一文解析以太坊「合併」原因、路線與最新進展

2 年前觀點

本文將從以太坊為什麼要升級、以太坊升級路線、Merge 當前進展等為大家一一解惑。

原用標題：以太坊 “大合併” 之後，能治好 Web3 的精神內耗嗎？

封面： Ethereum（Viktor Hachmang）

*本文約 8000 字，可收藏閱讀

2013 年以太坊的出現，讓區塊鏈與智能合約以及各類生態應用得到快速發展，在這之後，Web3 應用才有了生存發展的土壤。

最新消息顯示，以太坊核心開發者在電話會議中暫定了主網 TTD，主網 “Merge” 預計於 9 月 15 日或 16 日啟動。那麼，轟動 web3.0 的以太坊 “Merge” 到底是什麼？為什麼會有 “Merge”？目前 “Merge” 處於什麼狀態？

本文將從以太坊為什麼要升級、以太坊升級路線、“Merge” 過程中兩次重要的升級節點、“Merge” 當前進展和難度炸彈等維度為大家一一解惑，後續文章將繼續為大家介紹以太坊 Merge 後對生態中各個利益相關者的影響，以及後續升級相關的討論。

以太坊為什麼要升級？

能源消耗問題

自成立以來，以太坊一直致力於實行權益證明共識機制（PoS），但如果要在保證安全性和去中心化的情況下做到這一點，需要多年的重點研究和開發。因此，以太坊目前仍採用工作量證明共識（PoW）。工作量證明要求礦工通過使用他們的計算硬件解決難題實現共識，這對算力消耗極大，同時需要消耗大量的電力成本和硬件成本。而隨著 ETH 生態的逐漸擴大，需要處理的交易也越來越多，導致了更多的能源消耗。

據 Digiconomist 數據顯示，以太坊當前的總能耗約為 112 TWh/年，與荷蘭相當，碳排放量相當於新加坡的碳排放量（53 MT/年)。相比之下，比特幣目前的能源消耗約為 200 TWh/年，碳排放量約為 100 MT/年，同時每年廢棄的硬件大約產生 32,000 噸電器廢棄物。關閉以太坊的工作量證明，轉而採用權益證明將減少超過 99.95% 的能源消耗，這意味著保證以太坊的總能源消耗更接近 0.01 TWh/年。

可擴展性問題（低 TPS + 高 Gas）

以太坊作為市值第二大的加密貨幣，許多項目都在其上開發，需求量大導致網絡擁堵。根據 Ycharts 網站的資料顯示，目前使用 PoW 算法的以太坊，高峰時期需要 16s 才能打包一個區塊。每一個區塊裡會包含 150~300 筆交易，即 1 秒鐘只能處理 10 ~ 20 筆交易。

這樣的處理速度導致大面積的網絡擁堵經常發生，如果你想要更快的達成交易，那就得多交一些手續費，也就是我們常說的 Gas 費。

在以太坊鏈上的每一筆交易都需要支付手續費（Gas Fee），在工作量證明機制（PoW）下礦工會優先處理高價交易，導致當以太坊需求量大增時，價格就會跟著上漲。

以太坊自 17 年開始有應用到 20 年前，Gas 費雖然也有波動，但幾乎維持在 1 美元以下，但該值在 18 年 6 月出現高點，峰值為 5.58 美元；20 年下半年隨著 DeFi 應用的逐漸增加，大量交易湧入，手續費開始上漲且有巨大波動；21 年以來，手續費進入了飆升的白熱化，平均手續費在 21 年 5 月 14 日甚至達到了 68.74 美元，這意味著當天以太坊上平均一筆交易需要額外花費 68.74 美元的手續費。有時候 Gas 費的價格甚至還會高於交易本身的金額。這讓以太坊用戶體驗變得很差，也對整個生態的長期發展造成了嚴重的阻礙。

安全性問題

對於採用 POW 工作量證明機制的以太坊來說，礦池的存在使得以太坊的算力呈中心化趨勢，且這種情況對以太坊的整體網絡安全也產生了威脅。POW 機制下攻擊的成本體現在設備以及算力的堆積上，如果一個人或者集體掌握了系統中 51% 以上的算力就可以對以太坊發動 “51% 攻擊”，且協議本身無法對這種情況起到有效的抑制效果。

但是在權益證明系統中，需要驗證者們提前質押大量的以太到協議中。如果驗證者們嘗試攻擊網絡，協議將通過自動銷毀其質押的以太這種懲罰機制保護系統安全。但該方式無法針對工作量證明機制起到有效的防護作用，因為 PoW 最多沒收網絡安全保護者（礦工）的挖礦所得。但是如果要實現相同的懲罰效果，協議需要擁有能夠摧毀作弊礦工所有挖礦硬件的能力。

公鏈競爭現狀

在過去，公鏈以代替 ETH 為目標，而現在的公鏈目標更有延伸性，它們以兼容 EVM 為特點，屬於以太坊相聯公鏈一類，這類公鏈指的是無論在執行環境還是應用設計上，都與以太坊極為相似的公鍊或者說是模仿的公鏈。大量的用戶流量導入以及資金不留餘力地支持，讓這些公鏈能夠快速地成長，但最本質的還是因為由於現行以太坊生態的兌換效率低下，網絡擁堵使得手續費非常高昂，從而使得普通用戶難以持續通過以太坊進行日常交互，造成了用戶和資金的外溢，給具有相似功能和應用的相似公鏈提供了一個絕佳的崛起發展機會。

這都進一步的 “提醒” 以太坊需要盡快的進行升級，以解決網絡擁堵問題，提高效率，降低其成交費用，這樣才能夠坐穩它的 “王位”。

以太坊升級路線

ETH 升級路線長期來看主要分為 5 步，分別為：

Merge

當前以太坊主網將與信標鏈權益證明系統 “合併”，這將標誌著以太坊工作量證明機制的淘汰以及向權益證明的完全過渡，預計 2022 年第三到第四季度完成。

Merge 階段完成後，能源消耗問題會得到完美的解決，安全性也會得到大幅提升。

Surge

致力於解決以太坊交通擁堵與 gas 高昂的問題。以太坊將被切割成 64 個分片，結合 Layer2 的 rollups 技術，理論上 tps 的上限可能是 10 萬筆/秒（當前以太坊 tps 約為 13 筆/秒）。

根據以太坊基金會的預估，分片鏈應該會在 2023 年的某個時間上線，具體取決於合併後的工作進度，這些分片將增強以太坊存儲和訪問數據的能力，但不會用於執行代碼。

Verge

技術更新，計劃從 merkle 樹過渡到 verkle 樹，可以將它們視為以太坊的數據庫，這階段由於區塊數據增大，會反過來驗證拓展性和分散網絡。這將優化以太坊上的存儲並幫助減小節點大小。最終，這有助於 ETH 變得更具可擴展性。

Purge

清除，意味著並非所有節點都必須永久存儲所有歷史塊。相反，客戶端將停止存儲超過一年的歷史記錄。這意味著以太坊對節點的硬件要求會降低，網絡的帶寬也會降低。

Splurge

雜項升級，簡化以太坊的使用，使其更容易被普通用戶訪問。

The Merge

2013 年，Vitalik Buterin 和 Gavin Wood 發佈白皮書，構想了 “下一代智能合約和去中心化應用平台”——以太坊。自 2015 年採用工作量證明共識算法以來，以太坊就一直在尋找更好的算法，以打造成一個去中心化、可擴展、安全和節能環保的網絡。

2017 年，以太坊確定了一種混合 PoW/PoS 的系統——Casper the Friendly Finality Gadget。Vitalik Buterin 當時提議，要在 2019 年從 PoW 轉向 PoS。

而本次以太坊升級將分為三步進行：信標鏈（The Beacon Chain）、合併（The Merge)、分片鏈 (Shard Chains)。目前處於合併前夕。

在介紹合併之前，我們先介紹一下以太坊已升級過程中的兩個重要節點。

以太坊已升級過程中兩個重要節點

Beacon Chian（信標鏈）

PoS

權益證明是一種共識算法，要求礦工將其部分代幣質押以驗證交易。礦工被隨機選擇來驗證一個區塊，但那些持有更多股份或持有更長時間的人擁有優勢。選擇的礦工必須都同意驗證交易。在他們驗證了一個塊後，它會被添加到鏈中，並以加密貨幣的形式收取費用。如果他們沒有正確驗證，他們自己的股份將受到影響，他們將失去部分代幣。這為該過程提供了更多的安全性。其相對於 PoW 有以下優勢：

1. 快速處理交易

2. 與 PoW 相反，對環境無害

3. 能耗極低，不需要消耗大量電力

4. 安全性更高

質押驗證者

驗證者是虛擬的，通過質押者激活而來。在工作量證明的場景裡，用戶通過購買礦機來成為礦工。在以太坊升級 PoS 後，用戶通過質押以太幣來激活和管理驗證者。每一個驗證者除了自身至少需要 32 個 ETH，還需要配套專用計算機執行客戶端和保證節點持續運行。而當超過 32 個 ETH 時，質押者可選擇激活多個驗證者身份，每有 32 個 ETH 被質押，就會激活一個驗證者。

驗證者通過驗證者客戶端來運行，同時需要與信標鏈保持配合。每一個信標節點都擁有追踪和讀取信標鏈的功能。每一個驗證者客戶端也可以作為信標節點使用，並且與其他信標節點通信。一個驗證者客戶端可以同時包含多個驗證者的職能。

質押方式上，節點和用戶可以採取多種方式進行質押：單獨質押（Solo home staking）、質押即服務（Staking as a service），池子質押（Pooled staking）亦或是中心化交易所質押（Centralized exchanges）。其具體實現方式本文不作詳細闡述，有興趣的讀者可自行查閱。

獎勵與懲罰

在 PoS 權益證明機制下的信標鏈中，驗證者會通過以下途徑獲取獎勵：

1、如果驗證者投出了絕大多數其他驗證者都同意的證明，那麼它就會得到獎勵。2、當提議者提出的區塊被最終確認時，提議者會得到獎勵。3、對惡意行為舉報成功的驗證者，將會得到舉報者獎勵。

而驗證節點的不當行為也將會受到來自協議的懲罰，懲罰大致分為兩種：懲罰（Penalties）和削減（Slashing）。

懲罰是由於驗證節點一直不活動或者產生了不正確的證明而導致的處罰，但懲罰只會對驗證節點的餘額進行罰款並不會把該驗證節點從協議中驅逐出去。

而削減則是更為嚴重的一種懲罰機制，只有危害以太坊網絡整體穩定性的驗證節點才會被進行削減處罰，該懲罰使得作惡節點可能面臨的最高損失為其擁有的所有權益，同時該作惡節點還會被驅逐出協議。被削減的情況通常分為：1、作為區塊提議者，在其分配的插槽內提出兩個相衝突的區塊提案。
2、作為節點驗證者投票時，產生兩票，其中包含對相同高度（height）的檢查點區塊過渡的衝突引用。即在一個插槽中為兩個完全衝突的區塊都進行了驗證並投票，這被稱為” 雙重投票 “。
3、作為驗証投票者不按順序進行” 環繞投票 “，即用重疊的檢查點區塊過渡引用產生兩票。例如，引用從檢查點區塊 1 到檢查點區塊 4 的過渡的投票，和引用從檢查點區塊 2 到檢查點區塊 3 的過渡的投票。有人可能會認為此規則應該由更明顯的規則取代，即所有區塊過渡引用都應該按順序進行，然而一個誠實節點可能會錯過檢查點區塊，而不按順序的投票可能是合法的。如下圖：

如果作惡節點被進行了削減處罰，該節點將立即受到懲罰並不再進行驗證，並將繼續受到持續約 36 天的懲罰，並在 36 天后的某個週期（Epoch）之後才可以退出，懲罰的金額視作惡的嚴重程度而定，最高罰可沒所有權益。

驗證者生命週期

每個驗證者需要 32 ETH 的餘額才能被激活。用戶將 32 ETH 質押到以太坊主網上的存款合約中，將激活一個驗證器。信標鏈將停用（“強制退出”）所有餘額只剩 16 ETH 的驗證者；質押者將能夠提取任何剩餘的驗證者余額。

下圖是每個驗證者的狀態轉移圖：

1、存款

驗證人已將 ETH 存入押金合約，並進行了相應的 Deposit 操作。

2、激活隊列

在 epoch-processing 中，檢查驗證者是否有資格激活。

3、活躍狀態

活躍的驗證者將在每個 epoch 內被分配職責（執行證明、提議等）並獲得獎勵。

4、削減並退出

在提款之前，被削減退出的驗證者將等待 8192 個 epoch（約 36 天）的長期鎖定期。

5、非削減退出

未削減退出的驗證者需要等待 256 個 epoch（約 27 小時）才能轉變為可提款狀態。

6、提款

可提現狀態是本階段的結束狀態，驗證者可以在後續階段執行提現。

委員會

權益證明將以太坊的時間分為插槽（Slot）和周期（Epoch），這決定了系統中共識的節奏，即每一隔 12 秒出一個插槽，每個週期包含 32 個插槽，即每隔 6.4 分鐘產生一個週期，每個插槽中只能創建一個有效區塊，每個插槽中隨機選擇一個驗證者作為區塊提議者，該驗證器負責創建一個新分片區塊並將其發送到網絡上的其他節點。

同樣在每個插槽中，信標鏈會隨機選擇一個由至少 128 個驗證者組成的 “委員會（committees）” 來對每一個分片區塊進行投票，其投票用於確定所提議區塊的有效性，委員會驗證者的數量不是固定的且隨著區塊的變化而改變，每個週期過後，委員會都由不同的、隨機的參與者解散與改革，這有助於避免委員會中的不良參與者傷害到分片。委員會除了驗証投票之外，還需要負責將自己所在插槽中的分片區塊嘗試交聯（crosslinks）某個信標鏈上的特定區塊。其中，交聯是指將一個信標區塊和其對應的所有分片區塊通過生成引用連接起來，分片區塊會接收來自對應信標區塊的哈希值，該值包含所有與其交聯的分片區塊哈希值。信標區塊主要與上一區塊對應的分片區塊交聯，但也可能與上上個區塊對應的分片區塊交聯，這是因為某些信標區塊可能丟失對部分分片區塊的引用，而這些交聯將使得被錯過的分片區塊可以交聯到本次信標區塊中。

下圖是對三個插槽中可能發生的情況描述。第一種情況為在 Slot 1 中，提議者提出一個塊，然後由兩個驗證者證明；A 委員會的一名驗證人離線。Slot 1 的證明和區塊傳播網絡並到達許多驗證者。第二種情況為在 Slot 2 中，提議者提出了一個塊，但委員會 B 中的驗證者沒有看到它，因此它證明信標鏈頭是 Slot 1 的塊。第三種情況為在 Slot 3 中，委員會 C 中的所有驗證者都獨立證明同一個頭。

每個週期（epoch）中，一個驗證者只能被包含在一個委員會中。目前以太坊有超過 8,192 名驗證者，這意味著每個插槽不止一個委員會。所有委員會的規模相同，並且至少有 128 名驗證者。當驗證者少於 4,096 時，安全概率會降低。

London 升級：EIP-1559

EIP-1559 提出了一種新的鏈上手續費定價機制：將原本的交易手續費由 “拍賣式” 定價改為 “市場匯率” 定價機制，具體地說就是將手續費拆分為基礎費和優先費兩部分，其中基礎費由以太坊根據區塊容量確定，優先費由用戶根據其他費用市場決定。交易提交後，基礎費會被銷毀，而優先費會獎勵給打包交易的礦工。

以太坊鏈上交易 UX（User Experience）

EIP-1559 規定了以太坊的手續費中的基礎費用，從而減少了手續費和交易時間的許多不確定性。且由於交易創建者可以根據交易的緊急性設置優先費，意味著交易打包主導權由礦工轉向用戶，網絡擁堵問題將有望得到緩解。

ETH 經濟機制

該費用系統的一個重要方面是礦工只能保留優先費用，基本費用總是被燒掉（即被協議銷毀）。EIP-1559 要求所有基礎費用都必須以 ETH 支付，這緩解了經濟抽象化的風險，鞏固了以太坊平台內 ETH 的經濟價值，並降低了礦工可提取價值 (MEV) 相關的風險。隨著以太坊的繁榮，基礎費用造成的銷毀量如果大於 ETH 的增發量，則將會使 ETH 從通貨膨脹資產轉變為供應逐步減少的通貨緊縮資產。

以太坊安全性

EIP-1559 有助於防止針對以太坊網絡的垃圾交易攻擊。在升級之前，理論上攻擊者可以串通礦工，以低於市場價格的手續費向以太坊發送垃圾交易，造成網絡擁堵。但是 EIP-1559 確保了攻擊者永遠無法以低於基礎費用的手續費發起攻擊。同時隨著時間的推移，這種攻擊甚至會變得更加昂貴，因為垃圾交易造成的網絡擁堵，會使得以太坊不斷提高基礎費用。

“Merge” 進展與難度炸彈

按照計劃，以太坊的 Merge 以 “最小破壞” 原則進行，使原來運行的應用客戶端可以無感地切換到 PoS。信標鏈先是作為 PoW 之上的中間層存在，類似第二層共識網絡。待到 Merge 後，原來的主網變成 “執行層”，智能合約、網絡規則保留其中；而原來的信標鏈變成 “共識層”，並將 PoW 層內的執行相關組件組合到新的共識層，PoW 將不復存在。目前以太坊升級時間點如下圖：

2022 年 3 月 15 日，以太坊合併公共測試網 Kiln 上線，代表它已經成功過渡、升級到完整的 PoS 機制。

2022 年 6 月 8 日，以太坊完成了 Merge 的第一次彩排——測試網 Ropsten 順利完成了合併。Ropsten 於 2016 年推出，是迄今為止運行時間最長的以太坊測試網。據以太坊核心開發者消息，在 Ropsten 的合併過程中約有 14% 的驗證者出現停機狀況，但大多是由於錯誤的節點配置所導致的，這些問題很快得到解決。此外，在 Ropsten 上的合併被認為近乎完美，並且成為以太坊向 PoS 遷移的重要里程碑。

2022 年 7 月 27 日，以太坊宣布 Bellatrix 升級為 Goerli 的信標鏈 Prater，為測試網合併做準備。

2022 年 8 月 4 日，Bellatrix 信標鏈激活，為合併前做最後的準備工作。

2022 年 8 月 12 日 1：45 時，Georli 測試網與信標鏈完成合併，Georli 測試網正式過渡為 PoS 證明。而這也是以太坊在正式升級前的最後一個進行合併的測試網。

目前，據以太坊核心開發者電話會議內容顯示，以太坊主網 Bellatrix 升級 Epoch 為 144896，預計時間為 9 月 6 日，主網 TTD（Terminal Total Difficulty）為 58750000000000000000000，預計時間為 9 月 15 日，屆時將啟動 Paris 升級，完成硬分叉。

而最近的一次難度炸彈（Difficulty Bomb）預計在 9 月 13 日降臨。

難度炸彈主要是為了降低挖礦的盈利能力，以便在合併之前打擊礦工的積極性。通過增加礦工驗證交易的難度，從而降低 PoW 礦工的盈利能力。當難度達到極限時，物理礦工將無法驗證區塊。

其在 2015 年被加入到代碼中，是一種根據區塊時間調整鏈難度的機制算法。該算法實現主要通過人為地增加挖礦難度，實現讓礦工喪失挖礦動力，從而轉向升級後的 PoS 鏈的目的。其中，難度炸彈中的動態參數調整算法較為複雜，該算法會在每 10 萬個區塊後將難度值增大一倍，以不斷增加的區塊高度推動挖礦難度指數級增長，直至難度增大到一定程度後，使得礦工無法獲得區塊領取獎勵。

目前由於以太坊合併的延期，使得開發者不斷採取偽區塊號代替原區塊號的方式延遲爆發時間。但隨著以太坊生態的發展，目前的體量使得拆除和延遲難度炸彈的可能性越來越小。

但是造成以太坊合併一次次的推遲的原因，本質上是如何在不分叉的前提下，說服整個生態的人（尤其是礦工）把自己手里大量的資源轉向 PoS，這是一個極為棘手的難題。4 _逐漸淡化的 ETH2.0 說法

目前 V 神和社區都在逐漸淡化 ETH2.0 的說法，主要有以下幾個原因：

1、ETH2.0 的一個主要問題是這為以太坊新用戶創造了一種破碎的心理模型。他們會憑直覺認為 ETH1.0 在前，ETH2.0 在後；或者 ETH2.0 問世後，ETH1.0 就不復存在了。但這兩種想法都不對，合併後現有的以太坊將作為執行層，負責處理事務和執行；信標鏈作為共識層融入原有以太坊，負責處理權益證明共識。

2、隨著以太坊發展路線圖的演變，以太坊 2.0 已無法準確代表以太坊目前的發展路線圖。嚴謹準確的用詞選擇有助於讓最廣泛的受眾了解以太坊上的內容。

3、預防詐騙。此前，已有攻擊者試圖利用 “ETH2” 這一虛假代幣來欺騙用戶，告訴他們用 ETH 兌換 “ETH2” 代幣，或者要在 ETH2.0 升級之前必須以某種方式遷移 ETH。社區希望通過淡化 ETH2.0 來消除這種騙局，打造更安全的生態系統。

4、質押澄清。有些質押項目方還使用 “ETH2” 代表在信標鏈上質押的以太幣。由於這些用戶實際上並不會收到 “ETH2” 代幣，因此可能會造成混亂。