太坊团队提出使用 eWASM 而不是 EVM。 eWASM 是 WASM (WebAssembly) 代码的以太坊版本。 与EVM相比，eWASM具有更好的性能和更好的可扩展性，可以支持Solidity、C++、Rust、AssemblyScript等。有了编程语言，开发合约会更容易，也可以支持智能合约、账户, ETH2.0 上的状态等。 此外，eWASM 向下兼容 EVM，因此以太坊的智能合约现阶段理论上仍然可以运行在以太坊 2.0 上。

2.3 关键解决方案

同时，由于分片和pos共识机制的引入，以太坊2.0面临着新的挑战。 于是就有了CasperFFG、信标链、桥接方案来弥合这些风险，帮助以太坊2.0不断完善。

2.3.1. 卡斯珀FFG

Casper FFG实施后，以太坊首先会进入一个POW+POS混合挖矿的阶段。 在这个阶段，大部分区块还是通过POW产生，部分区块会开始交给POS节点，让整个网络更加循序渐进地向POS过渡。

Casper FFG 定期向系统分配一个验证者委员会，为每个分片选择区块提议者和区块验证者，并对验证者实施奖励和惩罚。

1) 管理验证者状态

validator有四种状态：inactive（还没有开始执行validator的角色）、activated（正在验证）、waiting（即将成为validator但还在队列中等待）和exiting validator（希望去激活）验证者的责任，但仍然停留在退出队列中）。

在 Casper FFG 上，一个完整的验证者周期是：

1抵押保证金：需要抵押32个ETH到Capser的智能合约中

2等待选择通知：等待1天

3 投票：2 被确认后，在检查点投票确认区块

4 提现：签发提现协议后，需继续验证7天

5 提取保证金：提交申请后，需要等待4个月左右才能提取。

进入和退出必须有一个等待期，因为系统必须安排验证者组成委员会，而且是点对点的连接。 这个过程要尽可能的顺利，这样验证者的数量不会有太大的波动。

了解两个时间单位

Slot（时隙）：区块提议者提出一个区块并用于验证的时间，目前为12秒。 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，否则槽位为空。

Epoch（period）：由多个时隙（目前有32个）组成的一个时间段，6.4分钟。 epoch 中的最后一个 slot 称为检查点（checkpoint）。

成为验证者：

由于POS存在“无息攻击”的问题，即在POS机制下，恶意节点验证者可以将自己的币押在分叉的链上，从而毫无损失地推动硬分叉。 因此，在以太坊2.0中，验证节点需要向信标链抵押一定数量的ETH（目前为32ETH）申请加入。 被标记为“活跃”后，可以运行以太坊 2.0 协议，信标链也会跟踪和管理验证者节点。 32 ETH的门槛很低。 基于 PoW 的 PoS 以智能合约的形式存在。 节点程序可能会更简单一些。 用户只需要在电脑上运行钱包即可，配置要求不是很高。 . 验证人要做的最重要的事情是在第3步中进行投票。及时准备和投票，以便验证人获得奖励并避免代币被没收。

退出验证：验证者还可以发出信号表示他们想要退出系统并停止参与协议。 为了防止远程攻击，以太坊ETH2.0有一个较长的提现延迟期，他们质押的TOKEN加上奖励减去罚款会返还到一条分片链上。

2）随机分配验证者给系统

委员会是由信标链随机选出的一组（至少128个）验证节点，负责见证信标链和每个分片产生的区块。 信标链有自己的委员会，每个分片也有验证区块的验证者委员会。 该委员会负责确保其所在分片的安全性、活性和完整性，并证明信标链上分片的状态。

在每个时隙中，信标链会在每个委员会中为该链随机选择一个验证者负责出块，一定数量的其他验证者将检查该区块并验证其正确性。 下一个区块产生时，随机选择一个验证节点提出一个区块，由另一组不同的验证节点来验证正确性。

分配的委员会完成一个Epoch的出块和验证任务后，系统将重新洗牌所有验证节点，并为每个分片随机选择下一个Epoch的新验证人委员会。 借助随机数生成算法，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。

3）保证链的最终性，避免POS远程攻击

比特币的 PoW 共识采用最长链原则。 为了防止重复支付，一般需要等待6个区块的确认，才能真正确认交易有效。 事实上，之所以认为6个区块的确认是有效确认的标志，是因为在那之后，在目前的比特币算力条件下，交易被篡改的可能性已经可以忽略不计，但理论上来说，即使一笔交易经过了数百个区块的确认，根据最长链原则，该笔交易仍有可能被51%攻击篡改数据。 因此，在 PoW 共识下，链的确定性只是隐含的最终性，这一特性会使本已复杂的状态分片变得更加不确定。

在以太坊 2.0 中，验证节点为每个区块投票会增加网络传播开销。 Casper为了减少投票数，每个epoch的最后一个slot上的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。 每个验证者投一个检查点，可以是从确定性检查点到几个检查点之后的检查点。 从genesis block开始（genesis block是第一个deterministic checkpoint），当下一个checkpoint获得超过2/3的选票，那么这个block就变成deterministic and unchangeable，这个checkpoint就是一个deterministic checkpoint，如此在。 当一个确定性检查点收到超过 2/3 的投票给它后面的子检查点时，那么这个确定性检查点和后一个检查点之间的所有检查点都已确认。

如果同一分支上的确定性检查点的前一个检查点也是确定性检查点，并且有超过 2/3 的验证者投票支持该段，那么这个确定性检查点就是最终的。 如果一个检查点状态是最终的，那么它和它之前的所有块都是最终确定的。 因此，Casper共识的另一大改进是引入了显式终结性，即最新区块之前几个区块的区块信息不能再被篡改，这将有利于无状态客户端的实现。

同时，为了防止验证者在运行过程中作恶，Casper制定了一套惩罚机制如下：验证者不能对同一个区块高度发起两次不同的投票，两次投票的投票范围不能包含一个 One，否则质押的代币将被没收。

另外，为了让PoS能够提高PoW链的安全性，FFG在选择分叉的时候对最重链做了一些修改：先在视图中找到最高确定性的检查点，并在之后选择区块上的最重链。观点。

这样做有两个好处。 第一个是只要 FFG 中的块在最终检查点之前，它们就被确认并且没有被破坏的可能性。 第二点，一个确认区块的安全性需要矿工不断地为区块提供工作量，所以为了激励矿工，需要更多的挖矿奖励； 在 FFG 中，只要是一个最终的区块都已经被确认，后续矿工不需要使用工作量来增加已确认区块的安全性，因此可以降低挖矿奖励，降低通货膨胀率。

4) 通过奖惩机制规范节点行为

POS 验证节点除了产生区块的作用外，还承担着验证区块的作用，也需要一直在线，完成分配给它们的任务。

验证者投票的权重取决于他们抵押的代币的大小。 每当验证者成功打包一个区块时，他们将获得与他们持有的 TOKEN 成比例的以太坊 2.0 系统奖励。 如果大多数验证者拒绝他们构建的区块，那么验证者就有可能失去他们抵押的代币。 同时，如果验证者未能履行其对区块的投票责任，其质押的以太坊将被削减。 如果验证者节点的余额下降到验证阈值以下，他们将被踢出验证者节点池，不能继续参与验证工作。 因此，CASPER 通过奖励和惩罚机制强制验证者诚实行事并遵守共识规则。

2.3.2 信标链

跨分片通信需要借助信标链来完成，因为一个分片没有其他分片的直接信息，只能通过交叉链接到信标链来获取其他分片的信息。 在以太坊 2.0 中，每个分片都有一个验证者委员会来验证区块，委员会成员必须在信标链上写入关于分片的可验证信息（例如：Merkle root），这就是交联。 当一个信标链区块被敲定时，相应的分片区块就被认为是敲定的，剩下的分片可以确信它们可以依赖它进行跨分片交易。 如果验证人委员会成员不能就交联的有效性达成共识，那么错误的验证人将被罚没。

1）保证分片验证者的随机性

区块链系统很难产生良好的随机性，权益证明协议的关键要求是随机性的来源，必须是分布式的、可验证的、不可预测的和不可转让的。 分片更容易被恶意矿工控制，因为攻击者只需要 1/N 算力就可以完全控制一个分片。 因此，对于一个分片系统来说，需要很好的随机性来防止特定的分片被单独攻击。 信标链负责为系统的其余部分提供这种随机性。 在以太坊分片中，目前的随机数生成是由信标链通过RANDAO结构完成的。

验证者提供一个“哈希洋葱”。 RANDAO 结构是一种将许多参与者提供的单个随机数组合成为单个输出数的方法。 为了防止任何一个参与者显着操纵随机性，开发人员使用了提交-显示方案。 当验证者注册时，它会提供一个承诺值，该值是它选择的原始数字的多次哈希的结果。 每次在委员会中选出一个区块生产者时，它都会通过提供最后一个揭示数字的原像来剥掉一层或多层“洋葱”。 其他人都可以检查这是否正确完成，因此提议者不能通过更改其单一随机数来欺骗系统。 因此，区块生产者根据上述协议中的随机性随机选择区块提议者。

在casper协议功能中，信标链各分片选择验证者委员会、选择区块验证者等，都依赖于RANDAO结构带来的随机性。

2）通过交联成为各个分片的锚点，实现跨分片通信

当分片 A 上的用户或合约想要与分片 B 交互时，分片 A 的验证者委员会成员需要在信标链上写入关于分片的可验证信息（例如：Merkle root）。 分片 A 会将其所有收据打包到其区块头中。 信标链等待分片 A 对包含收据的区块达成共识，并将分片 A 的区块头打包到信标链中。 分片 B 等待信标链完成区块共识，然后将包含分片 A 区块头的信标链区块头打包到分片 B 的区块中，从而实现分片内共识。 如果分片 B 上的合约想要发送回复消息（可能返回一个值或一个错误），整个过程需要倒过来：分片 B 生成一个收据，最终在分片 A 中生效。

以太坊 2.0 新提案的分片数量从 1024 减少到 64，降低了计算的复杂度，交联的共识周期从 1 个 epoch 减少到 1 个 slot，减少了交联的延迟时间。分片交易。

在双向通信中，当分片 B 上的合约处于不需要发送回复消息的最佳情况下，也需要 4 个共识周期才能完成，如下图 1 至图 4 的流程所示。 用户只能在3个周期结束后确认通信过程已经完成，因为在分片A收到分片B的可验证信息及其证据之前，用户可以看到分片B已经完成了对可验证信息的共识。 由于ETH 2.0的共识周期为12秒以太坊节点有多少个，分片A的用户需要等待12*3=36秒才能看到结果，而如果想在分片A上查询结果，则需要等待12*4=48秒.

2.3.3 桥接

桥梁是将以太坊 1.0 上的 ETH 迁移到以太坊 2.0。

单向桥计划中现有的以太坊 1.0 ETH 持有者可以销毁其持有的 ETH 以换取等量的 ETH 2.0 ETH，这些 ETH 将生成并锁定在 Beacon Chain 存款合约中，但不能退还。 这种桥接方式会造成验证者流动性问题，更重要的是可能会造成以太坊 1.0 和以太坊 2.0 之间的可替代性问题。 在双向桥发生之前，交易所很可能有两种币。 双向桥接不会有这个问题，但是双向桥接是一种紧耦合的共识机制。 两条链上的攻击和问题都会影响另一条链。 协议的开发势必非常繁琐。

以下是 EthHub 上列出的单向和双向桥的一些显着优缺点。 值得注意的是，单向桥接的优点主要是技术上的，而缺点主要是经济上的。 换句话说，单向桥和双向桥之间的选择本质上是技术和经济挑战之间的权衡。

目前有两种可能的双向桥接路线。 一是在以太坊1.0之上搭建一个以太坊2.0的轻节点； 另一种是在以太坊 1.0 之上运行以太坊 2.0 的全节点。

桥接需要考虑到每个协议的安全性，因为实际用户群有很多顾虑，需要大量协调才能在我们的生产网络上进行硬分叉。 该团队希望在影响以太坊 1.0 的安全性和风险状况之前在生产中对其进行验证。 开发团队应在添加验证节点流动性之前启用桥接器，但会等到第一阶段产品稳定后； 有很多相关的研究同时进行，这可能会影响到这个操作何时完成。

3. 以太坊 2.0 面临的风险

3.1 落地风险

以太坊 2.0 的开发难度大，时间长。 从架构图中可以看出，以太坊2.0的完成需要几项重大的技术创新。 智能合约分片和状态分片的实现本身的设计和开发难度极大。 此外，还要考虑与原链的整合。 过渡和兼容进一步增加了实施难度。 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。 底层很重，修改难度大。 对原有结构的修改会影响到整个身体。 需要考虑很多因素。 我们看到，虽然以太坊的框架已经敲定，但很多细节还在讨论和修改中。

3.2 竞争风险

许多公链致力于解决以太坊目前面临的扩容和性能问题。 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便捷的方式转移到自己的公链上。 因此，以太坊的竞争压力非常大。 如果以太坊不能提升自己的实例，肯定会给其他公链一个超越的机会。 在高性能公链赛道上，2014年的Tezos已经在2018年上线了主网，2016年项目Cosmos和Cardano的beta版也将在2019年上线，留给以太坊2.0的时间迫在眉睫。

参考：

分片技术研究报告 | TokenInsight

以太坊 2.0：以太坊的未来 | 蓝狐笔记

以太坊2.0的未来蓝图与挑战

什么是以太坊2.0？分阶段