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深入探讨以太坊当前架构及其路线演变
来源：ETH中文网
作者：Tim Beiko
这次更新与以往的有点不同。首先，我决定转移到 Mirror 发布更新。使用这个用于 1559 NFT 项目的平台是很不错的体验，而且我一直在找机会再次使用它。我会在 HackMD 保留更新列表，这样便于在一个地方轻松找到它们。
第二，由于我们现在的工作重点在合并 (The Merge) 上，本文其实不算是一篇「更新」，而是对走到当前架构选择的路线图演变的深入探讨。几周后，会有一篇类似的文章，详细介绍 以太坊 网络在合并后将如何运作。
合并史前史?
合并将把以太坊目前的工作量证明 (PoW) 共识算法转为在信标链上运行的权益证明 (PoS) 机制。这个设计是「以太坊 2.0」路线图多次迭代的结果。让我们回顾一下过去几年路线图的变化吧。
阶段 0️⃣, 1️⃣, 2️⃣
几年来，权益证明和分片的研发是彼此独立的。在 2018 年台北的一次研讨会上，大家决定将这两项研究计划统一起来，形成一个分三个阶段的「以太坊 2.0」路线图。Ben Edginton 在这篇文章里对当时的研讨会和总的理念作了非常好的总结。正是在这次活动中，Hsiao-Wei 展示了这张现在广为人知的「以太坊 2.0」简图：
这张图展示了当时新路线图的每个阶段将交付的内容：
阶段 0 将带来信标链
在阶段 1，会加入数据分片
在阶段 2，在每个分片加入虚拟机，以在系统里实现计算。
分片的数量最初定为 100，然后提高到 1024，最近又调低到 64。
提早合并 ?
随着信标链的工作在 2018 年开启，很明显，这个分三个阶段的以太坊 2.0 路线图将需要几年时间才能完全交付。伴随着使用以太坊人数的快速增长带来的成长阵痛，这带来了工作量证明区块链研究计划的复苏。在 2018 年的 Devcon IV 上，「Ethereum 1.x」这个术语被提出，用于涵盖这些研究计划。其中最重大的一项是无状态以太坊 (Stateless Ethereum)，这个范式会把未被访问的状态从网络中移除，以限制状态的膨胀速度。
一方面有越来越多的关注放在让 PoW 链变得长期可持续上，另一方面开发者们意识到信标链可以比以太坊 2.0 路线图的其他部分更早实现，结合两者后出现了一个「提早合并」的提案。这份提案把现有的 EVM 链作为以太坊 2.0 系统的「分片 0 」来启动。这样不仅会加快搬到权益证明的速度，还会使应用层的过渡更顺滑，因为搬到权益证明不需要在应用层上做迁移。
这提案出来不久，Danny Ryan 在他的《Eth1+Eth2 客户端关系 (Eth1+Eth2 client relationship)》的文章里探索了 我们可以如何通过利用现有 Eth1 客户端实现提早合并。这将大大减少交付一个合并后系统和利用客户端的开发工作，因为 Eth1 客户端已经在主网上久经沙场了。按这条路走下去还可以给研究者更多时间解决阶段 1 和 2 的开放性问题 (请看这里)，和无状态以太坊 (这仍然是非常活跃的研究领域)。
以 Rollup 为中心的路线图 ?
很快到了 2020 年末：阶段 0 此时的进度已经达到 99%，信标链很快就要启动了。尽管在阶段 1 的工作进展顺利，但将在阶段 1 引入的分片上实现计算功能的阶段 2 仍然有很多未解决的问题：
如何从当前的 EVM 链顺滑过渡到分片的虚拟机？
从性能上看，有哪些替代虚拟机能被部署？
我们要如何确保各种虚拟机是真的安全？
如何协调所有虚拟机上的状态和余额？
......
同时，rollup (例如二层的扩容方案) 方面正发生非常快速的进展。多个团队公布要上测试网，且取得令人鼓舞的早期成果。
大约在这个时候，Vitalik 在 Ethereum Magicians 论坛上发表了长文，论述我们应该把短期和中期的扩容工作集中在 rollup 上。它们不仅会在阶段 2 完成前上主网，还会是阶段 1 的最大受益者。Rollup 会生成大量数据，而分片可以为它提供比 EVM 链消耗更低的存储。下面是文章的截图：
这种方法将对阶段 0-2 路线图产生几方面的影响。具体如下：
阶段 0 (信标链) 当时正处于部署主网前在测试网上运行的阶段，一旦 PoW 链准备好，信标链就可以成为共识层引擎，而不需要等到阶段 2 以后；
阶段 1 (数据分片) 的实现还需要几年时间，它从扩容的关键障碍变成一项增量改进，它会减少已经开发出来的扩容方案 (例如 rollup ) 的开销；
阶段 2 (分片执行) 是有最多开放性研究问题且更复杂的功能，它可以在几年后推出，或完全取消，对扩容路线图没有任何影响。
研究社区快速就这个提案聚集起来，并在一个月内发表了一篇 ethresear.ch 文章，详细介绍了当前这个合并计划！
当前 & 未来的路线图 ?
可执行信标链⛓
当前的合并架构在首次于 2020 年 11 月由 Mikhail Kalinin 发表的《可执行信标链 (Executable Beacon Chain)》上得到详细说明。简言之，它结合了多次迭代的以太坊 2.0 路线图的洞见：
信标链已经启动了，现在可以作为共识引擎来使用；
Rollup 是扩展计算的最佳短期解决方案；
当前的 Eth1 客户端是作为合并后执行层的最佳基础；
搬到权益证明可以通过对当前运行的应用影响最小的方式实现
Mikhail 提议中的一个重大变更是，与其让当前的 EVM 链成为」分片 0」，不如直接与信标链连接。
这是一个简单但重要的见解——Eth1 执行层客户端已经是以共识算法可换的方式构建的。主网使用工作量证明，而测试网和私人以太坊网络使用的是权威证明 (proof of authority) 共识算法 (clique、IBFT 等)。
在文章里，Mikhail 提议直接把权益证明作为客户端使用的新共识算法。换句话说，就是把当前的工作量证明链与信标链合并。下面由 Trent Van Epps 制作的这张图很好地说明这个变化：
来源：https://twitter.com/trent_vanepps/status/1415741658067517441/photo/1
这种方法将最大程度地减少 PoW 链上客户端团队要做的工作，同时仍然带来「提前合并」和「以 Rollup 为中心路线」的所有好处 [1]。
Rayonism 项目☀️
为了验证可执行信标链架构的可行性，在名为 Rayonism 的长达一个月的黑客松里，客户端进行了原型设计。
在几周内，Eth1 和 Eth2 客户端的各种混合组合作为合并后的客户端在 EVM 上运行交易，通过信标链达成共识。
高度概括来说，现在的 Eth2 节点变成作为网络的共识层，而现在的 Eth1 节点则作为其执行层。共识层的功能扩展为把最新的链头信息发送给执行层，并向执行层请求区块。执行层仍然负责处理区块、广播交易、存储和管理状态，和处理 JSON RPC 请求。
这个实验验证了可执行信标链的架构是合理的，且可以用作过渡到权益证明的基础，现在这个过程被称为合并。
PoW -> PoS 的过渡 ⛏
Rayonsim 项目里没有测试的是从真正的 PoW 网络过渡到运行中的 Pos 网络。经过几次迭代后，现在已经大致敲定了一份规范。
为了实现从工作量证明到权益证明的过渡，在客户端里需要设置一个 TERMINAL TOTAL DIFFICULTY （终结总难度)。当发现区块上的难度超过了工作量证明链的难度时，客户端会进入过渡模式，它们会开始监听权益证明层的信息来达成共识。一旦共识层最终敲定的一个区块的难度超过了 TERMINAL TOTAL DIFFICULTY，执行层将完全停止监听和广播 PoW 区块信息。这样，合并就完成了?！
对于应用，这不会对合约和用户造成任何影响。有一些操作码需要更新，但就仅此而已。对于信标链节点的运行者，在合并中需要选择一个执行引擎。同样地，如果你在工作量证明网络运行一个节点，在合并中需要选择一个共识客户端。随着合并工作的开展，你可以预期会有多个开发者测试网、教程和会议来讨论这些问题。
接下来的工作?
尽管合并的总体方案已经确定了，客户端团队还有一长串的事情需要在未来几个月内完成。大部分要做的事都可以在 这里 追踪到，值得关注的包括确定合并后的同步协议、为整个过程设置创建集成测试、上线开发者测试网并在不利条件下运行它们，以及为过渡期间的各种意外情况做计划。
如果你想深入了解实际的规范，EIP-3675 详细列出执行层客户端需要的变化，而共识规范中的 merge folder 详细列出了共识层的变化。
当事情稍微稳定下来，请期待另一篇深入以太坊客户端在合并后将如何工作的文章。谢谢你的阅读，下次再见??！
感谢 Danny Ryan、Trent Van Epps 和 Mikhail Kalinin 对本文草稿的反馈。
[1] 一个值得注意的变更是「无状态以太坊」不再是过渡到权益证明的先决条件。
[2] 在过渡阶段根据总难度而不是区块或 slot 号可以更好处理重组情况。想了解更多，请参见 EIP-3675 里的 "Transition process (过渡过程)" 部分。
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