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重温ETH的升级之路

矿业新闻 2022-8-9 08:42:28 3712人浏览 0人回复

ETH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ETH1.0,而最后一个阶段Senerity也就是我们经常会听到的ETH2.0(为了避免误导,ETH官方已经弃用了ETH2.0的说法,但我们在本文中将延续这个习惯用法)。

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ETH2.0升级主要是为了解决ETH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,ETH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ETH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。ETH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ETH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ETH的竞争对手,如Solana、Near等公链。

  • 针对这些问题,开发者社区为ETH2.0升级规划了几个步骤。下文将介绍ETH2.0升级的路线图。

ETH2.0路线图

ETH2.0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ETH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,ETH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个以太坊作为权益证明,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。

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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个以太坊中扣除一部分。当质押的以太坊少于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,ETH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以太坊,以保证网络安全运行。

2.合并(Merge)

在说ETH2.0时常常提到的合并(Merge)就是将PoW的主网(ETH称为处理交易的执行层)与PoS的信标链(ETH官方称为共识层)进行合并。ETH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ETH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,ETH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,ETH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ETH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ETH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。

ETH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ETH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ETH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ETH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。

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在新方案中,ETH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:ETH分片旨在提供更多数据blob(二进制大对象)空间以支持Rollup,ETH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。

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由于一个区块可以纳入多个Rollup产生的包裹,未来ETH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。

ETH2.0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。

  • 以太坊产量

ETH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。所以以太坊的发行率将会减少90%。大家把这种情况称为“Triple Halvening”,因为相当于同时发生了3次BTC减半,ETH将经历发行量的瞬间减少,同时由于质押中的以太坊不能流入市场,以太坊将进入通货紧缩的阶段。

  • 以太坊质押

在合并完成之后,会有更多用户选择将自己的以太坊质押,因为可以获得一笔几乎无风险的质押收益。根据测算,质押以太坊的年收益率大概为4%。Kraken在《2022年第一季度质押状况》的报告中预计,在ETH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多万以太坊质押在信标链上,超过ETH总量的10%,一共41万验证者参与了质押。

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由于网络要求最少要质押32个以太坊,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st以太坊的折价说开去-st以太坊的定价、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。

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  • 矿工

ETH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,还是转向以太经典继续挖?作为ETH的分叉链,ETC可以使用ETH的矿机进行挖矿,但是ETC能承载的算力有限,一是因为以太经典价格比较低,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

ETH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,ETH的升级毫无疑问会产生巨大的影响。随着ETH2.0的到来,公链发展也进入一个新的篇章,困扰ETH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。

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