一文讀懂「真正意義的世界計算機」以太坊 2.0 Serenity_區塊鏈

原文標題：《Serenity將帶來什么？》作者：ColinSchwarz編譯：Jhonny

以太坊網絡是世界上規模最大、應用最廣泛的區塊鏈網絡之一，也是世界上最大的開源項目之一，其Geth(go-ethereum)是Github上最大的項目之一。自2015年啟動以來，以太坊一直在朝著其最終目標邁進，即成為一臺去中心化的全球計算機，有朝一日可以取代我們日常生活中使用的許多中心化應用程序。

然而，在實現這一目標之前，以太坊社區和網絡還有很多工作要做。本文將簡要介紹以太坊到目前為止的進展，然后討論該網絡即將發布的和備受期待的重大變革，即以太坊2.0(Serenity)，這將是以太坊社區實現的最大、最全面的發展。

以太坊發展的四個階段

當以太坊網絡于2015年啟動時，該項目的長期路線圖被設想為四個階段。每個階段都由一組以太坊改進提案(EIPs)界定。這些都是以太坊社區提出和批準的提案。這些提案為各種以太坊客戶端和開發人員創建了需要遵循的指南。例如，以太坊當前處于第三階段的Constantinople(君士坦丁堡)版本，此版本是通過四個EIP創建的，旨在提高以太坊網絡的安全性、隱私性和擴容性。

以太坊的第一階段叫做Frontier(邊疆)。2015年啟動之時，這是該網絡的第一個實時版本。Frontier允許用戶和開發人員進行ETH挖礦，搭建Dapp(去中心化應用程序)和工具等，以太坊的挖礦獎勵(即礦工每挖出一個新區塊獲得的獎勵)被設定為5ETH。

以太坊發展的第二階段是Homestead(家園)。Homestead于2016年3月發布，是以太坊網絡的第一個產品版本。它對協議進行了許多改進，這些改進為未來升級和提高交易速度奠定了基礎。

以太坊發展的第三個階段，也是目前的階段，被稱為Metropolis(大都會)。Metropolis分為兩個版本，即Byzantium(拜占庭)和Constantinople(君士坦丁堡)。Byzantium版本于2017年10月發布，比之前的版本更輕、更快、更安全。一些具體的升級包括更加可預測的Gas價格和更簡便的開發者編程。Byzantium版本還允許以太坊開發人員對zk-SNARKs(零知識簡潔非交互式知識證明)執行有效的鏈上驗證，從而提高了隱私性。

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乍一看，zk-SNARKs似乎很復雜，但系統使用了一個相對簡單的概念，即零知識證明。零知識證明指的是證明者能夠在不向驗證者提供任何有用的信息的情況下，使驗證者相信某個論斷是正確的。比如，我可以向朋友證明我知道自己手機的密碼，并無需將密碼告訴他。

Byzantium版本也對「挖礦難度」進行了調整，從而使以太坊網絡挖礦會隨著時間的推移而更加困難，這主要是為了使網絡在未來將按照預期過渡到PoS機制(下文將深入討論這一點)。

Constantinople版本旨在進一步對以太坊網絡進行改進。盡管Constantinople版本最初設定的發布日期是2018年11月，但以太坊的開發者們決定將發布日期延遲至2019年。此次分叉升級最終在2019年2月28日當網絡高度到達7,280,000時發布，主要是將以太坊網絡的挖礦降低由3ETH降為2ETH，并將挖礦「難度炸彈(DifficultyBomb)」延遲了12個月。

以太坊的第四階段，也是暫時的最后階段，是被稱為「以太坊2.0」或「Serenity」的階段。這是迄今為止最雄心勃勃的一次升級，預計將改善以太坊網絡的幾乎所有方面。以太坊2.0計劃在2019年至2021年間分四個階段發布，不過這個時間表可能會有所變化。為了充分理解以太坊2.0的重要性，我們首先需要研究當前以太坊網絡所面臨的主要問題，即以太坊2.0試圖努力解決的問題。

當前以太坊網絡面臨的問題

當前以太坊網絡面臨的一個最重要的問題是擴容性(scalability)。以太坊網絡支持數百個去中心化應用程序，每秒需要處理大量交易。增加更多的節點并不會增加網絡的擴容性，因為每個節點都需要驗證每筆交易。隨著以太坊網絡的使用不斷增加(包括創建了更多的Dapp和執行更多的交易)，這導致交易的時間和成本不斷增加，進而使得以太坊網絡速度變慢，使用起來也不那么方便。

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在最近的一次速度測試中，以太坊網絡每秒只能處理約20筆交易(各種來源的數據表明，在過去一年，每秒處理約12至45筆交易)。相比之下，PayPal、Visa等中心化網絡每秒通常能完成193筆交易和1,667筆交易，Visa的最大容量接近2.4萬筆。

為了實現以太坊網絡大規模應用，大規模地提升網絡的擴容性是以太坊2.0開發的核心。在研究了其他幾個選項之后，以太坊團隊確定了一個稱為sharding(分片)的方式作為提升以太坊網絡擴容性的最佳解決方案。諸如Plasma鏈和statechannels(狀態通道)等鏈下解決方案也可能用于減輕以太坊主鏈的負載，并進一步提高擴容性。

以太坊2.0將解決的另一個主要問題是效率和環境可持續性。就像比特幣和許多其他區塊鏈網絡一樣，當前的以太坊網絡依賴于PoW(工作量證明)協議來確保其網絡的安全性。

PoW系統涉及到許多通過計算機硬件連接至區塊鏈網絡的礦工。礦工們將他們的硬件投入到網絡中以獲取回報。算法為每個新區塊設置一個目標值，礦工們競相通過自己的硬件設備使自己成為第一個計算出目標值并添加新區塊的人。為此，他們需要通過一個哈希函數來運行被提議區塊的區塊頭數據和一個隨機的「nonce值」，該哈希函數將返回一串固定長度的雜亂數字。如果這串數字與目標值不符，則更改nonce值并重新運行哈希函數。

礦工們會一直重新運行哈希函數，直到其中一個礦工生成的哈希值與目標值相符。此時，新的區塊將被廣播至網絡中的所有節點，該新區塊將被驗證并添加至區塊鏈賬本中，而成功挖出該有效新區塊的礦工將獲得一定的獎勵作為報酬。

PoW系統的一個主要好處就是，驗證某個新區塊是否屬于該區塊鏈網絡是非常快速且相對簡單的。但是，為了確保網絡的安全并阻止欺詐，對于礦工來說，找到正確的哈希輸入是需要投入高昂的計算成本的。由于只有一個礦工會找到正確的哈希，因此實際上其他所有礦工投入的計算工作都是浪費了。其結果是，PoW共識需要投入大量的計算能力和電力成本，且效率很低。

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在撰寫本文時，以太坊網絡上的每筆交易大約使用消耗29Kwh(千瓦小時)電量，足夠一個美國普通家庭24小時的供電！整個以太坊網絡中的礦工每年消耗的電力可以為652,669個美國家庭提供電力。每年以太坊挖礦所消耗的能源大約與玻利瓦爾整個國家差不多。這顯然是一個很大的問題。以太坊的PoW協議所需要的大量能源消耗降低了挖礦的盈利性，并對環境和系統的長期可持續性產生了嚴重的負面影響。

PoW協議非常重要，因為它們支撐了早期創建的區塊鏈網絡，但是這些區塊鏈網絡的效率非常低，也容易受到挖礦壟斷的影響，因為這種機制地賦予了擁有更多計算資源的參與者不公平的優勢。有錢有勢的個人和組織能夠負擔得起數量更多、速度更快、功能更強大的計算機硬件，這使他們有更大的機會成功地解決每一個加密難題并獲得獎勵。例如，大約65%的比特幣挖礦是由5家挖礦集團完成的，理論上他們可以聯合起來控制超過50%的算力市場。比特幣礦工使用昂貴的ASIC(專用集成電路)礦機，這導致了比特幣挖礦的工業化和部分集中化。

由于以太坊挖礦通常使用普通家庭電腦就配備的GPU(圖形處理器)就可以進行，因此以太坊挖礦的集中化風險并沒有比特幣那么高。然而，ASIC最近發布了針對以太坊的協議，而且由于ETH挖礦目前所依賴的PoW協議，因此以太坊挖礦仍然存在壟斷和集中化的風險。這就造成了比特幣、以太坊和其他區塊鏈網絡不像最初設想的那樣去中心化，從而危及這些區塊鏈網絡的獨立性和實用性。

以太坊2.0旨在將網絡從PoW協議過渡到一種稱為Casper的PoS協議，該協議旨在解決以太坊網絡的效率和可持續性問題。這一轉變將變得越來越重要，因為2017年的拜占庭升級在當前的以太坊網絡中引入了挖礦難度炸彈，該難度炸彈將使得以太坊挖礦變得越來越難，知道最后無礦可挖。這一策略是為了實現將以太坊網絡從PoW過渡到PoS而引入的，也是為何此次更新對于以太坊社區來說如此重要。

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以太坊2.0將解決的最后一個主要問題是速度和可用性。這與sharding(分片)將解決的擴容性問題具有相關性，但并非完全一樣。分片的引入能夠消除交易速度和吞吐量的最大瓶頸--擴容性，但是以太坊虛擬機(EVM)本身也對網絡的速度和可用性造成影響。

EVM本質上是以太坊的底層結構，它執行代碼并使網絡正確地運行。EVM負責以太坊網絡的內部狀態及其所有計算；EVM還確保了以下信息的準確性：賬戶信息(如賬戶余額)、當前的gas價格、地址和區塊信息。此外，EVM必須跟蹤以下組件：區塊信息、存儲狀態、賬戶狀態和運行時間環境信息。同時，EVM也處理所有的以太坊智能合約，這些智能合約以Solidity/Vyper編寫并編譯成唯一的EVM字節碼，之后這些合約由當前以太坊網絡中的每個節點執行。

由于EVM負責以太坊網絡的許多重要方面，因此EVM在執行任務時的速度將對網絡本身的整體速度和可用性造成很大的影響。以太坊2.0的解決方案就是使用全新的以太坊虛擬機eWASM(即Ethereumwasm)。我們知道，Wasm是一個W3C社區團隊開放標準指令集，當前正由來自谷歌、Mozilla、微軟和蘋果的工程師們進行開發。除了提高速度和吞吐量，eWASM還將提高以太坊網絡的安全性和可用性，并帶來其他一些好處。我將在接下來的幾周內發布一篇文章，探索eWASM的細節，請繼續關注!

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以太坊2.0的其他目標

我們現在知道，以太坊2.0的設計是為了解決當前以太坊面臨的主要問題。然而，創新并不止步于此。正在搭建中的Serenity還將實現幾個更普遍的設計目標。

由于Casper和sharding(分片)的引入將產生許多全新的、復雜的體制，因此以太坊2.0的主要設計目標之一是盡可能地降低網絡的復雜性，即使這會導致一些效率方面的損失。

另一個主要的設計目標是使用密碼學和設計技術，從而允許大量的驗證者參與進來，不管是網絡中的所有驗證者數量還是參與每筆交易的驗證者數量。

第三個設計目標是創建一個運行標準的筆記本電腦就可以對單個分片進行處理和驗證的系統。

后兩個目標都是為了確保以太坊網絡的安全性和去中心化。為什么這么說？

單純的Layer1擴展可能會付出巨大的安全性代價，因為對區塊鏈進行分片會使得無法對交易進行全局性驗證(即網絡中的所有礦工(除了惡意攻擊者之外)都會致力于對所有交易進行確認，所有礦工的算力保證了整條鏈的安全。而分片則意味著某條分片鏈中的交易只由整個網絡中的一部分驗證者進行驗證(因為整個網絡中的驗證者會被分配到各個分片鏈中負責交易驗證)，如此一來，單條分片鏈的安全性就比整條鏈的更低)；當前的比特幣和以太坊就能夠對交易進行全局性驗證，從而保證了整個網絡的安全。

關鍵的問題是：我們如何在不犧牲去中心化和安全性的同時獲取擴展性呢？以太坊的很多競爭性區塊鏈平臺(如EOS)選擇走中心化的路線來解決這一問題。而以太坊選擇了一種不同的方式，即將網絡的狀態劃分到1024條并行運行的分片鏈之中，每條分片鏈都由統一由一條稱為信標鏈(beaconchain)的根鏈進行協調。

信標鏈運行完全的CasperPoS機制，整個體統中不存在EOS那樣的代理或中心化的投票權。在這種方式中，每個節點只需要負責處理整個網絡中所有交易的一部分，且很多區塊可以并行處理交易，這就線性增長了整個網絡的吞吐量。

以太坊2.0規范試圖回答以下問題：

如果沒有對交易進行全局性驗證，那網絡的安全性將會受到什么影響呢？應該如何選擇驗證的參與者同時阻止驗證壟斷的出現呢？應該如何設計激勵措施，以最大限度地提高數據可用性和參與的積極性?

在經過多年的研究、探索和理解需要做出的權衡之后，以太坊探索著將PoS作為其共識算法的選擇。出于文本中討論的原因，驗證者是一定能夠獲得獎勵的，同時驗證實體(個人或企業)在CasperPoS協議中享有平等的待遇，在參與到驗證者委員會并獲得獎勵/處罰方面有著均等的概率。

交易的全局性驗證轉變成了間接性驗證：每條分片鏈中的每筆交易都將首先由該分片中的驗證者進行驗證，該分片的驗證者會將檢查點(checkpoints)提交至信標鏈中，信標鏈在以太坊2.0中扮演著各分片鏈的「協調者」角色。

除了解決特定的問題和更廣泛的擔憂，Serenity還有兩個長期的設計目標，這兩個目標是針對未來可能出現的潛在問題而制定的。第一個目標就是設計出這樣一個網絡，當大多數或者很大一部分節點同時離線時，網絡依舊能夠保持運行。

在參加2018年的Devcon4會議期間，以太坊2.0研究者JustinDrake闡釋了以太坊2.0團隊如何希望以太坊2.0網絡能夠在「第三次世界大戰」中幸存下來，或者當面臨超過80%的節點同時離線時幸存下來。這個目標在其他不那么極端的情況下也很重要。比如，一場或多場與氣候變化有關的重大災害可能在數小時內摧毀大部分節點，或者像中國或美國這樣的大國可能決定禁止以太坊和其他區塊鏈網絡，并試圖消除處于其國家的節點。

以太坊2.0預計的另一個目標是應對量子計算的出現。目前，美國、中國以及其他主要國家和公司之間正在進行一場技術競賽，希望成為第一個發明生產量子計算機的國家。現在的問題是量子計算機是否會出現，而是何時會出現。無論量子計算機什么時候出現，它們的能力都將是對當前最為先進的傳統計算機的指數級增長。這將使大多數現有的網絡安全(包括加密技術和區塊鏈技術的安全性)變得相對沒有防御能力，容易遭受黑客攻擊。

因此，對于未來的區塊鏈網絡來說，盡一切可能(在傳統二進制計算的限制范圍內)來抵御量子計算機是非常重要的。正如以太坊GitHub庫上所述，以太坊2.0的終極設計目標是「選擇的所有組件，要么具備量子計算安全性，要么在可行的時候能夠很輕松的替換為具備量子計算安全性的替代組件。」

Serenity將帶來什么

這一切都非常令人興奮，但是以太坊2.0什么時候才能真正投入使用呢？不幸的是，答案仍然是……我們不知道！然而，在Devcon2018的一次演講中，Vitalik表示Serenity「真的離我們并不遙遠」，并解釋了「以太坊2.0是……一系列不同功能的結合，這些功能我們已經討論了好幾年，研究了好幾年，積極構建了好幾年，最終將成為一個具有凝聚力的整體。」

2019年6月30日，以太坊開發者DannyRyan宣布，以太坊2.0的第一個階段(信標鏈階段)的規范已經凍結，這標著這一版本的規范將為實施人員們朝著信標鏈多客戶端測試網進發，為正在進行的形式化驗證、模糊測試和審計工作等方面提供一個穩定的目標。

在上周舉行的Eth2.0AMA第二期中，以太坊2.0研究者CarlBeekhuizen表示在2020年1月3日推出階段0(信標鏈)是目標日期，并非信標鏈的正式發布日期，但「現在看起來一切都將按時完成。」更多信息請參與Unitimes此前發布的文章：《Eth2.0AMA第二期|Vitalik：以太坊2.0已沒有未解決的研究挑戰》

我們知道，Serenity是獨立于當前的以太坊主鏈而正在被開發，其一開始將與當前的以太坊主鏈并行運行。在未來，當前的以太坊舊鏈將被整合到以太坊2.0新鏈之中。我們還知道，以太坊2.0將分四個階段陸續推出。階段0將推出信標鏈PoS網絡，此階段尚不能支持智能合約或Dapp開發，但將為接下來幾個階段打下基礎。

階段1將引入基本的分片結構，網絡數據將被分割到各個分片中，但網絡狀態將繼續存儲在當前的以太坊舊鏈之中。階段2將實現完全的分片，此階段將實現狀態執行和智能合約功能。此時，以太坊2.0將具備上文中討論的所有主要特性。階段3及以后將包括迭代、改進和其他技術。有關以太坊2.0各階段的具體信息，請參閱Unitimes此前發布的文章《ETH2.0:以太坊的未來之路》

當這些階段都實現了，以太坊2.0預計將具備以下特性：成為完全分片的區塊鏈、運行PoS共識機制、更快的同步確認時間(約8-16秒)和「經濟上的確定性(economicfinality)」時間(約10-20分鐘)。Vitalik將Serenity視為「真正意義上的世界計算機」。

特別感謝AidanHyman、GregMarkou和CaymanNava審閱本文并提出許多有價值的建議。感謝MichaelKarnjanaprakorn,DarrenLangley,WilliamSuberg,BisadeAsolo,JustinDrake，當然還有VitalikButerin。還要感謝Digiconomist和Cryptofacts的編輯和內容創建者。

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