一文深度解读以太坊 2.0

Overview 概述

V 神在布拉格以太坊开发者会议上表示，以太坊 2.0 即将推出，它可以将以太坊网络处理交易的能力提高一千倍。此次 ETH 2.0 更新并非是对现有网络的升级，而是完全革新以太坊的共识系统，对网络的底层协议作出更大改变，特别是此次 ETH 2.0 将是共识协议 Casper 及分片技术首次的落地，会推动区块链扩容技术向前发展，不断达到商用的标准。此篇报告将为大家详解以太坊 2.0 是什么以及更新了什么，以及为什么我们要关注它？

Report 报告

ETH 2.0 是什么？

以太坊 2.0 并不是对现有以太坊网络的升级，而是一次全面的修订和重新设计。并且整个更新计划将持续很多年，直至完成最终的规划目标。

相较于当前的以太坊网络，ETH 2.0 有如下的重大变化：

1. 共识机制由 PoW 转移为 PoS，这将是备受关注的创新型 PoS 共识 Casper FFG 算法的首次落地实现。
2. 在 PoW 共识机制下，以太坊只有一条最长的链作为主链，而以太坊 2.0 网络则拥有一条信标链和 1024 条分片链，以实现扩容。这些不同的分片链可以互相通信，并统一由主链信标链进行控制和验证。
3. ETH 2.0 链上的数字资产为 BETH，原来的 ETH 将在新的主链上无法使用。ETH 的持有者只能通过销毁的方式，将 ETH 按照 1:1 方式兑换 BETH。原来的 ETH 将被销毁，从而产生新的 BETH。这个兑换机制由以太坊 1.0 上的智能合约完成，并受 ETH 2.0 信标链的监控。
4. Staking 将是 ETH 2.0 的重大功能之一，即用户可以通过质押 32 BETH，成为 ETH 2.0 信标链的验证人。

ETH 2.0 的设计目标

根据以太坊 2.0 白皮书，其设计目标如下:

To minimize complexity, even at the cost of some losses in efficiency.

• 简洁性：最大程度地降低复杂性，哪怕会导致效率有所下降。

To remain live through major network partitions and when very large portions of nodes go offline.

• 强韧性：在主网分区之后，大部分节点离线之时，整个系统依旧能够运行。

To select all components such that they are either quantum secure or can be easily swapped out for quantum secure counterparts when available.

• 持久性：选用的组件要能够抵抗量子计算，或是选用可替换型组件直到可用的抗量子计算组件出现。

To utilize crypto and design techniques that allow for a large participation of validators in total and per unit time.

• 安全性：通过密码学技术和设计技术提高验证者的总人数和单位时间内的参与者数量。

To allow for a typical consumer laptop with O(C) resources to process/validate O (1) shards (including any system level validation such as the beacon chain)

• 去中心化：允许处理能力达 O (C) 的消费级笔记本电脑处理/验证 O (1)个分片（可能是系统上任何一层的验证，如信标链）。

ETH 2.0 路线图

Ethereum 2.0 一共划分为 7 个阶段，其中 Phase 0 预计将在 2020 年年初发布。

1. Phase 0: PoS beacon chain without shards
2. Phase 1: Basic sharding without EVM
3. Phase 2: EVM state transition function
4. Phase 3: Light client state protocol
5. Phase 4: Cross-shard transactions: see here and more
6. Phase 5: Tight coupling with main chain security: here and more
7. Phase 6: Super-quadratic or exponential sharding

即将上线的 Phase 0 阶段主要特点

Phase 0 核心是一个没有分片和 EVM 的信标链

ETH 2.0 的 Phase 0 阶段主要是发布「信标链」， 信标链将成为 ETH 2.0 生态的中心，成为所有其他分片链的安全和验证中心。

一旦完成部署，信标链将使用 Casper FFG 算法运行 PoS 共识机制。信标链的早期迭代被设计得尽可能简单，因此 Phase 0 阶段将没有虚拟机 EVM，也不支持智能合约、账户和资产转移，同时也没有包含任何分片。

信标链上的 BETH 无法在链上转移，这意味着用户无法将其存放在交易所。

BETH 新以太将是信标链上的 Token

信标链上的数字资产是 BETH，当前以太坊主链上的数字资产 ETH 将无法在 ETH 2.0 的链上使用。 BETH 的产生方式主要有两种：

1）通过 Stake，成为验证人，获得 BETH 奖励；

2）原链上的 ETH 通过打入销毁智能合约，按照 1:1 兑换出新的 BETH，原来的 ETH 则会被销毁。

将开启 Staking 验证人模式

用户可以通过在信标链上质押 32个 BETH 成为以太坊 2.0 网络的验证者。

在 Phase 0 阶段，验证者将只能对信标链上的交易进行验证，因为这个阶段，1024 条分片链还未出现。

从 Phase 1 阶段开始，以太坊的分片功能将得到实现。验证者就可以同时对 1024 个分片链上的交易信息进行确认。

信标链以及各分片链将使用新的 PoS 共识算法 Casper FFG 来确定最终区块。Casper FFG 是一种权益证明算法，可以对恶意行为（如链中止和分叉）进行惩罚，如没收该恶意行为发起者 Stake 的数字资产。

验证人机制

分片的目的是在节点之间拆分状态信息，而不需要任何节点掌握网络全貌。因此没有验证者可以验证所有分片。相反，信标链将协调分片的验证工作。每个轮次（64 个区块或者 6.4 分钟），信标链将对验证者进行混洗，并将他们分配给一个分片。分配到一个分片的一组验证者被称作委员会。委员会由 128 名成员组成。

在 Phase 0 阶段，这意味着每 6 分钟信标链就会重新混洗、选取一次，选出下一个六分钟里承担职责的委员会。

在 Phase 1 阶段，信标链将为 1024 个分片分别指定一个验证者委员会。这个方法看起来思路清晰但是实现十分复杂。它涉及多阶段随机数生成以及可验证的延迟函数，以进一步阻止操控委员会选择的企图。

由于委员会的工作十分重要，ETH 2.0 随机选择委员会并且时常轮换委员会。委员会负责保证它们所在分片的安全性、活性以及完整性，并负责证明信标链上的分片状态。

它们是信标链可以获取分片状态的唯一方式，反之亦然。随机地从验证者池中选择组成委员会的验证者可以最大限度地减少整个委员会撒谎的可能性。时常轮换委员会可以减轻恶意委员会可以造成的伤害。

所以对恶意验证者以及试图使自己利益最大化的验证者而言，他们很难将委员会选择作为攻击网络的工具。事实上，即使他们偶然获得了对分片委员会的控制，他们的控制也无法超过 64 个区块。

Conclusion 结语

以太坊 2.0 如果顺利完成升级，将极大地促进区块链技术整体向前发展，特别是解决了当前公链最大的难点扩容问题。但是，也必须认识到以太坊 2.0 更新整体跨度的时间比较久，技术创新度高且难度大，是否能够能够实现稳定、安全的新一代底层公链目标尚存在较大的不确定性。