一文读懂以太坊的升级之路

撰文：蘑菇

以太坊的定位是世界计算机，为了实现这个目标，开发者在诞生之初就为它规划了一条升级路径，分别是Frontier (前沿)、Homestead (家园)、Metropolis (大都会)、Serenity (宁静)四个阶段。

目前整个网络已经走到了第三个阶段，前三个阶段都属于以太坊1.0，而最后一个阶段Senerity也就是我们经常会听到的以太坊2.0（为了避免误导，以太坊官方已经弃用了以太坊2.0的说法，但我们在本文中将延续这个习惯用法）。

以太坊2.0升级主要是为了解决以太坊的发展过程中产生的一些限制整个网络的发展的问题，主要有以下三个：

• 首先是挖矿带来的高能耗。由于采用了PoW（Proof of work，工作量证明）机制来作为共识机制，以太坊需要节点提供算力来进行挖矿，各种矿机挖矿的计算过程需要消耗大量电能，所以时常被指责网络运行不够绿色环保。

• 再是性能问题。目前以太坊链的出块速度大概是每12-15秒一个块，TPS（Transaction per second，每秒处理交易数）大概是15左右，这个处理速度甚至不足以支撑一个普通的商业应用。以太坊网络时不时产生的拥堵，也限制了它的发展。

• 第三就是使用费用问题。使用以太坊网络需要支付gas fee给维护网络的矿工，通常在几美元到几十美元，视网络的拥堵状况而定，最多时甚至达到数百美元。高昂的gas fee使一些协议转向了以太坊的竞争对手，如Solana、Near等公链。

针对这些问题，开发者社区为以太坊2.0升级规划了几个步骤。下文将介绍以太坊2.0升级的路线图。

以太坊2.0路线图

以太坊2.0的Roadmap主要包括了平行链--信标链、合并和分片3个步骤。其中前两个步骤的目的是将整个网络的共识机制由PoW转向PoS（Proof of Stake，权益证明），最后一个步骤是为了改善整个以太坊网络的性能，提高扩展性。

1. 平行链--信标链

为了实现共识机制的平滑过渡，2020年12月1日，以太坊在当前PoW主网运行的同时，首先启用了一条平行运行的链，叫做信标链（Beacon Chain）。信标链以PoS作为共识机制，独立于主网运行。参与者需要向链上的一个智能合约质押32个ETH作为权益证明，经过审查后进入验证者名单，成为信标链的验证者。在这条链上，验证者取代了矿工的角色，成为链的构建者。

在PoW机制下，节点通过计算挖矿来生成下一个区块，而到了PoS机制的信标链中，下一个区块的产生是由验证者们选择出来的。这个选择具有随机性，不由一个验证者决定，这体现了去中心化的特点。验证者们如果表现良好，就可以获得奖励，反之如果他们作恶，系统将会从他们质押的32个ETH中扣除一部分。当质押的ETH少于16个时，他们就会被移除出验证者名单。

在合并之前，也就是目前这个阶段，以太坊处于PoW+PoS平行运行的阶段。提前启用PoS平行链链主要是出于两方面考虑，第一是尽量减少对目前运行的PoW链的影响，减少共识转换对网络带来的冲击，第二是给新的PoS网络足够的时间收集质押的ETH，以保证网络安全运行。

2.合并（Merge）

在说以太坊2.0时常常提到的合并（Merge）就是将PoW的主网（以太坊称为处理交易的执行层）与PoS的信标链（以太坊官方称为共识层）进行合并。以太坊的合并需要首先在测试网上进行测试，一旦在测试过程中发现任何问题，节点视情况进行修复。

目前以太坊的测试网Ropsten、Sepolia已经分别于6月9日和7月6日完成了合并。剩下的Goerli测试网也将于近日进行合并。如果一切顺利，以太坊正式网络将于九月中下旬结束合并。在那之后，PoW的机制将被废弃，整个网络将通过PoS来产生新的区块。

为了确保共识机制切换成功，以太坊开发者提议实施难度炸弹，以增加PoW的挖矿难度。难度炸弹在2015年被加入到以太坊代码中，它被描述为：在预定的区块数上，增加PoW算法中谜题的难度，使计算产生区块的时间变长，挖矿变得困难，以此来减少矿工的挖矿奖励，打消他们的积极性。难度炸弹实施后，矿工们将变得无利可图，原PoW网络也就无法继续运行。

3.分片

共识机制的转变并不能提升以太坊的性能，性能的提升需要通过分片来实现。

分片是一种数据库分区概念，用于优化存储并快速处理，通过把组织的网络分为较小的分区，水平分割数据库，分散负载，每个分片都有自己独立的数据，多个分片可以并行处理，从而减少网络拥堵，增加TPS，实现网络的可扩展性。

以太坊比较早期的分片计划是将主网划分成64个分片，每个分片都有独立的区块提议者和委员会，区块提议者和委员会是随机选择和随机分配的，区块提议者从交易池中选择要纳入区块的交易，当获得委员会三分之二的同意票之后，区块就可以被纳入链上。

这个早期的分片方案旨在扩展以太坊主链的性能。但是执行起来很复杂，加之经过几年的时间，layer2发展迅速，Rollup百花齐放，所以，以Vitalik为中心的以太坊的开发者们逐渐抛弃了这个原有的方案，转向了新的技术选型，即不再在以太坊主网上直接分片以追求承载更多交易，而是转换为以Rollup为中心，由Rollup在交易层面扩容、主链只为Rollup提供数据可用性的底层链的路线图。

在新方案中，以太坊的目标是作为可扩展的数据可用性层，可以简单理解为最终的结算和记账。主链扩容将聚焦于扩大区块的数据容量，而非提高链上计算效率，即：以太坊分片旨在提供更多数据blob（二进制大对象）空间以支持Rollup，以太坊无需对这些数据进行解释，只收集Rollup的计算和证明结果，确保数据可用，而更多的计算执行和交易有效性则由Layer2的Rollup来实现。更具体来说，由Rollup来进行交易的计算和验证，并将验证完成的多笔交易和证明结果纳入一个包裹，而主链上的区块只记录这些包裹。

由于一个区块可以纳入多个Rollup产生的包裹，未来以太坊上会存在多种Rollup来为整个网络执行扩容，目前主流的主要是zkRollup和Optimistic Rollup，分别对应有效性证明和欺诈证明两种证明方式。

以太坊2.0升级的影响

能耗减少

在切换到PoS机制后，整个网络不再依靠消耗大量电能的矿工节点，因此也变得更加环境友好。PoS机制下的节点的能源效率比PoW高99%以上，所以PoS网络的能源效率将大大提升。当采用PoW机制时，矿工节点需要强大而能耗高的硬件设备来进行复杂的数学计算，谁先完成计算，谁就获得了构建区块、获得区块奖励的资格。在这种情况下，矿工只能24小时满负荷运行自己的挖矿设备，以获得最大的收益，这些高能耗的设备对电力的需求无疑是巨大的。

在PoS网络中，区块的提议者是随机选择的，不再需要大量的矿机硬件来竞争出块权，也就不再需要巨大的电力消耗。

ETH产量

以太坊在由PoW共识转向PoS之后，不再产生矿工奖励，取而代之的质押奖励。所以ETH的发行率将会减少90%。大家把这种情况称为“Triple Halvening”，因为相当于同时发生了3次比特币减半，以太坊将经历发行量的瞬间减少，同时由于质押中的ETH不能流入市场，ETH将进入通货紧缩的阶段。

ETH质押

在合并完成之后，会有更多用户选择将自己的ETH质押，因为可以获得一笔几乎无风险的质押收益。根据测算，质押ETH的年收益率大概为4%。Kraken在《2022年第一季度质押状况》的报告中预计，在以太坊完成合并后，质押用户的年收益率可以达到8.5%-11.5%。

另外由于质押需要增加，质押服务赛道预计会有一波爆发。目前有1300多万ETH质押在信标链上，超过以太坊总量的10%，一共41万验证者参与了质押。

由于网络要求最少要质押32个ETH，同时运行节点设备又有一定的技术和资金门槛，选择质押服务商相比自行质押就显得有吸引力得多。目前的质押赛道龙头Lido（参见前文从stETH的折价说开去-stETH的定价、流动性和风险）已经在流动性质押这个市场中占据了90%以上的份额。

矿工

以太坊合并后，原来的PoW链将逐渐被废弃，原来的矿工的去向也成为一个重要的关注点。作为加密世界里第二大的矿业生态，矿工们会作何选择？是选择分叉原链，还是转向ETC继续挖？作为以太坊的分叉链，以太经典可以使用以太坊的矿机进行挖矿，但是以太经典能承载的算力有限，一是因为ETC价格比较低，挖矿的成本和收益本就难以平衡，加上如果合并之后大量算力涌入，竞争加剧，会进一步削减矿工的收入。而分叉原链的方案，受制于难度炸弹的设计，可能也很难实施。

结语

以太坊合并已经近在咫尺。虽然升级方案几经更迭，但目前为止，进展基本顺利。作为区块链世界影响最大、拥有最多开发者的公链，以太坊的升级毫无疑问会产生巨大的影响。随着以太坊2.0的到来，公链发展也进入一个新的篇章，困扰以太坊使用者许久的低性能、高费用、高能耗的问题，有望通过一系列的升级来解决。对于即将发生的一切，我们充满期待。