科普 | 以太坊 2.0 的未來藍圖及挑戰_HER

-DannyRyan-

十月底于臺北矽谷會議中心舉行的?Crosslink2019Taiwan，吸引了來自世界各地的區塊鏈愛好者們齊聚一堂。第一天的議程，邀請到了以太坊基金會的核心研究員DannyRyan，會中分享了以太坊2.0目前的研究方向以及遇到的挑戰，演講的內容主要包含了以太坊2.0的架構，新的分片提案，執行環境以及雙向橋接等議題。

一、以太坊2.0的架構

-以太坊2.0架構-

第零階段

在

以太坊1.0中，使用

工作證明作為

共識機制，并借此產生新的區塊。為了要減少工作證明產生新區塊時，所需要的大量算力，以及所花時間過長的問題，以太坊2.0將改為

權益證明作為產生新區塊的共識機制。

第零階段會建立信標鏈，信標鏈就是以太坊2.0系統層級的鏈，當從以太坊1.0移轉到以太坊2.0時，信標鏈扮演著非常重要的角色，它是整個系統的基礎。

一旦第零階段完成，將會有兩個使用中的以太坊鏈。以太坊1.0鏈以及以太坊2.0鏈。在這個階段，使用者在1.0鏈把以太幣鎖到合約里以注冊公鑰，2.0鏈會承認合約內注冊的公鑰。但是，他們無法將該以太幣遷移回去以太坊1.0鏈上面，為了要執行信標鏈，你會需要一個信標鏈的客戶端。目前，許多團隊正在開發這些客戶端。

第一階段

第一階段會加入

分片鏈，在這個階段主要專注于分片鏈的數據結構，以及其有效性和共識性，分片鏈在這階段只當作數據鏈，并不會指定分片鏈狀態執行或帳戶余額。這比較像是對分片結構進行測試，而不是嘗試利用分片來對信標鏈進行擴展。在這階段，信標鏈會把分片鏈的區塊，當作沒有結構或意義的位元集合。以太坊1.0和以太坊2.0仍將同時存在，并且在以太坊2.0鏈上進行測試和遷移。

國務院：推進科普與區塊鏈技術深度融合:為貫徹落實黨中央、國務院關于科普和科學素質建設的重要部署，依據《中華人民共和國科學技術進步法》、《中華人民共和國科學技術普及法》制定《全民科學素質行動規劃綱要（2021－2035年）》，其中要求實施智慧科普建設工程。推進科普與區塊鏈等技術深度融合，強化需求感知、用戶分層、情景應用理念，推動傳播方式、組織動員、運營服務等創新升級，加強“科普中國”建設，強化科普信息落地應用，與智慧教育、智慧城市、智慧社區等深度融合。（新華社）[2021/7/10 0:40:52]

這個階段分片鏈會與信標鏈交聯，每個分片的當前狀態—“結合數據根”，會定期記錄在“信標鏈”區塊中，作為交聯。信標鏈區塊完成后，相應的分片區塊將被視為已完成，其他分片知道它們可以依靠這些區塊進行跨分片交易。

交聯是委員會的一組簽名，證明了分片鏈中的某個區塊，可以包含在信標鏈中。交聯是信標鏈“理解”分片鏈更新狀態的主要方式。交聯還用作異步跨分片通信的基礎結構。

信標鏈在每個時段中的每個分片，隨機選擇分片驗證者，分片驗證者只是用來在每個區塊的內容上達成一致，他們通過交聯證明分片的內容和狀態，分片中包含什么內容都沒有關系，只要所有委員會都達成共識，并定期更新分片上的信標鏈即可。

第二階段

第二階段會將所有功能開始結合在一起，在第二階段，會完成分片化，分片鏈從簡單的數據容器過渡到結構化鏈狀態，并將重新引入智能合約。每個分片將管理基于?

eWASM的虛擬機。它會支援帳戶、合約、狀態，以及Solidity中我們熟悉的其他抽象化，預計在第二階段之前或第二階段開發時，大家熟悉的工具需要轉換成支持eWASM的版本，以太坊1.0及以太坊2.0可借由雙向橋接來互通，會有可擴展的Layer1執行，借由無狀態執行，來提高執行速度。

二、新的分片提案

-新的分片提案-

以太坊2.0原提案所運作的機制，是以每個時期為單位，來進行交聯的動作，每個鏈上有1024個片，當需要跨分鏈交易時，由于是每個時期進行交聯，會有較大的延遲時間；新提案更新為每個時段都進行交聯的動作，并減少片的數量為32個，來降低跨分片交易時的延遲時間，每個時段都進行跨分片交易。

IMF今日發布的加密貨幣科普視頻實為兩年前舊聞，且存在諸多疏漏:國際貨幣基金組織IMF今日在推特上發布了一條關于加密貨幣的科普視頻，這段時長兩分鐘的視頻最初發布于2018年6月。該視頻稱加密貨幣是“貨幣進化的下一步”，但沒有特別提到DLT、區塊鏈，甚至是代幣名稱等術語。BTC、XRP和ETH只出現在說明加密交易的圖形中。盡管這段視頻到目前為止已經獲得了超過13.7萬的點擊量和2900個贊，但來自加密社區的許多反應都是批評的，他們指出了信息中的漏洞和似乎具有誤導性的措辭。

Reddit用戶nanooverbtc稱：“他們犯了很多錯誤，比如把私鑰稱為密碼。”該視頻也沒有討論挖礦或加密貨幣供應。Kraken策略師Pierre Rochard等知名人士表示：“可證明的稀缺性是比特幣有趣的原因，你忘了提這一點。”（Cointelegraph）[2020/8/24]

新提案的優點

對于以太坊2.0新提案的優點，首先新提案的片數量由1024個降至32個，降低了運算的復雜度，因為跨分片時間，從一個epoch降到一個slot，時間縮短的好處，是給DApp開發者及使用者更好的體驗。在原本以太坊2.0的設計中，需要復雜的手續費市場模型與樂觀解決方案，來實現跨分片交易手續費。但新提案改變了執行環境的設計，使得原本的復雜模型可以被大幅簡化。

新提案的交易

新提案只需要比之前的提案更少的

片，就可以啟動交易，可能會有更長的分片時段，更大的

分片區塊，目前更新到第零階段，第零階段測試網的測試，可能會有所延遲，新提案減少了第零階段發布所需的時間。

目前的想法

希望能給開發者及使用者更好的體驗，使用較大的分片區塊，來改進數據可用性，以及要降低開發延遲和第零階段發布所需花費的時間。

三、執行環境

-以太坊1.0簡易架構圖-

在之前設計的以太坊2.0和以太坊1.0中，狀態在共識機制里，扮演著非常重要的角色，共識機制會隨時去讀寫所有的狀態，不管是執行的概念、交易的概念、帳戶的概念、樹狀結構的概念、以及所有在數據結構中的概念，都深深地融入共識中。

人大附中物理老師李永樂科普拜占庭將軍問題和區塊鏈:5月14日，人大附中物理老師、科普視頻網紅李永樂在其公眾號發布視頻《拜占庭將軍問題是什么？區塊鏈如何防范惡意節點？》。李永樂老師在視頻中對拜占庭將軍問題和區塊鏈進行了講解，他表示，拜占庭將軍問題本質上指的是，在分布式計算機網絡中，如果存在故障和惡意節點，是否能夠保持正常節點的網絡一致性問題。在近40年的時間里，人們提出了許多方案解決這一問題，稱為拜占庭容錯法。例如蘭波特自己提出了口頭協議、書面協議法，后來有人提出了實用拜占庭容錯PBFT算法，在2008年，中本聰發明比特幣后，人們又設想了通過區塊鏈的方法解決這一問題。區塊鏈通過算力證明來保持賬本的一致性，也就是必須計算數學題，才能得到記賬的權力，其他人對這個記賬結果進行驗證，如果是對的，就認可你的結果。與拜占庭問題比起來，就增加了叛徒的成本。[2020/5/14]

上圖是以太坊1.0的簡易架構圖，在圖中我們可以看到共識機制及一條鏈，共識機制里包含了狀態及一個執行引擎，狀態里包含了狀態樹，在這里的執行引擎使用硬編碼規則，里面包含了執行交易、帳戶模型和帳戶結構，我們可以看到圖的右邊有一條鏈，鏈上面有交易數據，在以太坊1.0中，我們會在交易數據上執行共識機制，去修改和更新狀態。

執行環境是一個單獨的虛擬機器，在以太坊1.0中，會有一個特定的帳戶模型，以及事先定義好的操作碼，礦工機制和狀態根，以太坊虛擬機就是一種特定的執行環境。

如果遵循?EIP的建議，開發者總是在要求新的操作碼，或著是更改礦工成本來支援他們的應用，像是Plasma和Zkrollup這樣的例子有很多，這樣就會需要修改EVM1.0的執行環境，才能支援到他們的應用程式。

但是在以太坊2.0的第二階段中，我們可以支持多個執行環境。也可以有多個狀態根，不同的帳戶模型等。舉個例子，你可以定義一個臉書幣執行環境，以便在以太坊2.0上運行Libra。或者，您可以定義一個比特幣執行環境，這樣就可以在以太坊2.0上運行比特幣。

人民數字FINTECH推出區塊鏈科普動畫:人民日報數字傳播發布微博稱，人民數字FINTECH出品《趣味科普|區塊鏈動畫》。[2020/3/31]

-以太坊2.0簡易架構圖-

在以太坊2.0簡易架構圖中我們可以看到狀態根，它可能是32Bytes的Blob，上面有WASM的執行碼，可以在使用者層級中去做細部設定。圖片右邊有一個鏈，鏈上有一般的交易數據以及見證，見證實際上顯示在數據庫的區塊中，你需要針對該狀態而不是數據庫執行該筆交易，而且還需要證明數據對于當前狀態根是有效的。舉個例子，如果我們要在帳戶A和帳戶B之間傳遞數值，假設從帳戶A移動5以太幣到帳戶B，我們不能直接說帳戶和余額是確實可用的，在過程中，我們需要加入見證數據，來證明兩個帳戶當前的狀態，當執行碼正在執行交易數據時，狀態根可以修改和更新狀態樹。

執行環境并不是共識機制預先定義好的，他可以在使用者層級上去做新增，我們也可以把以太坊1.0復制一份到以太坊2.0的執行環境中，將現有的狀態根放入EVM直譯器，用默克爾見證驗證器來當作他的執行碼。

在原先的提案中，狀態和共識息息相關，且執行帳戶和共識中包含了狀態樹結構；而在新的提案中，執行環境為無狀態模型，高度抽象化的，并且它的可擴展性，相較原先的提案高出非常多。

執行環境的優點

執行環境有許多優點，相較于舊系統，它也許可以更快地將產品推向市場，因為我們不必等到核心共識推出之后，才研究并發展這個概念，在Layer1會有更少的阻礙，它可以在各種應用上，使用具高擴展性及數據可用性的執行引擎，所以未來會長期使用這個核心基礎層。

執行環境的設計完成，讓以太坊1.0到以太坊2.0的遷移，有了更清楚的方向，使用執行環境比較不會有技術隨時間遷移而過時的問題產生。

執行環境交易

對于執行環境交易，開發者及使用者可能會覺得太抽象，對什么是執行環境感到困惑，像是這一層加了什么？應該在這一層做什么？誰應該寫執行環境？而且相關的開發規范會趨向更嚴格的形式。

虛擬機可能會有潛在的碎片化問題，進而影響到交易速度。

聲音 | 上海股交所總經理：區塊鏈想要大規模發展要做好社會科普工作:金色財經報道，上海股交所總經理張云峰表示，區塊鏈當前還處于一個“概念”的階段，距離成熟應用，影響到百姓的日常生活還有很長的路要走。對于“區塊鏈”和其會帶來的社會和經濟效果，沈陽應當持審慎的態度。區塊鏈想要大規模發展，一方面要做好這項復雜技術的社會科普工作，加快社會大眾對區塊鏈的了解。另一方面，要充分發揮市場的作用，讓企業用實實在在的技術創新，賦能實體經濟的發展。[2019/11/17]

目前的想法

目前所有的研究都是正向發展的，還有充裕的時間，嘗試并更好地了解設計空間，未來會多花一些時間，在建立更好的執行環境通訊機制上面。整體來說，現階段的進度，對于未來是重要的里程碑。

四、雙向橋接

最后一個主題，主要討論開發雙向橋接是否是值得的？團隊可能可以在什么時間點，來去做雙向橋接？

-單向橋接示意圖-

講者先前提過的提案中，以太坊2.0最初有一個單向橋接，所以你可以從以太坊1.0轉換到以太坊2.0，但是最初的架構不允許回傳，這主要是出于幾個原因，這需要我們將以太坊1.0的發展與以太坊1.0和以太坊2.0的硬分叉緊密結合，并把兩個系統置于互相影響的風險之中，因此團隊認為以太坊2.0在發布且穩定之前，將兩邊緊密耦合是不明智的。

單向橋接的問題

月初在日本大阪舉行的Devcon5上，橋接的問題受到了廣泛的討論，原提案的

單向橋接模式，會有驗證者流動性的問題，而且更重要的是，它可能會引發以太坊1.0和以太坊2.0之間的可替代性問題，如果我們允許以太坊2.0上的流動性，那么某種形式的轉移機制，就會在將以太坊1.0分叉到以太坊2.0之前，或著是在雙向橋接之前產生，交易所中很可能會同時有兩個幣，團隊和整個驗證者社區都很擔心這個問題，目前正在找尋減輕這個問題的方法。

另外也希望鼓勵大家，在這些早期階段進行驗證，但是在早期階段進行驗證，肯定會有很高的風險，因為存在未知的鎖定期，因此也希望找到方法減輕這種風險。

雙向橋接

-雙向橋接示意圖-

雙向橋接目前可能的路線有兩條，一種是在以太坊1.0上面，建立以太坊2.0的輕節點；另一種是在以太坊1.0上運作以太坊2.0的全節點。

路線Ａ：在以太坊1.0上，建立以太坊2.0輕節點

-路徑Ａ示意圖-

這個路線需要在實際的EVM中支援?BLS-12–381，會花費很多開發時間，而且它只提供輕量客戶端層級的安全性。當驗證者在2.0鏈上產生提款交易的收據時，我們會拿到以太坊2.0的輕量客戶端證明，一但收收據的區塊在以太坊2.0上敲定了，你就可以在以太坊1.0的合約上提款。不過，這可能不是團隊最終選擇的路線。

路線Ｂ：在以太坊1.0上，運行以太坊2.0的全節點

-路徑Ｂ示意圖-

第二種路線，會在以太坊1.0的節點上，運行以太坊2.0的全節點，這個路線允許我們使用敲定性機制，因此，我們不僅可以使用這種機制，來促進以太坊1.0和以太坊2.0之間的轉移，我們也可以利用驗證者的安全性，來保護以太坊1.0鏈，我認為大家對此感到非常興奮，這通常被稱為“敲定性小工具提案”。

但是還是需要一種機制，去輸出以太坊2.0狀態根在以太坊1.0上，所以有一些以太坊2.0社群的討論，在研究如何實作它，可能會包含礦工機制。

輸出以太坊2.0狀態根的另一個優勢，是以太坊1.0有穩固的機制可以實現它，以及同時擁有以太坊2.0的高擴展性及數據可用性，可以做一些有趣的應用，像是ZKRollup和OptimisticRollup。

雙向橋接的優點

如果你在交易所中，列出以太坊1.0以太幣和以太坊2.0以太幣，它們的價格應該一樣。如果不一樣，你可以用較低的價格買一個以太幣，把他發送到橋上，然后以較高的價格獲得另一種以太幣，并把它出售。這種套利會使它們的價格保持不變，這樣會讓用戶，驗證者和開發人員感到困惑，雙向橋接可以防止兩邊的貨幣借由套利的形式，來互相轉換。

雙向橋接的交易

但是還是有一些權衡在這里，盡管對以太坊2.0的設計非常有信心，團隊還是希望在影響到以太坊1.0的安全性和風險狀況之前，先在生產環境中得到驗證。

雙向橋接是一種緊密耦合的共識機制，對于兩邊鏈的攻擊及產生的問題，都會影響到另一邊的鏈，協定的開發勢必會非常煩瑣，我們需要考慮到每個協定的安全性，如果我們越早開發協議，那么我們實際上的進度就越少，當每個障礙隨著時間發展，它們就會相互阻礙，這讓以太坊1.0在這一點上的開發速度比以太坊2.0慢得多，因為實際用戶群存在很多擔憂，并且需要大量的協調，才能在我們的生產網絡上獲得硬分叉。

所以，如果我們越早將這些東西連在一起，就可能會減慢以太坊2.0的開發和分叉周期，并且這增加了一些額外的開銷，換句話說，驗證我們可以鏈接客戶端的開銷是相對的。

目前的想法

我們應該會在加入驗證者流動性之前啟用橋梁，但是會等到第一階段的產品穩定之后再開放；同樣的，有很多相關的研究都在同時進行，這可能會影響到，何時完成這個操作。

名詞解釋：

EIP：EIP是以太坊平臺的標準，其內容包含了核心協議的規范，客戶端API以及合約標準。

epoch：在以太坊2.0中，epoch指的是時長6.4分鐘的時間單位，每個epoch包含32個slots。

Slot：每個時段為12秒，不一定每個時段都能產生區塊，而epoch中最后一個slot稱為邊界時段，或稱為檢查點?。

Solidity：Solidity是一種合約導向的語言，主要用來開發智能合約。

Consensus：共識機制是區塊鏈為了在各節點間達成共識，所開發的演算法。

Validator驗證者：驗證區塊的節點，由信標鏈在每個時段為每個片隨機產生。

Gas：交易所需的費用，當Gas消耗完時，智能合約會終止并進行Rollback。

EVM：EVM中文為以太坊虛擬機，是一種輕量級的虛擬機環境，Eth1.0中智能合約的運行環境為EVM。

Dapp：在以太坊中，基于智能合約的應用都稱為去中心化的應用程序，即Dapp。

ether：以太坊的貨幣名稱。

Finality：「敲定性」是Casper中的概念，是一種透過驗證者投票，在鏈上產生不可回朔的檢查點的機制。

Libra：臉書提出的加密貨幣，預計于2020年發行。

MerkleTree：?MerkleTree由計算機科學家RalphMerkle所提出，中譯為默克爾樹，因為是由哈希函數形成的樹。

參考:?

EthereumImprovementProposals

參考:?Two-waybridgesbetweeneth1andeth2

參考:?Ethereum2.0Phases

參考:?ethfans

參考:?eth2quickupdate

感謝DannyRyan、ChihChengLiang、JuinChiu、Hsiao-WeiWang、YahsinHuang、和JerryHo。

原文鏈接:?https://medium.com/taipei-ethereum-meetup/eth2-0-roadmap-70e1c23f139f作者:?FrankLee

本文首發于TaipeiEthereumMeetup的Medium站，EthFans經授權轉載，為符合大陸讀者的習慣，進行了簡繁轉換并將部分術語改為習慣用法。

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