觀點：以太坊2.0技術分享_區塊鏈

1月11號20：00，BlockManiaAMA直播第41期暨BlockMania「201技術AMA」第3期繼續進行，本期主題為「以太坊2.0技術分享」，本期活動由著名技術社區Comunion主辦，BlockMania協辦，分享嘉賓為《深入了解以太坊》作者、星鏈科技技術負責人王欣。以下為本次AMA整理回顧01以太坊的發展之路

這是一張2019年的以太坊路線圖，我們看到從2013年底，以太坊創始人VitalikButerin發布了以太坊初版白皮書，啟動了項目，到現在已經不知不覺走過了6個年頭。

2014年7月24日起，以太坊進行了為期42天的以太幣預售。到9月份，以太坊通過預售一共募集到31,531個比特幣，根據當時的比特幣價格，以太坊成功募集到了超過1800萬美元，根據CoinTelegraph的報道，以太坊「作為最成功的眾籌項目之一，將會被載入史冊」。到了2015年7月30日，以太坊Frontier網絡發布。開發者們開始在Frontier網絡上開發去中心化應用，礦工開始加入網絡進行挖礦。礦工自身通過挖礦得到代幣獎勵，另一方面也提升了整網的算力，降低被黑客攻擊的風險。Frontier是以太坊發展過程中的第一個里程碑，它雖然在開發者心目中的定位是beta版本，但在穩定性和性能方面的表現遠遠超出了任何人的期望，從而吸引更多的開發者加入構建以太坊生態的行列。2016年3月14日，以太坊平臺的第二個主要版本Homestead對外發布，同時也是以太坊發布的第一個正式版本。2017年9月18日，以太坊開發團隊開始測試「大都會」版本的第一階段：拜占庭分叉。2017年10月16日，主網在4,370,000區塊高度成功完成拜占庭分叉。此次硬分叉將為智能合約的開發者提供靈活的參數；同時，為后期大都會升級引入zkSnarks零知識證明等技術做了準備；延遲引爆難度炸彈，將冰河期推遲1年；挖礦難度顯著降低，因此以太坊平臺的交易速度會明顯提高，對應的礦工們挖礦的收益從每區塊5個以太幣降低到3個。2019年6月，「君士坦丁堡」硬分叉在7080000區塊高度完成，升級中包括五項改進方案：1）為數據存儲的變更引入更公平的定價方法；2）使智能合約開發商受益；3）更良好的促進基于狀態通道和鏈下交易的特定可擴展性解決方案；4）隨著更多事物被轉移到第二層；5）將塊采礦獎勵從3ETH減少到2ETH，以及延遲以太坊的難度炸彈12個月。就在上個月，以太坊正式完成了「伊斯坦布爾」分叉，包含六個以太坊改進提案，解決的主要問題是：拒絕服務攻擊彈性，降低Gas成本，增加基于zcash的Equihash工作量證明。我們看到以太坊作為區塊鏈2.0技術的代表，不斷發展，不斷創新，成為了業界數一數二的明星項目。

觀點：FTX崩盤或引發機構投資者放棄加密領域投資:金色財經報道，越來越多機構投資者正在對FTX崩盤感到不滿，富達國際（Fidelity International）首席投資策略師Salman Ahmed表示，FTX崩盤引發了大型機構投資者對加密生態系統可行性的質疑，過去投資加密貨幣就很困難，但現在承受的壓力將會更大。

Salman Ahmed透露，富達國際在今年二月推出了針對歐洲專業投資者的比特幣交易所交易產品，現在已虧損約55%。Pinebridge Investments多資產投資組合經理Hani Redha也表示，加密貨幣很可能不會在機構資產配置中找到歸宿，曾經有一段時間，每個投資者都覺得在戰略資產配置中都應該擁有加密貨幣，但現在已完全不在討論之列。（Economic Times）[2022/11/13 12:59:15]

這張圖可以看到，以太坊的項目資產規模穩居第2的位置，遠遠超過其他加密貨幣項目。這與以太坊技術的高度有著非常密切的關系。以太坊背后的開發者也是非常具有極客精神的一群人。02以太坊核心技術

回到技術層面，我們可以看到以太坊的技術架構也是一種分層架構。從上到下，依次是應用層，合約層，協議層。協議層包含了EVM虛擬機，區塊管理，KV數據庫，共識算法，P2P網絡等基本組件。其中智能合約是以太坊最最核心的技術，它的實現基于以太坊內部的EVM虛擬機，智能合約可以完成任何代碼邏輯，從而支持多樣化的商業流程，以太坊中使用solidity語言編寫智能合約。智能合約構建了以太坊豐富的DApp生態，讓區塊鏈更加落地，更加能與各行各業相結合，更加方便與物聯網、大數據、人工智能、云計算這些技術相結合。這也是以太坊區別于比特幣即區塊鏈1.0系統的最大魅力所在。03企業以太坊

觀點：巨鯨結束HODLING模式，比特幣或到近期高點:鏈上數據分析公司CryptoQuant首席執行官Ki-Young Ju表示，數據顯示巨鯨正在結束HODLING模式，比特幣或到近期高點。Ki-Young Ju進一步表示，從四個數據上可以看到短期頂部的跡象。1. 交易所流入指標曾升至2.5 BTC，為3月20日以來的8個月高點；2. 交易所流入指標顯示巨鯨不再將其比特幣轉出交易所；3. 礦工頭寸指數（MPI）顯示礦工正在大量出售比特幣；4. 所有交易所的比特幣儲備均不再下降。其認為，比特幣2萬美元的價格戰將是巨鯨和散戶投資者的對決，比特幣短期或出現回調，預計將在今年年底突破2萬美元。[2020/12/3 23:01:42]

大家知道以太坊是一個公鏈項目，那么和我們的日常生活，還有我們開發者有什么關系呢？我們怎樣利用好以太坊這個技術資源，用到自己的項目上，或者做一些傳統行業的創新？這一直是困擾行業從業者最大的問題。目前可能最成功的應用還是圍繞著數字資產的金融生態，比如交易所。但是在資產交易之外，人們的探索也一直沒有停止。早在2017年，以摩根大通、芝加哥交易所集團、紐約梅隆銀行、湯森路透、微軟、英特爾、埃森哲等20多家全球頂尖金融機構和科技公司成立的企業以太坊聯盟。

這是企業以太坊的協議棧，我們看到比以太坊公鏈多了不少內容，它也更偏向一種企業架構，更加符合聯盟鏈的定義，在隱私保護、跨鏈通信、共識算法方面做了改進和優化。04技術改進方向

我本人也是2017年和企業以太坊EEA有過一些交流，參加過他們組織的電話討論會議。但是由于聯盟是一個松散的組織，缺少明確的發展目標和合作機制，直到今天也沒有什么實質性的進展。用他們自己的話說，就是組織內有太多的politics。其實這個聯盟還是以摩根大通的貢獻為主，他們推出了Quorum技術框架，就是以太坊在企業應用的比較好的原型。螞蟻區塊鏈的BaaS平臺，微軟云都是支持Quorum框架的。那么，現在區塊鏈的技術也遇到了瓶頸，也就是以太坊2.0概念被提出的原因。主要的優化集中在三個方向：性能、隱私和手續費。05以太坊2.0

觀點：OCC擬議的支付特許狀將讓更多美國企業參與競爭，并提供更好的產品和服務:針對美國貨幣監理署（OCC）計劃推出支付特許狀一事，Coinbase全球業務發展和穩定幣高級顧問Amy Lou對Brooks表示，“聯邦支付特許狀有可能使競爭環境民主化，促進創新，讓最需要的人能夠獲得金融服務，同時仍確保對消費者進行嚴格監管和保護。”

Lou進一步指出，國家級別支付特許狀有可能讓更多美國企業參與競爭，并最終為市場帶來更好的產品和服務。“任何必須處理各州資金傳輸許可證的人都知道，正確處理各種零散需求是多么困難，特別是在虛擬貨幣等新技術方面。通常，只有最大參與者才能獲得進行這種深入分析所需的資源，即便如此也無法確定他們是否做對了。”

據此前報道，OCC代理署長、Coinbase前首席法律官Brian Brooks接受采訪時表示，OCC計劃最快在今年秋季推出“支付特許狀1.0（Payments Charter 1.0）”。1.0版本將是“美國各州貨幣傳輸許可證的國家版本”，為非銀行支付提供商提供“具有優先權的國家平臺”，但不能訪問美聯儲的支付系統。在1.0版下運行大約18個月后，該機構將推出2.0版本，他預計這個版本將包括對美聯儲支付系統的直接訪問功能。（福布斯）[2020/6/27]

ETH2.0將分三個階段實現：階段0信標鏈，涉及核心部分、網絡、簽名方案和隨機性。它在PrysmLabs創建的Sapphire測試網上運行。如果你有GoerliETH，則可以加入該測試網，質押gETH。階段1是面向64條獨立運行分片鏈的協議實現。每個分片都可以運行網絡的一種狀態。例如，你可以將Maker放在一個分片上，將其他DeFi應用放在另一個分片上，將Eth1鏈放在另一個分片上，將CryptoKitties放在另一個分片上，依此類推……階段2支持執行引擎，實現整個空間的交易和帳戶模型。執行引擎使系統的復雜度最小。不知道是否還會推出更多的后續階段。盡管研究人員希望看到更多的Eth2.0分片鏈開發規劃，但這一切仍處于發展的早期。

觀點：比特幣巨鯨往往在交易所安靜的時候大量拋售BTC:分析人士指出，比特幣巨鯨們往往在交易所安靜的時候大量拋售BTC，以吸引眼球。CryptoQuant首席執行官Ki Young Ju表示，比特幣網絡的交易使用量和價格之間的長期相關性很大程度上反映了鯨魚的行為。資金流動比率(fund flow ratio)這一指標顯示了比特幣在鏈上的交易量。3月13日，BTC迅速跌至3600美元的低點，所有交易所的存取款網絡使用率達到24%，從那以后，價格上漲但該比率卻下降了。這意味著鯨魚在以低價隱蔽地積累，當交易所平靜時，巨鯨會出售BTC，并通過價格暴跌吸引其他投資者的關注。（Cointelegraph）[2020/6/17]

這個是以太坊2.0的分層框架，主要變化是增加了BeaconChain和ShardChain。Shard翻譯為分片，類似于分布式操作系統，不同分片內的交易可以并行處理。經過一段時間的開放討論，以太坊的2.0技術也逐漸開始收斂：分片數量從之前的1024減少到64，分片區塊大小從kB增加到kB。分片總容量為1.3-2.7MB/s，具體值取決于時隙。如果需要的話，分片數量和區塊大小可隨時間的推移而增加，比方說10年后最終達到1024個分片，以及1MB區塊。在L1和L2層實施了諸多簡化方案：1）所需的分片鏈邏輯更少；2）因為「原生的」跨分片通信可以在1個時隙內完成，所以無需通過Layer-2為跨分片通信加速；3）無需通過去中心化交易所來促進跨分片交易費手續的支付；4）執行環境能夠進一步簡化；5）無需再混合序列化和哈希。當然，這也引入了一些問題：1）信標鏈的開銷更大；2）分片區塊產生時間更長；3）對「突增性」帶寬需求更高，但對「平均」帶寬的需求更低。TPS一直是區塊鏈被關注的重要瓶頸，我們知道比特幣和以太坊都采用了PoW共識算法，TPS也就10左右。最近以太坊2.0研究中引入了zk-rollup技術，它理論上可以將交易提高到3000TPS。接近中心化系統的性能，大家知道，Visa網絡目前平均TPS為2000。

聲音 | 學者觀點：比特幣交易費的設計能會威脅其長期生存能力:根據康奈爾大學研究人員的一項研究，比特幣交易費——先于他人將某些記錄添加到區塊鏈的金融獎勵——可以保持比特幣的功能，但可能會威脅其長期生存能力，并造成能源浪費。 金融學教授兼經濟學教授Maureen O”Hara表示：“交易費不是原來系統的一部分——它們只是進化而來的。一個由計算機科學家設計的用于安全問題的系統可能并不適合在市場上交易，所以發展收費實際上是一件好事。但它也帶來了各種各樣的問題。比特幣面臨的最大挑戰之一是，它的費用太高，不能用作簡單的交易賬戶，而且耗時太長。在任何給定的時間內，比特幣交易的數量都比Visa卡少幾個數量級。”[2019/11/1]

這是使用zk-rollup技術的以太坊理論性能對比每個批次包含2048筆交易和一個zk證明。但是，由于實施了EIP1108和EIP2028這兩個提案，交易和證明的gas成本現在都發生了變化：每筆交易為8.125字節。當前每筆交易只需耗費16個gas/字節，因此每筆交易gas花費為8.125*16=130gas。由于每批次有2048筆交易，因此每批次的交易成本為130*2048=266,240gas。如果將15個批次插入以太坊區塊，由于每個批次可容納2048筆交易，這意味著我們可以讓每個區塊打包15*2048=30,720筆交易。30,720個交易/15秒=每秒2048筆交易。當然以上知識理論推導，還存在一些實際問題需要解決：每個zkRollup批次都需要簡短的加密證明，以證明該批次中交易的完整性。事實證明，生成此證明的計算費用十分昂貴。這才是達到理論吞吐量限制的主要瓶頸。目前使用一個CPU和三個GPU，需要幾分鐘時間才能生成一個這樣的證明。盡管通過并行計算可以顯著改善性能，但是將證明生成時間從幾分鐘減少到幾秒鐘，同時保持合理的成本，仍然是一個重要的挑戰。最后，再講一下零知識證明，它被用于保護區塊鏈上的數據隱私，非常適合用于醫療行業的電子病歷場景。

理解零知識證明，大家可以回顧一下阿里巴巴和四十大盜的故事：當強盜向阿里巴巴拷問打開山洞石門的咒語時，他對強盜說：「你們在離開我一箭遠的地方，用弓箭指著我，當你們舉起右手我就念咒語打開石門，舉起左手我就念咒語關上石門，如果我做不到或逃跑，你們就用弓箭射死我。」阿里巴巴證明了他知道咒語，同時也沒有泄漏咒語的具體內容。zk-SNARKs,Zk-STARKs和BulletProofs是零知識證明用于區塊鏈隱私技術的3種主要技術。對比來看：1、Bulletproofs和Zk-STARKs不需要可信設置，zk-SNARKs則需要可信設置；zk-STARKs：通過證明者與驗證者之間的交互來執行，以一種有效的數學方法，使得驗證者通過驗證每一個步驟，最終確信證明者確實知道某個信息或者擁有某種權益。其特點是：證明快、驗證快，但證明體積大SNARK指無需雙方交互，證明人單方出具即可，不需要反復在雙方之間傳遞信息。其特點是：證明慢、驗證快，證明體積小。2、證明速度對比：Zk-STARKs>zk-SNARKs>Bulletproofs3、文件大小：zk-SNARKs<Bulletproofs<Zk-STARKs簡單一句話：Zk-STARKs太大，bulletproofs太慢，優點是不用預裝，zk-SNARKs最優。

目前已經有相當成熟的第三方庫，可以用于零知識證明的開發和研究。

這一領域也是學術界研究的熱點，最近幾個月宣布了很多zk-SNARK構造相關的新突破。新的發現是臭名昭著的「可信設置」目前來看是多余的，意味著可以使用通用計算。然而，很難找到關于這些新構造的可以理解的信息。新的零知識證明構造解決了設置過程的限制，這意味著像智能合約這樣的任意代碼都可以作為zk-SNARKs運行。通常有兩種做法：透明設置：設置過程創建一個參考字符串，是公共的，但是并不會產生有廢料。這類似于zk-STARK工作方式。Fractal、Halo和SuperSonic-CG都使用了透明設置方式。這種方法的缺點是證明大小通常很大。Factal和zk-STARK證明可能高達250kB大小，這對于區塊鏈應用來說是不切實際的。Fractal團隊告訴我，他們正在努力縮小證明的大小。Halo和SuperSonic具有10kB甚至更小的證明尺寸。通用設置：設置過程創建結構化字符串，會產生有廢料，但創建不再局限于單一電路。相反，一個參考字符串可以與無限數量的任意電路一起使用。例如Marlin、SuperSonic-RSA和Plonk。儀式結束后，可以更新這三個構造的參考字符串以提高安全性：如果當前的有廢料泄漏，則只需更新建立過程來再次保護系統。。

表中是一些zksnark算法的性能對比。在證明方方面，為每一個zk-SNARK構造創建證明需要O(nlogn)的時間。差異主要是證明的大小、驗證時間和參考字符串的大小。綜上所述，我們主要考察了以太坊2.0的三個技術點：sharding，zkrollup和zksnark。涉及到比較多的理論知識和算法，需要花點時間才能理解。不過重點還是建議放在這些算法有什么用途，以及如何使用上面。Q&AQ1：以太坊完成了分叉，那么會對后續產生什么主要影響嗎？答：以太坊的分叉，就是一種軟件升級。以太坊的升級方向，就是以太坊社區希望發展的方向，所以隨著一次次升級，網絡會更加安全，更加高效，也更加符合社區治理的思想。這個我們平時軟件開發的快速迭代是一個道理。唯一不同的是，以太坊是一個承載了千億資產的金融系統，每次升級資產的安全性和服務的連續性沒有收到絲毫的影響。這也是這個項目值得關注的原因。Q2：方便簡單介紹一下solidity語言嗎？答：solidity是一種語法非常類似javascript的以太坊特有的腳本語言。它有高級語言的大多數特性，最常用的操作就是對以太坊的賬戶，賬戶中的余額進行操作。solidity非常適合用于實現數字資產，比如ERC20，ERC721，ERC777都是非常常用的數字資產類型。之前非常熱鬧的幣圈項目資產都是圍繞ERC20在做文章，以以太貓為代表的區塊鏈游戲則是利用了ERC721標準。Q3：區塊鏈平臺的迭代，受到公眾性的影響，不能太快太激進，比如會有分叉的問題，老師覺得這個問題未來能夠解決嗎？在軟件平臺上，通常會出現馬太效應，也就是勝者通吃，現在以太坊位居平臺第一，是否其他平臺就沒有機會了呢？非中心化，也就是DAO的理論，好像是從以太坊開始才滲透的，但實際上權力的集中會帶來效率，這個問題怎么看呢？答：首先，明確一點，區塊鏈項目的成功不僅僅取決于技術。V神發文也提到，社區遠比代碼重要。代碼只是實現社區治理和規則的工具。在解決一些基本問題上，并不會用到很高深的技術。反倒是區塊鏈中的智能合約和通證機制，是組織改進非常核心的內容。區塊鏈平臺的迭代，現在可以說滿足不少的應用場景了。但是以太坊是為全球用戶服務，所以技術難度會更大。我們研究區塊鏈，還是更多放在如何將區塊鏈技術落地，改造一個行業，或者解決一些核心社會問題，比如：醫療、教育等。以太坊的DAO是非常好的思路，去中心化也是相對的，也就是多中心化。PoS的思想就是，干系人關系越大，投票的權重也越大。不是每人都可以投票。Q4：請問王老師,接下來以太坊生態中，對于普通的個人開發者，最大的機會在哪里呢？答：我們面向的未來是一個可編程的社會，有大量的商業規則和邏輯需要轉化為智能合約，人工智能解決了生產力的問題，區塊鏈能夠更加有效和公平地治理這些生產力。咱們開發者了解這些原理，就可以在具體的某個場景中，幫助實現這些邏輯，貢獻社會價值。當然區塊鏈的底層也有很多技術挑戰，但是這更加適合有一定學術研究基礎的同學了。技術參與建議還是放在區塊鏈應用方向，區塊鏈底層不太適合大多數人。比如做區塊鏈的工具就是很好的思路，像imtoken類似的引用。比如：etherscan這類。Q5：DApp方向有什么好的建議嗎？答：廣義上講，我覺得有幾個方向吧，一個是金融類，一個是個人信息類。金融就是數字資產的交易，投資，增值等，因為這個領域也越來越合規了，監管已經進來。個人信息的隱私保護，越來越被看重，個人信用、健康檔案，個人消費畫像，越來越需要恢復主權。Comunion的DAO，這是一個非公司，但超越公司的組織。不同背景，不同角度的思想在一起碰撞，會產生非同一般的效果。DAO的財務和人員管理，都是非常需要DApp這類工具幫助的。

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