以太坊:科普 | 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。

火币推出《一分钟读懂DeFi》系列科普视频:据官方消息，8月24日，火币推出《一分钟读懂DeFi》系列科普视频，并与微博财经合作冠名播出，布道DeFi认知，助力行业发展《一分钟读懂DeFi》是由火币成长学院打造的业内首个系统全面讲解DeFi的系列科普动画，继推出《区块链100问》后的再续佳作。《一分钟读懂DeFi》系列动画对DeFi的发展进行系统梳理，适合想要由浅入深、全面系统了解区块链DeFi的人们轻松了解DeFi。目前视频已由火币网官方微博发布。[2020/8/24]

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

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。

现场 | 火币中国推出数字经济及区块链产业科普新书:金色财经现场报道，12月6日，由海南省工业和信息化厅主办，南南合作金融中心协办，海南生态软件园、火币中国承办的“海南自贸港数字经济和区块链国际合作论坛”在海口举行，这是全球首次区块链部长级论坛。

在本次论坛上，火币中国举行了“数字经济及区块链产业科普系列新书发布”仪式，希望通过教材、专业教育、培训等多种方式，帮助从业者、高校、研究机构深入了解区块链，从而建立起区块链全局性知识模型，真正推动区块链应用落地。火币中国CEO袁煜明介绍，将联合机械工业出版社面向普通高等教育推出《区块链导论》、《区块链系统设计与应用》和《区块链新商业模式分析》系列教材，这是国内最早推动的区块链教材之一；火币中国还积极参与数字经济的研究，由中信出版社出版的新书《读懂Libra》已经上市；由火币中国负责编写的区块链技术科普读物《区块链技术进阶指南》将于12月面世；首本行业内最全的区块链应用案例集《区块链产业应用100例》在本次论坛进行了首次刊印。[2019/12/6]

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

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

动态 | 新浪财经：官媒针对区块链的报道从科普宣传转向打假监管:据新浪财经今日消息，“1025新政”满月，一个月间，官媒对区块链的态度风向已转。据11月初的一项统计，七家党媒在新政一周内发布了65篇直接相关报道，当时文章中的关键词是数据、产业、安全、创新等，大量文章偏向于科普区块链的概念以及应用介绍，提醒警惕虚拟货币炒作的仅有3篇。近期，官媒的批评焦点则纷纷指向借区块链之名进行的虚拟货币发行和炒作行为。据统计，新华网、人民网收录转载的，以打击虚拟货币或揭露假借区块链行为主题的文章，自10月25日到11月25日午间，共28篇；其中，11月19日至11月25日的一周内就高达15篇。这些文章主要围绕三个观点展开：厘清区块链和虚拟货币的关系，说明二者概念不等；打击伪“区块链”局，或是虚拟货币局揭露；提醒民众，区块链不能成为炒作的噱头，更不是行的招牌，需警惕此类活动，理性投资。[2019/11/26]

-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 | 人民日报官方微博科普区块链 强调区块链不等于比特币:人民日报官方微博今早发表9图科普区块链。其中涉及区块链的特点有：1、安全；2、不可篡改；3、可访问；4、无第三方。区块链对未来的影响：1、不需繁琐个人证明；2、看病避免反复检查；3、旅行消费更加便捷；4、交易无需第三方。同时强调，区块链不等于比特币。比特币只是区块链技术的一种应用，区块链还有医疗卫生、食品安全、版权保护等诸多应用领域。[2019/10/28]

-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

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。

科普时报：区块链与云计算长期发展目标不谋而合:据《科普时报》今日报道，区块链与云计算两项技术的结合，从宏观上来说，一方面，利用云计算已有的基础服务设施或根据实际需求做相应改变，实现开发应用流程加速，满足未来区块链生态系统中初创企业、学术机构、开源机构、联盟和金融等机构对区块链应用的需求。另一方面，对于云计算来说，“可信、可靠、可控制”被认为是云计算发展必须要翻越的“三座山”，而区块链技术以去中心化、匿名性，以及数据不可篡改为主要特征，与云计算长期发展目标不谋而合。[2018/5/4]

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

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。

原文链接:?https://medium.com/taipei-ethereum-meetup/eth2-0-roadmap-70e1c23f139f作者:?FrankLee

本文首发于TaipeiEthereumMeetup的Medium站，EthFans经授权转载，为符合大陆读者的习惯，进行了简繁转换并将部分术语改为习惯用法。

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