PRO:以太坊 2.0 的未来蓝图及挑战

DannyRyan-十月底于台北矽谷会议中心举行的Crosslink2019Taiwan，吸引了来自世界各地的区块链爱好者们齐聚一堂。第一天的议程，邀请到了以太坊基金会的核心研究员DannyRyan，会中分享了以太坊2.0目前的研究方向以及遇到的挑战，演讲的内容主要包含了以太坊2.0的架构，新的分片提案，执行环境以及双向桥接等议题。一、以太坊2.0的架构

以太坊2.0架构-第零阶段

在以太坊1.0中，使用工作证明作为共识机制，并借此产生新的区块。为了要减少工作证明产生新区块时，所需要的大量算力，以及所花时间过长的问题，以太坊2.0将改为权益证明作为产生新区块的共识机制。第零阶段会建立信标链，信标链就是以太坊2.0系统层级的链，当从以太坊1.0移转到以太坊2.0时，信标链扮演着非常重要的角色，它是整个系统的基础。一旦第零阶段完成，将会有两个使用中的以太坊链。以太坊1.0链以及以太坊2.0链。在这个阶段，使用者在1.0链把以太币锁到合约里以注册公钥，2.0链会承认合约内注册的公钥。但是，他们无法将该以太币迁移回去以太坊1.0链上面，为了要执行信标链，你会需要一个信标链的客户端。目前，许多团队正在开发这些客户端。第一阶段

第一阶段会加入分片链，在这个阶段主要专注于分片链的数据结构，以及其有效性和共识性，分片链在这阶段只当作数据链，并不会指定分片链状态执行或帐户余额。这比较像是对分片结构进行测试，而不是尝试利用分片来对信标链进行扩展。在这阶段，信标链会把分片链的区块，当作没有结构或意义的位元集合。以太坊1.0和以太坊2.0仍将同时存在，并且在以太坊2.0链上进行测试和迁移。这个阶段分片链会与信标链交联，每个分片的当前状态—“结合数据根”，会定期记录在“信标链”区块中，作为交联。信标链区块完成后，相应的分片区块将被视为已完成，其他分片知道它们可以依靠这些区块进行跨分片交易。交联是委员会的一组签名，证明了分片链中的某个区块，可以包含在信标链中。交联是信标链“理解”分片链更新状态的主要方式。交联还用作异步跨分片通信的基础结构。信标链在每个时段中的每个分片，随机选择分片验证者，分片验证者只是用来在每个区块的内容上达成一致，他们通过交联证明分片的内容和状态，分片中包含什么内容都没有关系，只要所有委员会都达成共识，并定期更新分片上的信标链即可。第二阶段

Maverick Protocol在以太坊上推出DEX Maverick 1.0:3月9日消息，根据官方公告，DeFi平台Maverick Protocol在以太坊上推出了其去中心化交易所(DEX) Maverick1.0。该协议由Maverick团队构建了一年多的本地基于智能合约的自动做市(AMM)引擎提供支持，旨在让投资者获得比UniSwap更高的收入。[2023/3/9 12:50:25]

第二阶段会将所有功能开始结合在一起，在第二阶段，会完成分片化，分片链从简单的数据容器过渡到结构化链状态，并将重新引入智能合约。每个分片将管理基于eWASM的虚拟机。它会支援帐户、合约、状态，以及Solidity中我们熟悉的其他抽象化，预计在第二阶段之前或第二阶段开发时，大家熟悉的工具需要转换成支持eWASM的版本，以太坊1.0及以太坊2.0可借由双向桥接来互通，会有可扩展的Layer1执行，借由无状态执行，来提高执行速度。二、新的分片提案

新的分片提案-以太坊2.0原提案所运作的机制，是以每个时期为单位，来进行交联的动作，每个链上有1024个片，当需要跨分链交易时，由于是每个时期进行交联，会有较大的延迟时间；新提案更新为每个时段都进行交联的动作，并减少片的数量为32个，来降低跨分片交易时的延迟时间，每个时段都进行跨分片交易。新提案的优点

对于以太坊2.0新提案的优点，首先新提案的片数量由1024个降至32个，降低了运算的复杂度，因为跨分片时间，从一个epoch降到一个slot，时间缩短的好处，是给DApp开发者及使用者更好的体验。在原本以太坊2.0的设计中，需要复杂的手续费市场模型与乐观解决方案，来实现跨分片交易手续费。但新提案改变了执行环境的设计，使得原本的复杂模型可以被大幅简化。新提案的交易

以太坊将于4月15日进行柏林硬分叉升级:根据以太坊核心开发者会议内容，以太坊开发者计划于区块高度12244000处（预计时间4月15日）进行柏林硬分叉。升级内容包括对合约的各种优化，涵盖Gas效率、对以太坊虚拟机（EVM）读取代码方式的更新以及防范DDOS攻击的其他更改等。此次升级包括至少五个EIP，EIP-2565、EIP-2315、EIP-2929、EIP-2718和EIP-2930，并将在部署前在四个以太坊测试网络上进行发布，不过，未包含以太坊2.0合并所需的EIP。柏林硬分叉最初计划在2020年6月或7月进行，后主要由于围绕Geth客户端的集中化问题遭到延迟。[2021/4/13 20:13:18]

新提案只需要比之前的提案更少的片，就可以启动交易，可能会有更长的分片时段，更大的分片区块，目前更新到第零阶段，第零阶段测试网的测试，可能会有所延迟，新提案减少了第零阶段发布所需的时间。目前的想法

希望能给开发者及使用者更好的体验，使用较大的分片区块，来改进数据可用性，以及要降低开发延迟和第零阶段发布所需花费的时间。三、执行环境

以太坊1.0简易架构图-在之前设计的以太坊2.0和以太坊1.0中，状态在共识机制里，扮演着非常重要的角色，共识机制会随时去读写所有的状态，不管是执行的概念、交易的概念、帐户的概念、树状结构的概念、以及所有在数据结构中的概念，都深深地融入共识中。上图是以太坊1.0的简易架构图，在图中我们可以看到共识机制及一条链，共识机制里包含了状态及一个执行引擎，状态里包含了状态树，在这里的执行引擎使用硬编码规则，里面包含了执行交易、帐户模型和帐户结构，我们可以看到图的右边有一条链，链上面有交易数据，在以太坊1.0中，我们会在交易数据上执行共识机制，去修改和更新状态。执行环境是一个单独的虚拟机器，在以太坊1.0中，会有一个特定的帐户模型，以及事先定义好的操作码，矿工机制和状态根，以太坊虚拟机就是一种特定的执行环境。如果遵循EIP的建议，开发者总是在要求新的操作码，或着是更改矿工成本来支援他们的应用，像是Plasma和Zkrollup这样的例子有很多，这样就会需要修改EVM1.0的执行环境，才能支援到他们的应用程式。但是在以太坊2.0的第二阶段中，我们可以支持多个执行环境。也可以有多个状态根，不同的帐户模型等。举个例子，你可以定义一个脸书币执行环境，以便在以太坊2.0上运行Libra。或者，您可以定义一个比特币执行环境，这样就可以在以太坊2.0上运行比特币。

动态 | 以太坊社区成员就反对ProgPoW发起请愿:金色财经报道，以太坊社区成员周三发布了一份请愿书，表明利益相关者对激活ProgPoW持有异议。请愿书和完整的签署人名单已在GitHub上发布。请愿书的签署人（包括Uniswap首席执行官兼创始人Hayden Adams、Truffle Suite首席执行官Tim Coulter和DARMA Capital联合创始人Andrew Keys等人）认为，此次变更将使以太坊的分裂再上一个新台阶。据悉，ProgPoW的提议旨在将以太坊的哈希算法转换为抗ASIC的方案。[2020/2/27]

以太坊2.0简易架构图-在以太坊2.0简易架构图中我们可以看到状态根，它可能是32Bytes的Blob，上面有WASM的执行码，可以在使用者层级中去做细部设定。图片右边有一个链，链上有一般的交易数据以及见证，见证实际上显示在数据库的区块中，你需要针对该状态而不是数据库执行该笔交易，而且还需要证明数据对于当前状态根是有效的。举个例子，如果我们要在帐户A和帐户B之间传递数值，假设从帐户A移动5以太币到帐户B，我们不能直接说帐户和余额是确实可用的，在过程中，我们需要加入见证数据，来证明两个帐户当前的状态，当执行码正在执行交易数据时，状态根可以修改和更新状态树。执行环境并不是共识机制预先定义好的，他可以在使用者层级上去做新增，我们也可以把以太坊1.0复制一份到以太坊2.0的执行环境中，将现有的状态根放入EVM直译器，用默克尔见证验证器来当作他的执行码。在原先的提案中，状态和共识息息相关，且执行帐户和共识中包含了状态树结构；而在新的提案中，执行环境为无状态模型，高度抽象化的，并且它的可扩展性，相较原先的提案高出非常多。执行环境的优点

动态 | 以太坊再迎全新升级 “君士坦丁堡”将至:以太坊开发者正在准备实施“君士坦丁堡（Constantinople）”代码——以太坊网络的下一个全系统升级。在周五的核心开发人员会议上，根据利益相关者的说法，作为一系列升级的第二部分，“君士坦丁堡”旨在提高以太坊网络的效率和降低费用，该升级将在10月份的Devcon4以太坊会议之前的某个时间被激活。[2018/7/29]

执行环境有许多优点，相较于旧系统，它也许可以更快地将产品推向市场，因为我们不必等到核心共识推出之后，才研究并发展这个概念，在Layer1会有更少的阻碍，它可以在各种应用上，使用具高扩展性及数据可用性的执行引擎，所以未来会长期使用这个核心基础层。执行环境的设计完成，让以太坊1.0到以太坊2.0的迁移，有了更清楚的方向，使用执行环境比较不会有技术随时间迁移而过时的问题产生。执行环境交易

对于执行环境交易，开发者及使用者可能会觉得太抽象，对什么是执行环境感到困惑，像是这一层加了什么？应该在这一层做什么？谁应该写执行环境？而且相关的开发规范会趋向更严格的形式。虚拟机可能会有潜在的碎片化问题，进而影响到交易速度。目前的想法

目前所有的研究都是正向发展的，还有充裕的时间，尝试并更好地了解设计空间，未来会多花一些时间，在建立更好的执行环境通讯机制上面。整体来说，现阶段的进度，对于未来是重要的里程碑。四、双向桥接

最后一个主题，主要讨论开发双向桥接是否是值得的？团队可能可以在什么时间点，来去做双向桥接？

单向桥接示意图-讲者先前提过的提案中，以太坊2.0最初有一个单向桥接，所以你可以从以太坊1.0转换到以太坊2.0，但是最初的架构不允许回传，这主要是出于几个原因，这需要我们将以太坊1.0的发展与以太坊1.0和以太坊2.0的硬分叉紧密结合，并把两个系统置于互相影响的风险之中，因此团队认为以太坊2.0在发布且稳定之前，将两边紧密耦合是不明智的。单向桥接的问题

以太坊目前仅有400款应用在运行:据报道，目前，以太坊市值已约为苹果或谷歌的1/10，但根据State of the Dapps网站信息显示，目前已知准备要上线、产品已有雏形、产品仍处在概念期、以及已经被下线了的所有基于以太坊的Dapps仅有1000多个。其中，已完成部署并正在以太坊上运行的Dapps仅有402个。报道指出，即使这402个产品已经在以太坊运行着，但大多数的产品完善程度极低，覆盖领域极为狭小（主要是抽奖、钱包、游戏类），用户体验非常粗糙。[2018/3/4]

月初在日本大阪举行的Devcon5上，桥接的问题受到了广泛的讨论，原提案的单向桥接模式，会有验证者流动性的问题，而且更重要的是，它可能会引发以太坊1.0和以太坊2.0之间的可替代性问题，如果我们允许以太坊2.0上的流动性，那么某种形式的转移机制，就会在将以太坊1.0分叉到以太坊2.0之前，或着是在双向桥接之前产生，交易所中很可能会同时有两个币，团队和整个验证者社区都很担心这个问题，目前正在找寻减轻这个问题的方法。另外也希望鼓励大家，在这些早期阶段进行验证，但是在早期阶段进行验证，肯定会有很高的风险，因为存在未知的锁定期，因此也希望找到方法减轻这种风险。双向桥接

双向桥接示意图-双向桥接目前可能的路线有两条，一种是在以太坊1.0上面，建立以太坊2.0的轻节点；另一种是在以太坊1.0上运作以太坊2.0的全节点。路线Ａ：在以太坊1.0上，建立以太坊2.0轻节点

路径Ａ示意图-这个路线需要在实际的EVM中支援BLS-12–381，会花费很多开发时间，而且它只提供轻量客户端层级的安全性。当验证者在2.0链上产生提款交易的收据时，我们会拿到以太坊2.0的轻量客户端证明，一但收收据的区块在以太坊2.0上敲定了，你就可以在以太坊1.0的合约上提款。不过，这可能不是团队最终选择的路线。路线Ｂ：在以太坊1.0上，运行以太坊2.0的全节点

路径Ｂ示意图-第二种路线，会在以太坊1.0的节点上，运行以太坊2.0的全节点，这个路线允许我们使用敲定性机制，因此，我们不仅可以使用这种机制，来促进以太坊1.0和以太坊2.0之间的转移，我们也可以利用验证者的安全性，来保护以太坊1.0链，我认为大家对此感到非常兴奋，这通常被称为“敲定性小工具提案”。但是还是需要一种机制，去输出以太坊2.0状态根在以太坊1.0上，所以有一些以太坊2.0社群的讨论，在研究如何实作它，可能会包含矿工机制。输出以太坊2.0状态根的另一个优势，是以太坊1.0有稳固的机制可以实现它，以及同时拥有以太坊2.0的高扩展性及数据可用性，可以做一些有趣的应用，像是ZKRollup和OptimisticRollup。双向桥接的优点

如果你在交易所中，列出以太坊1.0以太币和以太坊2.0以太币，它们的价格应该一样。如果不一样，你可以用较低的价格买一个以太币，把他发送到桥上，然后以较高的价格获得另一种以太币，并把它出售。这种套利会使它们的价格保持不变，这样会让用户，验证者和开发人员感到困惑，双向桥接可以防止两边的货币借由套利的形式，来互相转换。双向桥接的交易

但是还是有一些权衡在这里，尽管对以太坊2.0的设计非常有信心，团队还是希望在影响到以太坊1.0的安全性和风险状况之前，先在生产环境中得到验证。双向桥接是一种紧密耦合的共识机制，对于两边链的攻击及产生的问题，都会影响到另一边的链，协定的开发势必会非常烦琐，我们需要考虑到每个协定的安全性，如果我们越早开发协议，那么我们实际上的进度就越少，当每个障碍随着时间发展，它们就会相互阻碍，这让以太坊1.0在这一点上的开发速度比以太坊2.0慢得多，因为实际用户群存在很多担忧，并且需要大量的协调，才能在我们的生产网络上获得硬分叉。所以，如果我们越早将这些东西连在一起，就可能会减慢以太坊2.0的开发和分叉周期，并且这增加了一些额外的开销，换句话说，验证我们可以链接客户端的开销是相对的。目前的想法

我们应该会在加入验证者流动性之前启用桥梁，但是会等到第一阶段的产品稳定之后再开放；同样的，有很多相关的研究都在同时进行，这可能会影响到，何时完成这个操作。名词解释：

EIP：EIP是以太坊平台的标准，其内容包含了核心协议的规范，客户端API以及合约标准。epoch：在以太坊2.0中，epoch指的是时长6.4分钟的时间单位，每个epoch包含32个slots。Slot：每个时段为12秒，不一定每个时段都能产生区块，而epoch中最后一个slot称为边界时段，或称为检查点。Solidity：Solidity是一种合约导向的语言，主要用来开发智能合约。Consensus：共识机制是区块链为了在各节点间达成共识，所开发的演算法。Validator验证者：验证区块的节点，由信标链在每个时段为每个片随机产生。Gas：交易所需的费用，当Gas消耗完时，智能合约会终止并进行Rollback。EVM：EVM中文为以太坊虚拟机，是一种轻量级的虚拟机环境，Eth1.0中智能合约的运行环境为EVM。Dapp：在以太坊中，基于智能合约的应用都称为去中心化的应用程序，即Dapp。ether：以太坊的货币名称。Finality：「敲定性」是Casper中的概念，是一种透过验证者投票，在链上产生不可回朔的检查点的机制。Libra：脸书提出的加密货币，预计于2020年发行。MerkleTree：MerkleTree由计算机科学家RalphMerkle所提出，中译为默克尔树，因为是由哈希函数形成的树。参考:EthereumImprovementProposals参考:Two-waybridgesbetweeneth1andeth2参考:Ethereum2.0Phases参考:ethfans参考:eth2quickupdate感谢DannyRyan、ChihChengLiang、JuinChiu、Hsiao-WeiWang、YahsinHuang、和JerryHo。

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