以太坊路線圖是個怎樣的過程？又會產生哪些影響？
原用標題：以太坊的升級之路
封面： Ethereum（Viktor Hachmang）
以太坊的定位是世界計算機，為了實現這個目標，開發者在誕生之初就為它規劃了一條升級路徑，分別是 Frontier (前沿)、Homestead (家園)、Metropolis (大都會)、Serenity (寧靜) 四個階段。
目前整個網絡已經走到了第三個階段，前三個階段都屬於以太坊 1.0，而最後一個階段 Senerity 也就是我們經常會聽到的以太坊 2.0（為了避免誤導，以太坊官方已經棄用了以太坊 2.0 的說法，但我們在本文中將延續這個習慣用法）。
以太坊 2.0 升級主要是為了解決以太坊的發展過程中產生的一些限制整個網絡的發展的問題，主要有以下三個：
- 首先是挖礦帶來的高能耗。由於採用了 PoW（Proof of work，工作量證明）機制來作為共識機制，以太坊需要節點提供算力來進行挖礦，各種礦機挖礦的計算過程需要消耗大量電能，所以時常被指責網絡運行不夠綠色環保。
- 再是性能問題。目前以太坊鏈的出塊速度大概是每 12-15 秒一個塊，TPS（Transaction per second，每秒處理交易數）大概是 15 左右，這個處理速度甚至不足以支撐一個普通的商業應用。以太坊網絡時不時產生的擁堵，也限制了它的發展。
- 第三就是使用費用問題。使用以太坊網絡需要支付 gas fee 給維護網絡的礦工，通常在幾美元到幾十美元，視網絡的擁堵狀況而定，最多時甚至達到數百美元。高昂的 gas fee 使一些協議轉向了以太坊的競爭對手，如 Solana、Near 等公鏈。
針對這些問題，開發者社區為以太坊 2.0 升級規劃了幾個步驟。下文將介紹以太坊 2.0 升級的路線圖。
以太坊 2.0 路線圖
以太坊 2.0 的 Roadmap 主要包括了平行鏈--信標鏈、合併和分片 3 個步驟。其中前兩個步驟的目的是將整個網絡的共識機制由 PoW 轉向 PoS（Proof of Stake，權益證明），最後一個步驟是為了改善整個以太坊網絡的性能，提高擴展性。
1. 平行鏈--信標鏈
為了實現共識機制的平滑過渡，2020 年 12 月 1 日，以太坊在當前 PoW 主網運行的同時，首先啟用了一條平行運行的鏈，叫做信標鏈（Beacon Chain）。信標鏈以 PoS 作為共識機制，獨立於主網運行。參與者需要向鏈上的一個智能合約質押 32 個 ETH 作為權益證明，經過審查後進入驗證者名單，成為信標鏈的驗證者。在這條鏈上，驗證者取代了礦工的角色，成為鏈的構建者。
在 PoW 機制下，節點通過計算挖礦來生成下一個區塊，而到了 PoS 機制的信標鏈中，下一個區塊的產生是由驗證者們選擇出來的。這個選擇具有隨機性，不由一個驗證者決定，這體現了去中心化的特點。驗證者們如果表現良好，就可以獲得獎勵，反之如果他們作惡，系統將會從他們質押的 32 個 ETH 中扣除一部分。當質押的 ETH 少於 16 個時，他們就會被移除出驗證者名單。
在合併之前，也就是目前這個階段，以太坊處於 PoW+PoS 平行運行的階段。提前啟用 PoS 平行鍊鍊主要是出於兩方面考慮，第一是盡量減少對目前運行的 PoW 鏈的影響，減少共識轉換對網絡帶來的衝擊，第二是給新的 PoS 網絡足夠的時間收集質押的 ETH，以保證網絡安全運行。
2. 合併（Merge）
在說以太坊 2.0 時常常提到的合併（Merge）就是將 PoW 的主網（以太坊稱為處理交易的執行層）與 PoS 的信標鏈（以太坊官方稱為共識層）進行合併。以太坊的合併需要首先在測試網上進行測試，一旦在測試過程中發現任何問題，節點視情況進行修復。
目前以太坊的測試網 Ropsten、Sepolia 已經分別於 6 月 9 日和 7 月 6 日完成了合併。剩下的 Goerli 測試網也將於近日進行合併。如果一切順利，以太坊正式網絡將於九月中下旬結束合併。在那之後，PoW 的機制將被廢棄，整個網絡將通過 PoS 來產生新的區塊。
為了確保共識機制切換成功，以太坊開發者提議實施難度炸彈，以增加 PoW 的挖礦難度。難度炸彈在 2015 年被加入到以太坊代碼中，它被描述為：在預定的區塊數上，增加 PoW 算法中謎題的難度，使計算產生區塊的時間變長，挖礦變得困難，以此來減少礦工的挖礦獎勵，打消他們的積極性。難度炸彈實施後，礦工們將變得無利可圖，原 PoW 網絡也就無法繼續運行。
3. 分片
共識機制的轉變並不能提升以太坊的性能，性能的提升需要通過分片來實現。
分片是一種數據庫分區概念，用於優化存儲并快速處理，通過把組織的網絡分為較小的分區，水平分割數據庫，分散負載，每個分片都有自己獨立的數據，多個分片可以並行處理，從而減少網絡擁堵，增加 TPS，實現網絡的可擴展性。
以太坊比較早期的分片計劃是將主網劃分成 64 個分片，每個分片都有獨立的區塊提議者和委員會，區塊提議者和委員會是隨機選擇和隨機分配的，區塊提議者從交易池中選擇要納入區塊的交易，當獲得委員會三分之二的同意票之後，區塊就可以被納入鏈上。
這個早期的分片方案旨在擴展以太坊主鏈的性能。但是執行起來很複雜，加之經過幾年的時間，layer2 發展迅速，Rollup 百花齊放，所以，以 Vitalik 為中心的以太坊的開發者們逐漸拋棄了這個原有的方案，轉向了新的技術選型，即不再在以太坊主網上直接分片以追求承載更多交易，而是轉換為以 Rollup 為中心，由 Rollup 在交易層面擴容、主鏈只為 Rollup 提供數據可用性的底層鏈的路線圖。
在新方案中，以太坊的目標是作為可擴展的數據可用性層，可以簡單理解為最終的結算和記賬。主鏈擴容將聚焦於擴大區塊的數據容量，而非提高鏈上計算效率，即：以太坊分片旨在提供更多數據 blob（二進制大對象）空間以支持 Rollup，以太坊無需對這些數據進行解釋，只收集 Rollup 的計算和證明結果，確保數據可用，而更多的計算執行和交易有效性則由 Layer2 的 Rollup 來實現。更具體來說，由 Rollup 來進行交易的計算和驗證，並將驗證完成的多筆交易和證明結果納入一個包裹，而主鏈上的區塊只記錄這些包裹。
由於一個區塊可以納入多個 Rollup 產生的包裹，未來以太坊上會存在多種 Rollup 來為整個網絡執行擴容，目前主流的主要是 zkRollup 和 Optimistic Rollup，分別對應有效性證明和欺詐證明兩種證明方式。
以太坊 2.0 升級的影響
能耗減少
在切換到 PoS 機制後，整個網絡不再依靠消耗大量電能的礦工節點，因此也變得更加環境友好。PoS 機制下的節點的能源效率比 PoW 高 99% 以上，所以 PoS 網絡的能源效率將大大提升。當採用 PoW 機制時，礦工節點需要強大而能耗高的硬件設備來進行複雜的數學計算，誰先完成計算，誰就獲得了構建區塊、獲得區塊獎勵的資格。在這種情況下，礦工只能 24 小時滿負荷運行自己的挖礦設備，以獲得最大的收益，這些高能耗的設備對電力的需求無疑是巨大的。
在 PoS 網絡中，區塊的提議者是隨機選擇的，不再需要大量的礦機硬件來競爭出塊權，也就不再需要巨大的電力消耗。
ETH 產量
以太坊在由 PoW 共識轉向 PoS 之後，不再產生礦工獎勵，取而代之的質押獎勵。所以 ETH 的發行率將會減少 90%。大家把這種情況稱為 “Triple Halvening”，因為相當於同時發生了 3 次比特幣減半，以太坊將經歷發行量的瞬間減少，同時由於質押中的 ETH 不能流入市場，ETH 將進入通貨緊縮的階段。
ETH 質押
在合併完成之後，會有更多用戶選擇將自己的 ETH 質押，因為可以獲得一筆幾乎無風險的質押收益。根據測算，質押 ETH 的年收益率大概為 4%。Kraken 在《2022 年第一季度質押狀況》的報告中預計，在以太坊完成合併後，質押用戶的年收益率可以達到 8.5%-11.5%。
另外由於質押需要增加，質押服務賽道預計會有一波爆發。目前有 1300 多萬 ETH 質押在信標鏈上，超過以太坊總量的 10%，一共 41 萬驗證者參與了質押。
由於網絡要求最少要質押 32 個 ETH，同時運行節點設備又有一定的技術和資金門檻，選擇質押服務商相比自行質押就顯得有吸引力得多。目前的質押賽道龍頭 Lido（參見前文從 stETH 的折價說開去-stETH 的定價、流動性和風險）已經在流動性質押這個市場中佔據了 90% 以上的份額。
礦工
以太坊合併後，原來的 PoW 鏈將逐漸被廢棄，原來的礦工的去向也成為一個重要的關注點。作為加密世界裡第二大的礦業生態，礦工們會作何選擇？是選擇分叉原鏈，還是轉向 ETC 繼續挖？作為以太坊的分叉鏈，以太經典可以使用以太坊的礦機進行挖礦，但是以太經典能承載的算力有限，一是因為 ETC 價格比較低，挖礦的成本和收益本就難以平衡，加上如果合併之後大量算力湧入，競爭加劇，會進一步削減礦工的收入。而分叉原鏈的方案，受制於難度炸彈的設計，可能也很難實施。
結語
以太坊合併已經近在咫尺。雖然升級方案幾經更迭，但目前為止，進展基本順利。作為區塊鏈世界影響最大、擁有最多開發者的公鏈，以太坊的升級毫無疑問會產生巨大的影響。隨著以太坊 2.0 的到來，公鏈發展也進入一個新的篇章，困擾以太坊使用者許久的低性能、高費用、高能耗的問題，有望通過一系列的升級來解決。對於即將發生的一切，我們充滿期待。
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