一篇文章告诉你关于以太坊2.0的前世今生，小白也能看的懂

August 1st, 2022

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随着以太坊合并时间点即将到来，关于以太坊2.0的相关话题又变得非常火热，但是有的小伙伴对于但是很多小伙伴对于什么是以太坊2.0以及相关的一些概念，如：POW/POS共识机制、分片、信标链等依然不是很理解。今天我们就一起来学习一下那些跟以太坊2.0有关的概念吧。

在比特币诞生之后，诞生了去中心免信任的区块链技术；而以太坊的出现把区块链和智能合约紧密结合起来，让我们可以在区块链上开发出各种各样的区块链应用程序。如果说比特币是公链之王的话，以太坊对自己的定位就是‘世界计算机’，目前的以太坊生态拥有全球最大的开发者社群，和最大的DAPP应用数量。

但是目前的以太坊的处理速度并不能满足其成为‘世界计算机’的目标：交易速度有限、交易费用高昂、经常发生网络拥堵成为了制约以太坊生态发展的一个瓶颈。为了解决这个问题，让以太坊成为更适合搭建和运行 DApp 的公链平台，从而真正实现成为‘世界计算机’的目标，以太坊在2014年诞生之初，就设定了4个发展阶段：分别是Frontier (前沿2015 年 7 月)、Homestead (家园2016 年 3 月)、Metropolis (大都会2017 年 10 月)、Serenity (宁静)。现在前三个阶段都已经完成，第四个阶段Serenity (宁静)是以太坊的最终形态，也就是我们常说的以太坊2.0，所以以太坊2.0是解决当前以太坊的网络性能瓶颈的既定规划，致力于在不降低去中心化的前提下大幅提升以太坊网络上的扩展性与性能。

以太坊 2.0 有很多改进的地方，主要包括：

（1）共识机制由 PoW 转为 PoS；

（2）引入了信标链，整体架构由单链转为分片多链（Shard Chains）；

关于POW和POS的白话解释

区块链技术其实就是一种去中心化的账本，由很多节点共同来维护账本的安全，而既然有多个节点来参与记账，那么如何让所有节点都达成一致的共识就是决定区块链技术是否安全的一个非常重要的问题。不同的共识机制，其实是基于不同的记账方式和奖励机制而产生的，比如POW和POS。

POW：POW（Proof of Work），工作量证明，引入了对一个特定值的计算工作。就像大家一起来解一道难题，谁先解出来，谁就能获得新区块的记账权，从而获得记账奖励。想要获得奖励，那你就必须比别人算的快，工作量体现在计算速度和次数，你的工作量越大，记录的越快，这样你得到的结果越多，成功的可能性越高。我们给那些争夺记账权的用户一个形象的名字，叫做矿工，拼命计算的过程叫做挖矿，所以在POW机制下，作恶者需要掌握足够多的算力，才能算的比别人快，作恶成本很高。

不过POW机制在保证安全的同时，也意味着巨大的能量消耗，以太坊的工作量证明协议目前的年总耗电量约等于芬兰，碳足迹接近于瑞士。巨大的能耗会对环境造成巨大的影响，所以这也是区块链技术最被人诟病的一个很重要的因素

POS：POS（Proof of Stake），权益证明，试图解决POW机制中大量资源被浪费的情况。这种机制通过计算用户持币数占总币数的百分比，包括持币时间来决定记账权。以太坊的POS机制要求用户抵押他们的ETH，从而成为ETH网络中的合法的验证者，验证者执行与矿工相同的功能：把交易排序、创建新的区块、以便让所有的节点就网络状态达成一致。不同之处在于他们不需要提前购置挖矿设备和支出挖矿的能源消耗，而是将 ETH 作为抵押品以防止不诚实行为。如果验证者行为不端，这个质押的 ETH 可能会被销毁，通过这样的机制来保护网络，而不需要大量的能源消耗。

什么是分片（shard）？

要搞清楚这个问题，我们还是需要从制约以太坊交易速度的问题上来理解，在以太坊2.0计划诞生前，以太坊只有一条公链，区块是一个一个顺序生成的。所以区块生成的速度和每个区块能记录的交易数量，就决定了以太坊每秒能处理的交易数。

要想提高以太坊的性能，一种方法是区块扩容，让每个区块包含更多的数据。但是这会要求存储区块的节点有更大的硬盘和更好的网络带宽。这样会进一步增加挖矿和运行节点的成本，而挖矿和节点成本越高去中心化程度就会越低，也就越不利于网络安全。所以以太坊社区一早就放弃了这种方案。

以太坊想要采取的方案叫做分片链shard chain。简单说就是一条链不够用，就跑多条链。就好像一核CPU跑不动了，就换多核CPU一样的道理。在以太坊2.0中，目前规划是建立64条分片链，每一个分片都有一组验证者负责对区块进行打包和验证。原以太坊的主网（PoW Main Chain）最终也会成为一个分片。试想一下，如果交易数量不变，但是处理交易的链的数量增加了，如同一条公路突然变成了64条的宽度，处理速度必然会大大加快，大家的使用体验也会更流畅。

什么是信标链

虽然分片链的出现会大大提高交易速度，不过也诞生了一个分片之间协调互通的问题，如何保证在分片后所有分片都能协调同步？这就需要有一个中枢系统来全盘控制，信标链（Beacon Chain）扮演的就是这样一个角色，信标链就是整个以太坊2.0网络的“指挥和控制中心”，它会为分片链随机分配验证者，也会作为中枢帮分片们实现跨分片通信，保证整个系统的安全性。

如果大家想要对信标链有更进一步的了解，可以参考《详解以太坊2.0信标链》这篇文章

以太坊Serenity (宁静)阶段的升级步骤

合并以太坊作为拥有最多用户数量和DAPP应用的第一公链，要升级肯定不能一蹴而就，每一步都必须经过充分的验证之后才能上线，否则就会造成巨大的影响。所以以太坊Serenity (宁静)阶段的升级目前来看分为三步，分别是：信标链、合并和分片。

目前信标链已经在2020年12月1日上线，用户已经可以利用以太坊上的智能合约质押ETH参与POS获得奖励。不过信标链虽然已经上线，但它目前的功能只是在实战环境中验证POS等以太坊2的各种基础功能，并没有处理交易和执行智能合约的能力。而且目前质押的ETH和获得的奖励是锁定无法提取出来的。要在以太坊合并之后启用信标链取款后，方可取回质押的本金和收益。

所以目前的以太坊其实是包括了两条独立的区块链，一条是由矿工利用POW共识机制所守护的以太坊主链，目前所有的智能合约其实都运行在这个主链之上；另一条就是信标链，目前已经有大约40多万活跃验证者，有近1300万ETH抵押进入信标链维护共识。以太坊进入一个PoW+PoS混合挖矿的阶段，为整个网络向PoS过渡做铺垫。

大家最近听的比较多的合并（Merge），指的就是以太坊信标链和以太坊主链这两条链的合并。合并之后，现在的以太坊主链会变成64个shard链中的一条，这也标志着POW挖矿正式退出以太坊的舞台，以太坊就会升级成成为一条全新的基于POS机制的区块链。

合并之后，ETH供应链会减少，在POW时代，ETH每天会发行大概12000枚ETH作为支付给矿工的报酬；来到POS时代，ETH的供应量大概会减少90%，每天会产出大概1280枚ETH，这些ETH会作为奖励支付给那些质押了ETH的验证者，这些质押的ETH和获得的收益在以太坊合并后，信标链提现开放后，可以逐步退出。

分片是一种多阶段升级，旨在提高以太坊的可扩展性和容量。分片提供了数据存储需求的安全分布，使汇总更便宜，并使节点更易于操作。它们使第 2 层解决方案能够提供低交易费用，同时利用以太坊的安全性。关于分片的升级计划在主网与信标链合并之后进行。

如何质押ETH成为网络验证者？

以太坊由POW向POS转变后，由于不需要运行高性能的矿机来参与权益证明系统——只需一台家用计算机或智能手机。这降低了质押ETH的门槛，也吸引了更多的人参与到ETH生态中。下面我就给大家介绍一下，参与ETH质押的几种参与方式：

自建节点方案

是指用户自己运行一个节点，在 ETH2.0 上参与负责验证和组织新区块，以获得奖励。要自建节点，需要满足以下条件：最少 32 ETH 以及运维验证节点的技术能力、精力与经验；

其优势在于用户对自建节点有完全的掌控，用户可以独立管理质押的资金并通过持续的运维获取质押收益，而且没有集中托管的中心化风险。

缺点是对资金和专业性要求较高，普通用户难以参与；要承担验证节点的责任，如果失职，不仅得不到质押奖励，而且质押的ETH也有被销毁的可能。

非托管式方案

非托管方案是一种允许用户在参与 Eth2质押的同时保持资产自持的方案类型。相较于自建节点方案，「非托管」方案通过引入第三方节点服务商帮助用户解决运维节点的难题，同时资产控制权和所有权仍由用户自行掌握。

Eth2 质押服务中的每个验证节点都对应两个密钥，一个是验证人密钥，用于验证区块，另一个是取款密钥，用于取回质押的 ETH 本金和收益。非托管方案允许验证人密钥和取款密钥的分别保管。取款密钥由用户自己在去中心化钱包内管理，验证人密钥则由第三方节点服务商导入节点客户端中用于节点验证维护。这也是非托管方案的最大优势：

非托管方案的优点有：资产控制权和所有权由用户所有，服务商无法控制用户本金和收益；质押资金与 Eth2 链上验证节点完全对应，节点状态透明可见，在线率与收益水平可实时跟踪；用户无需操心验证节点的运维服务，节点的运行水平清晰可查，适合对安全性要求较高的大额资产持有者参与 Eth2 并获取稳定的收益。

非托管方案的缺点在于：并不是完全去中心化的质押方式，不允许用户小额参与，门槛较高；且如果第三方服务商维护结点不利时可能受到的离线惩罚与 slashed 惩罚，会造成本金损失。

完全托管式方案

在完全托管式方案中，用户只需将参与质押的 ETH 转移至托管机构，托管机构将 100% 为用户管理、运维以太坊 2.0 验证器节点，并在质押收益上抽取分润。

选择这类方案的用户无需为验证节点运维工作担心，托管机构将处理好一切节点事务。但在质押期间用户不再拥有资产的控制权，由于集中托管资产，一旦其遭遇攻击则用户资产将面临较大风险，同时对于托管机构的验证器在线率是否稳定、收益水平是否合理、是否有被惩罚等细节用户无法知情。甚至于，被托管资产是否被用于质押，用户也不得而知，因此对于完全托管式方案，托管机构的信用、品牌非常重要。

完全托管式方案主要由具备资产托管服务的机构提供，如目前 Binance、Coinbase、Kraken 等中心化交易所，以及部分托管 / 中心化钱包提供的 Eth2 质押服务。这类服务有一个显著的特征，就是支持小额（低于 32 ETH）质押，因为托管机构可以帮助小额质押者凑成 32 ETH 参与 Eth2 质押。

基于托管的质押池方案

相较于完全托管式方案，基于托管的质押池方案不仅支持小额（低于 32 ETH）质押，还可以解决质押金长时间锁仓带来的流动性问题，解决方案是在质押的同时向质押者发放质押池代币作为质押凭证。这类凭证一般在 Eth1（即当前的以太坊网络）上以 ERC20 代币形态存在，由于它代表了用户参与质押的本金与收益，因而其价值近似 Eth1 上的 ETH，且可以在区块链上 / 交易市场上自由流通交易。

基于托管的质押池方案的优势是用户操作简单，无需为验证节点运维工作担心，服务商将处理好一切节点事务，同时资金门槛很低，允许小额（少于 32 ETH）参与且解决了 ETH 长期锁仓的流动性问题。

缺点是本质上依然是一种完全托管资产的方案，资产托管带来的资产安全风险也是必须要考虑的，同时也存在着资产、收益透明度问题和中心化风险。

另外，致力于解决流动性问题的质押池代币也带来了新的问题和风险。例如质押池代币的工作机制各不相同，导致用户理解成本高和存在代币折价问题；质押池代币的出现使 DeFi 的可组合性更进一步的同时，也增加了潜在的风险。

这种服务的最典型代表就是Lido协议，ETH持有者可以将其代币存入 Lido 的智能合约，以 1:1 的比例接收 stETH。stETH 是一种衍生品，它代表了对分配给验证者的质押 ETH 的要求。stETH 是一种变基代币，它可以累积通货膨胀奖励以及交易费用，并且可以像任何其他 ERC-20代币一样使用和交易。

我们现在打开Lido官网会发现它有一个提示，告诉我们在1inch上直接购买stETH可以获得2.5%的折扣，在1inch上1个ETH可以换1.023751个stETH，但是在Lido上质押ETH跟stETH是1：1兑换的。这其实就是因为在二级市场上，stETH 并不与 ETH 严格锚定，stETH 实际上会根据质押 ETH 的需求或流动性进行市场定价，而非简单锚定。市场对于stETH的stETH 与 ETH 之间的折价比率实际上代表了 stETH 持有者对流动性的需求以及对折价购买质押 ETH 衍生品需求之间的关系。stETH与ETH的折价比率越大，说明市场上stETH的持有者对于流动性的需求越大，前一段时间luna的崩盘以及各大资本的崩盘，让curve上的stETH-ETH 一度偏离到77.4%，足以见得市场恐慌情绪对兑换比例造成的影响。