OKEx投资研究：从PoW到PoS，对以太坊2.0的深入分析

目录：

一。伊斯坦布尔升级

二。以太坊2.0

2.1架构

2.2主要更新点

2.3关键解决方案

3以太坊2.0的风险

斯坦布尔升级

在2019年12月8日星期日，以太坊网络计划以9,069,000的区块高度升级伊斯坦布尔。根据ETHernodes.org网站的数据，超过90％的节点已同步。

（节点同步图，图片来自ETHernodes.org）

自成立以来，以太坊已牢固地占据了加密资产市场价值的第二位，并拥有庞大的全球开发者社区。 DAPP的数量也落后于其他公链。但是，即使这种“超过一个人的10,000人以下”的状态也不意味着以太坊可以坐下来放松。位于“世界计算机”中的以太坊目前每秒只能处理约15笔交易，而像Visa这样的私人公司每秒可以处理45,000笔交易。频繁的拥塞事件导致额外的成本和等待的处理时间，使用户的体验非常差，这极大地限制了以太坊的发展。以太坊2.0是取代现有以太坊网络的既定计划。它致力于在不减少去中心化性的情况下极大地提高以太坊网络的可扩展性和性能，从而更好地承载去中心化的应用程序并促进行业发展。应用程序爆裂。

（主流公链的DAPP数据图，https：//www.stateofthedapps.com/，11月29日）

Istanbul升级是以太坊2.0可扩展蓝图的关键里程碑，该蓝图旨在在不牺牲去中心化性原则的前提下，使应用程序区块链更快，更便宜。此次伊斯坦布尔升级中要实现的功能包括降低GAS成本的措施；与隐私币Zcash改善了链的互操作性；以及具有更多创新功能的智能合约。

将分两个阶段实施总共14个EIP（以太坊改进提案）。其中的六个提案将在第一阶段（V1）中实施，剩下的8个提案仍需要核心开发人员进行讨论和审查，并将保留给下一阶段（V2）升级和实施。

在V1阶段的这些建议中，EIP-1884颇具争议-为了保护区块链免受潜在的垃圾邮件攻击，这将增加应用开发人员从网络检索数据的计算成本，并重置操作码的天然气成本。某些作业的燃气成本增加了。这使得在以太坊上调用数据的成本比以前更高。对于开发人员，有必要避免编写占用大量存储空间的应用程序，以消除由燃气成本变化引起的**干扰。例如，估计一个事务+合同+合同+合同代码中访问的总存储空间，并确保它不会超载。 EIP-1108也很受欢迎-它涉及对以太坊上预编译的椭圆曲线算法进行重新定价。它旨在通过优化GAS支付来改善以太坊的可扩展性和隐私协议，并使ZK-SNARK和其他隐私应用程序（例如ZETHer和AZTEC）在以太坊上的使用成本降低。

第二阶段（V2）计划在升级后的主网上实施，并包括称为“ ProgPoW”的算法改进，它将通过替换工作量证明功能的ETHash算法来增强以太坊抵抗ASIC的能力。

随着以太坊刚刚完成的伊斯坦布尔升级，以太坊2.0开发团队于12月10日正式发布了Lighthouse公共测试网。以太坊2.0的计划和过程再次成为每个人都急切关心的问题。

二以太坊2.0

以太坊的目标是成为分布式金融和智能合约执行平台，并成为“现实世界的计算机”以太坊的官方网站如下所示：以太坊是一个用于去中心化应用程序的全球性开源平台。在以太坊上，您可以编写控制数字价值的代码，准确地将其作为程序运行，并在世界任何地方访问它。在这个去中心化的世界中，以太坊似乎将自己定位为去中心化的网络构建者和去中心化的网络基础设施和技术提供商。

为了实现全球计算机的目标，以太坊在2014年初设定了四个开发阶段：Frontier，Frontier，Metropolis和Serenity。前三个阶段都使用POW模，而“宁静”的第四阶段是POS以太坊的最终形式，这就是我们所说的以太坊2.0。

2.0阶段将完成从PoW到PoS的转换，以及重要的升级，例如分片和eWA替换EVM。升级完成后，预计以太坊的速度将大大加快。

（以太坊1.0和以太坊2.0的基本信息）2.1以太坊2.0架构

（以太坊2.0的整体架构，来自Hsiao-WeiWang）

从这张图片的顶部到底部：

1. PoW主链是当前的以太坊主网络。在以太坊2.0系统中，它将继续作为信标链的一部分运行。

2. BeaconChain是信标链，它是所有链的基本链，并且通过Casper协议的公平性证明，是整个以太坊2.0系统的核心部分（Casper是整个系统的共识层，负责管理验证者，实施奖励和惩罚）并协调所有独立和并行的分片链，并使用交叉链接（Crosslink）作为每个分片的定位点，以实现跨分片通信并为分片提供最终的确定性保证。

3. ShardChains是一个分片链，是可伸缩性的来源。每个分片都有一个验证程序委员会来打包和验证分片，并通过交叉链接定期在信标链上记录分片的状态。一旦在信标链上最终确定了一个块，该块中的交叉链接引用的分片块就被认为是不可更改的。

4. VM层是以太坊2.0系统的**一个重要部分，它将提供合同和交易的执行。

以太坊2.0的体系结构如图1所示。在以太坊2.0中，将有一个主链，称为信标链。在信标链下，有64个分片，每个分片可以独立处理数据。 。信标链是体系结构的核心，负责连接主链和管理每个分片。

卡斯珀是其相应的共识。它有两个版本。一个是由Vitalik领导的CasperFFG。 FFG使用POW + pos的混合共识作为将以太坊从PoW成功转换为PoS的过渡协议。其主要思想是使用PoS来帮助PoW生成的区块的最终确认，从而在降低矿工报酬的同时提高系统的安全性。另一个是由弗拉德（Vlad）领导的CasperCBC，而CBC是纯粹的PoS共识。从当前的角度来看，CBC仍有许多细节需要进一步研究和讨论。

信标链通过Casper共识协调所有独立的并行分片链，负责为分片分配验证器并跟踪每个分片的当前状态，为分片提供最终的确定性保证，并提高整个系统的安全性，它也可以发挥至关重要的作用。它是实现以太坊2.0的基础，

在以太坊2.0中，原始的1.0链仍保持运行PoW共识的原始状态。分片链完成功能后，1.0将以太坊的实际操作权作为信标链的分片或主存储合同移交给信标链，并且两者通过桥连接。 2.2以太坊2.0更新点

根据以太坊的发展路线图，以太坊将在2020年进入2.0阶段。以太坊2.0的技术升级有三项主要创新：共识机制从POW更改为POS，分片和eWA虚拟机。

共识机制POW以提高POS效率并解决能耗问题

在以太坊1.0中，工作量证明（PoW）被用作共识机制，并由此产生新的区块。根据POW算力的共识，所有节点一次只能做一件事。整个网络可以处理的任务数量非常有限，这受到网络中单个节点可以处理的任务上限的严重限制。即使块大小被扩展，由于整个网络的共识，效率提高的效果也受到限制。因此，为了减少工作量证明生成新区块所需的时间以及由于大量算力而导致的资源浪费，以太坊2.0将改为权益证明（PoS）作为生成共识机制新街区。

分片提高网络性能和容量

在物理空间中，分片是将公链网络中的所有节点划分为不同的组，每个组称为分片。原始公链中所有节点执行的任务完全相同。现在，将任务分组并分配给不同的分片，每个分片处理不同的任务。事实证明，公链网络的性能瓶颈取决于网络中节点的性能。分片后，单个分片中的节点只需要承担整个网络的工作，每个分片并行工作，从而提高了整个网络的承载能力。假设分片的数量为n，则每个节点所需的工作量为整个****量的1 / n。同样，整个网络的容量也将变为原始网络的100倍。分片是区块链扩展的**解决方案。它可以在不增加节点的硬件要求和降低去中心化程度的情况下，显着提高网络性能和容量。

（共享物理空间图，来自tokeninsight“分片技术研究报告”的图片）

用eWA代替EVM-提高智能合约的兼容性和执行效率

虚拟机是类似于操作系统的小程序，是处理智能合约部署和执行的地方。以太坊系统上的所有节点都需要运行智能合约以在区块链上执行最终交易。每个完整的节点将运行一个虚拟机，所有节点将执行相同的计算，然后所有节点将比较结果并写入块数据。

（智能合约操作流程图）

以太坊2.0将支持多种编程语言，而eWA将取代EVM。 EVM虚拟机是以太坊网络的核心引擎，可驱动整个以太坊的运行，并承载以太坊上的所有代币，DAPP，DAO组织和游戏。但是，由于EVM的编译工作繁琐而复杂，将消耗大量的气体燃料成本，并且随着以太坊2.0PoS和分片技术的改进，需要虚拟机并行处理事务，而EVM则按顺序处理事务并且不适合此类操作。因此，以太坊团队建议使用eWA代替EVM。 eWA是WA（WebAssemb）代码的以太坊版本。与EVM相比，eWA具有更好的性能和更好的可伸缩性。它可以支持Solidity，C ++，Rust，AssembScript等。编程语言将使开发合同变得更加容易，并且还可以在ETH2.0上支持智能合同，账户，状态等。此外，eWA与EVM向后兼容，因此在现阶段，以太坊的智能合约理论上仍可以在以太坊2.0上运行。 2.3关键解决方案

同时，由于分片和POS共识机制的引入，以太坊2.0面临新的挑战。因此，有CasperFFG，信标链和桥接解决方案来弥合这些风险并帮助以太坊2.0继续改进。

2.3.1。卡斯珀FFG

在实施CasperFFG之后，以太坊将首先进入POW + POS混合挖矿阶段。在此阶段，大多数块仍通过POW生成，并且某些块将开始移交给POS节点，以允许整个网络以较温和的方式过渡到POS。

CasperFFG定期向系统分配一个验证者委员会，为每个分片选择区块提议者和区块验证者，并对验证者进行奖励和惩罚。

（1）管理验证者状态

验证程序有四种状态：未激活（尚未履行验证程序的角色），已激活（正在验证），正在等待（即将成为验证节点，但仍在队列中等待）以及退出验证节点（希望取消）验证人的职责，但仍然停留在退出队列中）。

在CasperFFG上，一个完整的验证器周期为：

1个存款：需要在Capser的智能合约中抵押32 ETH

2等待选择通知：等待1天

3投票：2次确认后，在检查点投票以确认阻止

4退出：签发退出协议后，您需要继续验证7天

5抵押的提款：提交申请后，您需要等待大约4个月才能提款。

系统需要等待一段时间才能进入并退出，以安排验证者组成委员会，这是点对点的连接。该过程应尽可能平稳，以使验证者的数量不会明显波动。

了解两个时间单位

槽：提议者提议该块并将其用于验证的时间，目前为12秒。如果可以在验证者委员会内达成共识，则该时隙可以成功生成一个块，否则该时隙为空。

纪元（时间段）：由多个时隙（当前为32个）组成的时间段，为6.4分钟。历元中的**一个时隙称为Checkpoint。

成为验证者：

由于POS中存在“无利益攻击”问题，也就是说，在POS机制下，恶意节点验证程序可以将其硬币放在分叉链上，而不会造成任何损失来推广硬分叉。因此，在ETHereum2.0中，验证节点需要从信标链抵押一定数量的ETH（当前为32ETH）以申请加入。当标记为“活动”时，它可以运行ETHereum2.0协议，并且信标链还将跟踪和管理验证节点。 32 ETH的阈值较低。基于PoW的PoS以智能合约的形式存在。节点程序可能会稍微简单一些。用户只需要在计算机上运行钱包，配置要求不是很高。 。验证者要做的最重要的事情是在第3步中进行投票，及时进行准备和投票，以使验证者获得奖励并避免受到惩罚。

退出验证：验证者还可以发出信号，表明他们要退出系统并停止参与协议。为了防止远程攻击，以太坊ETH2.0的退出延迟期较长。他们的抵押代币加上奖励和扣除的罚款将退还给分片链。

（2）将验证者随机分配给系统

委员会（验证者委员会）是由信标链随机选择的一组验证节点（至少128个），负责见证信标链和每个分片生成的块。信标链有其相应的委员会，每个分片还具有一个验证程序委员会以验证该区块。该委员会负责确保碎片所在位置的安全性，活动性和完整性，并负责证明信标链上碎片的状态。

在每个插槽中，信标链将在链中的委员会中随机选择一个验证器，并且一定数量的其他验证器将检查该块并验证其正确性。当生成下一个块时，将随机选择一个验证节点来提出一个块，并使用另一组不同的验证节点来验证正确性。

指派的委员会完成纪元块生成和验证任务后，系统将重新组合所有验证节点，并为每个分片随机选择下一个纪元新的验证者委员会。借助于随机数生成算法，验证节点的选举过程从根本上避免了验证节点之间的串通和串通，提高了协议的安全性。

（3）确保链的终结性，避免远程POS攻击

比特币的PoW共识使用最长链原则。为了防止重复付款，通常需要等待6个区块的确认，然后才能真正确认交易有效。实际上，确认6个区块被认为是确认的标志，因为在此之后，在当前比特币的哈希条件下，交易被篡改的可能性可以忽略不计，但是从理论上讲，即使一项交易已被数百个区块确认，根据最长链原则，该交易仍有可能受到51％攻击而篡改数据。因此，在PoW共识下，链的确定性仅是隐式的终结性，此功能将使本来就很复杂的状态分片更加不确定。

在以太坊2.0中，对每个区块进行投票的验证节点将增加网络传播开销。为了减少Casper中的投票数，将每个时期**一个时隙上的块设置为检查点，以参与共识验证节点“将对检查点进行投票”每个验证者都投票给一个检查点时间段，该检查点时间可以从某个检查点到多个检查点之后的检查点。从创世块开始（创世块是第一个确定性检查点），当下一个检查点获得超过2/3的票数时，则此块变为确定性且不可更改，此检查点是确定性检查点，依此类推。当确定性检查点从其接收到其后面的子检查点的票数的2/3以上时，则已确认从该确定性检查点到下一个检查点的所有检查点。

如果同一分支上确定性检查点的**一个检查点也是确定性检查点，并且在此期间有超过2/3的验证者投票，那么确定性检查点将是最终的。如果检查点状态为最终状态，则将确认该状态以及之前的所有块。因此，Casper共识的另一个主要改进是引入了显式终结性，即不再篡改**块之前的几个块之前的块信息，这将有利于实现无状态客户端。

同时，为了防止验证者在运行过程中作恶，Casper开发了一套惩罚机制，如下所示：验证者不能针对相同的块高发起两个不同的投票，并且两个投票的投票范围投票不能包含一个，否则没收抵押代币。

另外，为了允许PoS改善PoW链的安全性，FFG在选择分叉时对最重的链进行了一些修改：首先在视图中找到具有**高度的确定性检查点，然后检查最重的链在该点之后的块上进行选择。

这有两个好处。第一个是，只要在FFG中完成性检查点之前的块得到确认，就不可能被颠覆。第二点是，已确认区块的安全性要求矿工不断向区块提供工作量，因此，为了激励矿工，需要更多的挖矿奖励。在FFG中，只要是最终区块，它们都已被确认，并且后续矿工的工作量就不必增加已确认区块的安全性，因此可以减少挖矿奖励并降低通货膨胀率。

（4）通过奖惩机制调节节点行为

除了生成块的作用外，POS验证节点还扮演着验证块的作用。它还需要一直在线以完成分配给他们的任务。

验证人的投票权重取决于其抵押代币的大小。每次验证者成功打包一个区块时，他们将获得与所持有代币成比例的以太坊2.0系统奖励。如果大多数验证者拒绝他们创建的区块，那么验证者将面临丢失其抵押代币的风险。同时，如果验证者未能履行对区块的投票责任，其认捐的以太坊将减少。如果验证节点的余额减少到验证阈值以下，则它们将被踢出验证节点池，并且无法继续参与验证工作。因此，CASPER强制验证者诚实行事，并通过奖惩制度遵守共识规则。 2.3.2信标链

跨切片通信需要借助信标链来完成，因为一个分片没有其他分片的直接信息，并且只能通过与信标链交联来获取有关其他分片的信息。在以太坊2.0中，每个分片都有一个验证者委员会来验证区块。委员会成员必须在信标链（例如，默克尔根）（即Crosslink）上写有关分片的可验证信息。当信标链块完成时，相应的分片块被认为是最终的，其余的分片可以确信他们可以依靠它进行跨分片事务。如果验证者委员会的成员无法就交叉链接的有效性达成共识，则将对错误的验证者进行罚款。

（1）确保分片验证器的随机性

在区块链系统中很难产生良好的随机性。股权证明协议的关键要求是随机性的来源。它必须是分布式的，可验证的，不可预测的且不可分割的。恶意矿工更容易控制分片，因为攻击者只需要1 / N哈希即可完全控制分片。因此，对于分片系统，需要良好的随机性以防止特定的分片被单独攻击。信标链负责为系统的其余部分提供这种随机性。在以太坊分片中，当前的随机数生成是由信标链通过RANDAO结构完成的。

验证者将提供“哈希洋葱” RANDAO结构将许多参与者提供的单个随机数组组合为一个输出编号。为了防止任何参与者显着地操纵随机性，开发人员使用了提交公开方案。验证程序注册后，它将提供一个承诺值，该值是在它选择的原始编号的多个哈希值之后生成的。每次在委员会中选择一个块生成器时，它都会通过提供揭示该数字的**原始图像来剥离一层或多层“洋葱”其他所有人都可以检查此操作是否正确完成，因此演示者无法通过更改其单个随机数来欺骗系统。因此，区块生产者基于上述协议中的随机性来随机选择区块提议者。

在casper协议功能中，信标链的每个段都选择一个验证者委员会和一个块验证者，这取决于RANDAO结构带来的随机性。

（2）通过交链（crosslink）成为每个分片的锚点，以实现跨分片通讯

当分片A的用户或合同要与分片B进行交互时，分片A验证者委员会成员必须在信标链上写入有关分片的可验证信息（例如：默克尔根）。分片A会将其所有收据打包到其块标题中。在信标链等待分片A在包含收据的区块上达成共识后，它将分片A的区块标头打包到信标链中。分片B等待信标链完成块共识，然后才能将包含分片A的块标头的信标链块标头打包到分片B的块中，以达到片上共识。如果分片B的合同要发送答复消息（可能返回值或错误），则整个过程需要颠倒：分片B生成收据，最终将在分片A中生效。

（图片来自以太坊2.0即将到来，你不知道Casper吗？）

以太坊2.0新提案中的分片数量已从1024减少到64，从而降低了操作的复杂性。交叉链接的共识周期已从一个时期减少到一个时隙，以减少交叉碎片事务的等待时间。

在双向通信中，当分片B上的合同是不需要发送回复消息的**情况时，它还需要4个共识周期才能完成，如下面的图1-4所示。用户可以在3个周期结束后确认通信过程已完成，因为用户可以在段A收到段B的可验证信息及其证据之前看到段B已完成对可验证信息的共识。 ETH2.0的周期为12秒，分片A的用户必须等待12 * 3 = 36秒才能看到结果，如果要在分片A上找到结果，则需要等待12 * 4 = 48秒。

2.3.3桥接

桥梁是将以太坊1.0上的ETH迁移到以太坊2.0上。

单向桥接方案中的现有以太坊1.0以太坊持有人可以燃烧其持有的货币，以换取等量的以太坊2.0以太坊，以太坊将被生成并锁定在信标链的保证金中，但不能退还。这种桥接方法将导致验证者的流动性问题，更重要的是，它可能会导致以太坊1.0和以太坊2.0之间的可替代性问题。它是在双向桥之前生成的，交换很可能同时进行。有两个硬币。双向桥接不存在此问题，但是双向桥接是紧密耦合的共识机制。链的两侧引起的攻击和问题将影响链的另一端，协议的制定将非常繁琐。

下图显示了ETHHub上列出的单向桥和双向桥的一些重要优点和缺点。值得注意的是，单向桥接的优点主要体现在技术方面，而缺点则主要中心化在经济方面。换句话说，在单向桥和双向桥之间进行选择实质上是在技术和经济挑战之间进行权衡。

当前有两种可能的双向桥接路径。一种是在以太坊1.0的基础上构建以太坊2.0的轻节点。另一种是在以太坊1.0上运行以太坊2.0的完整节点。

桥接需要考虑每个协议的安全性，因为对实际用户组有很多担忧，并且需要大量协调才能使我们的生产网络硬分叉。团队希望在影响以太坊1.0的安全性和风险状况之前，在生产环境中进行验证。开发团队应在加入验证者的流动性之前进行桥接，但要等到产品的第一阶段稳定后再打开。有许多相关研究正在同时进行，这可能会影响此操作的完成时间。

三以太坊2.0的风险

3.1着陆风险

以太坊2.0很难开发并且需要很长时间。从架构图可以看出，完成以太坊2.0需要进行多项重大技术创新。实现智能合约分片和状态分片本身是非常困难的设计和开发。另外，还需要考虑原始链。过渡和兼容性进一步增加了实施难度。作为一个已经发展了几年的平台，以太坊的代码结构变得非常复杂。底层较难修改。对原始体系结构的修改将影响整个身体，因此需要考虑许多因素。我们看到，尽管以太坊的框架已经确定，但许多细节仍在讨论和修订中。

3.2竞争风险

许多公链致力于解决以太坊当前面临的扩展和性能问题。它们中的大多数都在智能合约层与以太坊代码兼容，这对于开发人员转移到自己的公链上可能是最快和最方便的，因此以太坊的竞争压力非常大。如果以太坊不能很好地改善自己的实例，那肯定会给其他公链提供超越的机会。在高性能的公链轨道上，2014年的Tezos已于2018年在主网上发布，2016年的Coos和Cardano beta也将在2019年发布。以太坊2.0的时间紧迫。

参考资料：

以太坊2.0术语透露，为什么需要信标链

分片技术研究报告| TokenInsight

以太坊2.0的未来蓝图和挑战

以太坊2.0即将到来，你不知道Casper吗？

以太坊分片ETH 2.0指南

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