MESSARI报告——eth2.0：加密货币经济的下一个演进（第一部分：概述、哲学和历史）

MESSARI报告

eth2.0：加密货币经济的下一个演进

深入了解以太坊迄今为止最关键的网络升级

作者

威尔逊·威斯亚姆（Wilson Withiam）

Messari高级研究分析师

威尔逊·威斯亚姆是Messari的高级研究分析师，专注于以太坊和智能合约平台。 在Messari之前，他是Circle研究的分析师，在那里，他是专注于生成有关加密货币资产每周更新和深入季度报告团队的一半。他还帮助建立了一个致力于教育区块链应用开发人员的组织。威尔逊拥有运动机能学学士学位，但放弃了医学院以从事新兴技术的研究。

推特: @WILSONWITHIAM

瑞安·沃特金斯（Ryan Watkins）

Messari高级研究分析师

瑞安是Messari的高级研究分析师。在加入Messari之前，瑞安在Moelis＆Company担任投资银行分析师，在此期间，他为所有行业的并购、私募和重组提供法律服务，重点是技术、媒体和电信。他之前曾在美国银行美林证券和卡斯特罗克证券担任职务。瑞安拥有福特汉姆大学的理学学士学位，在那里他学习了金融和计算机科学。

推特: @RYANWATKINS_

介绍

“像以太坊这样的系统从根本上讲是一类新型的加密经济学有机体，它们是去中心化存在的，无管辖权的实体，完全存在于网络空间中，由密码学、经济学和社会共识相结合来维护。”

——维塔利克·布特林1

以最抽象的形式，区块链是一种组织经济、社会和政治活动的新方式。区块链是一种机构技术——与市场、公司和民族国家非常相似，而不仅仅是计算平台2。从根本上讲，区块链允许数百万甚至数十亿的独立、多样化和去信任的参与者在全球范围内进行协调。也许同样重要的是，区块链是主权实体，不受外界干扰并且无法关闭。

区块链技术的第一个实例是比特币，它激励参与者为保持全球交易账本贡献计算资源。该账本是真理的最终来源，它包含谁在花钱，谁拥有什么的完整历史。这项创新创造了世界上第一个稀缺的数字资产比特币。

自从比特币发明以来，区块链技术的用途已扩展到维护交易账本之外。最著名的例子是以太坊，它不仅维护交易账本，而且存储和执行任意代码，从而打开了无限多的潜在用例。

以太坊诞生于这样一个理念：区块链不仅可以去去中心化的资金提供动力。区块链可以更广泛地为整个去中心化经济提供动力。以太坊的最终愿景是成为世界计算机3。.

从概念诞生七年到主网启动五年后，以太坊现在托管着成千上万的应用，资产超过100亿美元，每年结算超过1万亿美元的交易，可以说是世界上使用最多的区块链4。它还为可组合和共生的去中心化金融协议以及该行业大多数稳定币活动蓬勃发展的生态系统提供了支撑。

然而，以太坊的进步也是其挑战的根源。目前，以太坊每秒仅能处理15笔交易，使其无法用作全球可扩展的去中心化金融基础设施。去年夏天的小规模投机热潮刺激了以太坊的发展，链上活动呈上升趋势。以太坊尚未准备好在其当前架构下被主流采用。

为了使以太坊成为全球去中心化金融基础设施，它将需要扩展数量级。幸运的是，在以太坊推出之前，以太坊社区就一直在努力应对这一挑战。

该解决方案称为以太坊2.0（ETH 2.0），这是人们期待已久的网络升级，它将提高以太坊的可扩展性、安全性和能效，而不会影响可访问性或去中心化性。

ETH 2.0不仅仅是对以太坊区块链的重大升级，也是对以太坊原生资产ETH的重大升级。ETH 2.0将把ETH转变为一种资产，为ETH提供三个资产超类的每一个的属性：资本资产、商品和价值存储——前所未有的组合5。这也将从根本上改变以太坊的货币政策，尽管出于安全性考虑，以太坊的货币政策将持续通胀，但年通胀率可能低于1%，甚至更低。

在此报告中，我们将首先解释ETH 2.0是什么，为什么创建以及它来自何处。 然后，我们将在概述之后，详细介绍以太坊2.0多阶段推出的每个阶段，概述对用户、投资者、建设者、研究人员等的影响。

“人们经常问，“以太坊有什么用？”。以前，该问题的答案通常包括“世界计算机”一词，但是尽管有一些有趣的例子，但很难从更抽象的角度回答这个问题。我提议回答这个问题的一种方式。我在此提议，以太坊是一个前所未有的合作游戏平台。而且，以太坊提供了我们尚不了解的强大经济工具。”

——维吉尔·格里菲斯6

第1部分：概述、哲学和历史

概述

ETH 2.0是以太坊迄今为止最雄心勃勃的系统范围升级，它将从根本上改变以太坊的工作方式。这也是大型区块链首次在完全运行的情况下尝试在新的共识机制下从头开始重建7。

ETH 2.0总体上包含三个主要组成部分：权益证明、分片和信标链。

权益证明(PoS) 是用于公共区块链的共识算法的一种，它依赖于验证者在网络中的经济利益，而不是依赖于矿工的工作量证明（PoW）共识算法。ETH 2.0将以PoS取代以太坊当前的PoW共识机制，以提高其安全性，提高能源效率，降低矿工的集中化风险8，并确保最大程度地民主和开放地参与共识过程。

ETH 2.0专为成千上万的验证者参与而设计，拥有32ETH的任何人都可以运行验证器，而无需支付昂贵的基础架构成本或严格的维护要求。

BISON TRAILS的见解

“向eth2的过渡对于加密货币生态系统非常重要，因为它允许最重要和采用最广泛的区块链之一——拥有数百万用户和数万个dapp——为协议引入新的可扩展性选项，这很重要。”

——Bison Trails首席执行官乔·拉鲁兹（Joe Lallouz）

分片是一种扩展解决方案，涉及将以太坊区块链拆分为更小的碎片，这些碎片并行运行并最终相互链接。分片是一种横向扩展技术，是一种扩展数据库的方法，涉及跨多个服务器的分布式计算和存储容量。在区块链世界中，分片涉及跨节点子组对区块链进行分区。在ETH 2.0下，以太坊区块链将分为64个并行分片，每个分片将具有节点的动态子集，用于处理交易区块。这样做的原因是要确保运行节点的需求保持足够低，以便任何人都可以使用消费级硬件运行节点，同时仍要增加整个系统的可扩展性。仅分片一项将使吞吐能力至少比当前工作量证明ETH链当前的吞吐能力提高64倍。

信标链将PoS和分片联系在一起，充当eth2.0的中枢神经系统。这是所有系统级活动和编排发生的地方。9信标链存储和管理验证器及其质押的注册表，应用共识规则，并存储对分片状态的引用。

BISON TRAILS的见解

最初的分片设计需要1024个分片，但是有一个折衷，即跨分片通信会发生全时间延迟（6.4分钟），这严重影响了dApp的可组合性。由于社区反馈，该设计被废弃，这表明社区和协议开发人员之间的协作实力。

信标链将划分为多个插槽——每个插槽都有机会将一个块添加到信标链（和分片）。插槽进一步组织为纪元，每个纪元包含32个插槽，并用作网络检查点以帮助完成交易。在ETH 2.0的最终状态下，当系统最佳运行时，将每12秒添加一个信标链块和64个分片块。每个区块将由一个伪随机选择的验证器（区块提议者）提议，并由一个称为见证者的伪随机选择的验证者委员会投票（每个委员会的目标128）。 

最后，使整个系统成为可能的ETH 2.0的核心是ETH。ETH不仅将成为以太坊的有价资产的原生存储，并为交易提供动力，而且还将成为以太坊在PoS系统中的作用的最终安全来源。验证器将需要投入至少32 ETH才能参与共识过程。验证器将因其充分履行职责而受到奖励，因其未能充分履行职责而受到处罚，并在恶意行为时大幅削减（质押被删除）。

由于启动ETH 2.0涉及的复杂性以及社区不希望对已经支持经济繁荣的当前以太坊链（ETH 1.x）造成任何干扰的事实，ETH 2.0将分阶段启动多年期。ETH 2.0将首先与ETH 1.x并行运行，然后ETH 1.x将作为分片最终合并到ETH 2.0中。这些阶段已分为阶段0、阶段1、阶段1.5和阶段2。但是，值得注意的是，尽管阶段是按顺序编号的，但阶段的发展将并行进行。

阶段0将启动信标链并引导ETH 2.0的PoS验证程序集。它将具有有限的功能。（预计到达时间：2020年12月）。

BISON TRAILS的见解

阶段0信标链不是测试网。它是一个功能有限的主网，具有真正的共识、机会和后果。

第一阶段将ETH 2.0 PoS扩展到64个分片链，这些分片链将充当数据可用性层。它不支持智能合约。但是，建议对ETH 1.x进行的一些升级将允许扩展解决方案（如汇总）来验证ETH 2.0分片中的数据并减少其数据瓶颈。通过在阶段1中将汇总与64个数据分片相结合，以太坊理论上可以支持每秒最多约10万个事务。（预计到达时间：2021年第4季度）。

1.5阶段会将ETH 1.x的当前状态（智能合约和交易数据）转换为ETH 2.0网络中的分片。状态将保持不变；合并只是将以太坊的共识层从PoW交换到PoS。 如果社区选择拥抱“以rollup为中心的未来”并放弃分片（ETH 1.x分片除外）中的智能合约执行功能，则这可能是ETH 210的最后阶段。（预计到来时间：2022年）。

第2阶段将释放分片中的智能合约执行功能，并且网络状态将在部分或全部64个分片中进行分区。该阶段还将引入一个新的虚拟机，即以太坊风格的WebAssembly或EWASM，旨在为智能合约开发带来可用性和性能方面的改进。这是关于ETH 2的最终计划阶段。（预计到达时间：2023年）。

哲学

以太坊是全球经济的新社会合约。这是一种全球性公共物品，可确保世界上任何人，无论他们是谁或来自何方，都能公开参与、无国界、可信中立、超透明和无审查的经济互动。使用以太坊，用户和建设者拥有主权并能够确定自己的经济命运。

以太坊的目标是最大程度地民主和开放给用户参与，可扩展以使用户直接与之交互，避免挖矿集中化风险并提高能效。它拒绝为实现这些特性而牺牲的是去中心化11。为了使以太坊维持与权益持有人的社会合约，它必须建立在坚定的原则之上，以确保以太坊具有它所承诺的理想属性。

ETH 2.0设计原则

“最好的协议是在各种模型和假设下都能正常工作的协议。拥有两层防御是很重要的：经济激励措施可以阻止中心化卡特尔采取反社会的行动，而反中心化激励措施则可以阻止卡特尔的形成。“

——维塔利克·布特林12

ETH 2.0的设计考虑了五个关键原则：简单性、长期稳定性、充分性、纵深防御以及完整的轻客户端可验证性13。

简单性—PoS和分片本质上很复杂。简单性使ETH 2.0可以最大程度地降低开发成本，减少攻击面并清楚地使用户相信协议参数选择是合理的，因为它们易于理解（可靠的中立性的关键）。

长期稳定性—区块链哲学的分界线之一是稳定性与演进谱。稳定性阵营倾向于使区块链固化，以便使用时更容易预测，因此从理论上讲更安全。它源于这样的信念，即对于真正想充当关键公共基础设施的任何区块链（尤其是对于金钱之类的东西）来说，稳定性都是必需的。进化阵营赞成不断改进区块链，使其功能更强大。它源于这样一种信念，即区块链技术尚处于起步阶段，在固化之前需要进行许多根本的改进——到目前为止，演化至关重要。到目前为止，以太坊更多地倾向于进化的终点，认识到区块链技术的萌芽及其必须进行的根本性改进，以使其能够在全球范围内扩展。但是，设计ETH 2.0的初衷是，一旦建成，就不需要长时间地改变它，以实现以太坊作为公共基础设施所必需的稳定性。

BISON TRAILS的见解

在成熟状态下，eth2的全球结算层的奖励率很可能成为参与Web3.0的基础率，并成为定义去信任价值转移成本的基准。

充分性—虽然区块链不能太强大，但更大的权力意味着更大的复杂性和更大的脆弱性，但区块链必须仍然足够强大，以使其有可能在其之上构建既不中心化也不依赖强信任假设的第2层协议14。为了实现这一目标，区块链必须包括一种表达能力（足够）的编程语言，可扩展的数据可用性和计算能力以及快速的块时间。

BISON TRAILS的见解

Eth2的反相关机制旨在消除该协议所有功能层（包括云、客户端和风险承担者）的中心化。

纵深防御—区块链必须是容错性的，并且能够抵抗攻击和共谋，并且为了做到这一点，它们必须在各种可能的安全性假设下都能正常工作。实现此目标的关键方法是设计系统，使其尽可能去中心化，以防止出现故障、共谋和攻击，并且在确实发生有害共谋的情况下，使那些共谋变得非常昂贵，而非串通的参与者很容易恢复系统15。对于验证系统的参与者在游戏中占有一席之地以及使系统让各个贡献者做出各自负责的决定也很重要。

全轻型客户端可验证性—许多用户只会通过轻客户端与以太坊区块链进行交互，轻客户端是连接至全节点以与区块链进行交互的软件。因此，对于这些用户来说，确保在某些假设下，他们能够验证整个系统中的数据是可用和有效的，即使在51%的攻击下也是如此。

去中心化哲学

根据邦达尔瓦-沙普利定理，在合作博弈理论中，包括允许合谋可能性的博弈，可以证明存在许多类别的博弈，例如多数博弈，它们没有任何稳定的结果。在多数博弈中，总是有这样一种可能性，即超过一半的代理人的任何一个子集可以串通，以获取固定的报酬，并在他们之间进行分配。因此，为了创建稳定的机制，重要的是使代理更难以合谋。就公共区块链而言，实现这一目标的重要方法是通过去中心化16。

去中心化的目的是使区块链能够抵抗故障、攻击和共谋。这不仅是意识形态上的吸引力。区块链信任最小化程度越高，它就越可以扩展到全球平台，从而吸引更多的资本和高价值交易17。

公共区块链的去中心化可以从两个方面来考虑：架构和政治。架构去中心化是关于一个区块链由多少个节点组成。政治去中心化是关于有多少个人和实体控制这些节点以及它们有多独立。对于以太坊来说，这意味着验证器、客户、开发人员，研究人员和用户是去中心化的、独立的并且在地理位置上分散的，并且技术升级的知识已经民主化，因此每个人都可以评估并参与讨论。

BISON TRAILS的见解

与大多数PoS区块链相比，Eth2还故意省略了代币加权的链上治理，并将继续通过粗略的共识做出决策，以帮助其维持所需的去中心化特性。

区块链中的去中心化还方便非冲突参与者轻松协调分叉，以铲除共谋攻击者并按原样继续系统。在开源软件世界中，分叉是微不足道的，成功做到这一点的主要挑战通常是收集所需的合法性，以协调所有不同意串通攻击者的人跟随。18

权益证明哲学

“密码学在21世纪确实是很特殊的，因为密码学是少数几个敌对冲突继续严重偏袒防御者的领域之一。破坏城堡要比建造起来容易多了，岛屿可以防御，但仍然可以遭到攻击，但是普通人的ECC密钥足够安全，甚至可以抵抗国家级的参与者。密码朋克哲学从根本上讲就是利用这种珍贵的不对称性来创造一个更好地保留个人自主性的世界，而密码经济学在某种程度上是对它的扩展，只是这次是保护复杂的协调与协作系统的安全性和活力，不仅仅是私人消息的完整性和机密性。认为自己是密码朋克精神的意识形态继承者的系统应该保持这一基本属性，并且破坏或中断这些系统比使用和维护它们要昂贵得多。“

——维塔利克·布特林19

共识机制对于公共区块链至关重要。如果没有健全的共识机制，几乎所有有意思的区块链都是不可能实现的，比如数字稀缺性和智能合约。这就是为什么以太坊向PoS转移并不容易，它已经进行了近7年。PoS必须比PoW更好，否则就不值得放弃一个经过检验和验证的共识机制。

以太坊转向PoS的三个主要动机是：安全性、去中心化和能源效率。 

安全性—PoS安全性模型的核心思想是，安全性来自建立经济损失价值21。如果有恶意的行为，作为对发动攻击的主要威慑力量，质押可能会失去部分，甚至全部的利益22。这种惩罚虽然很少见，但在极端情况下，也使PoS链更容易从51％的攻击中恢复过来。如果发生51％的攻击，诚实的质押人可以反击协调叉并删除行为不当的质押人的权益。这相当于如果一个PoW区块链因为参与了51%的攻击而烧毁了恶意矿工的ASIC矿场23。PoS中51％的攻击非常昂贵，而且51%的攻击实际上是不可行的，因为权益是一种内部会计措施，并且可以在质押人行为不端的情况下删除。

为什么这种经济损失价值比Pow更为重要并且可能使PoS更安全，原因是经济损失价值可能很大。与基于ASIC的PoW区块链（如比特币）需要以ASIC形式的前期资本成本不同，PoS参与者投入的资本成本不会贬值。此外，考虑到权益持有人为运行验证程序而支付的维护成本低，并且权益持有人可以在较短的提款期后随时收回押金，因此权益持有人唯一真正承担的成本是机会成本。这些要点很重要，因为从理论上讲，它们使PoS权益持有人更愿意为每美元的奖励支付更高的资本成本（也许数量级或更多），从而大大增加了攻击区块链的成本24。

去中心化—挖矿中心化是PoW区块链中永远存在的风险，可以在几个不同的维度上加以考虑：哈希算力中心化、制造商中心化和地理中心化。关于哈希算力中心化，运行挖矿作业是一项资本密集型任务，通常需要大量投资才能进入并具有竞争力。此外，挖矿业务经历了规模经济，因为随着业务的扩大，参与单位成本降低——最明显的例子是，矿工能够协商ASIC和其他设备的大宗订单，从而降低了其单位成本。

关于制造商中心化，ASIC行业的供应方非常集中。Token Insight在1月份的一份报告中估计，2019年排名前四的制造商的市场份额占总市场份额的95％以上——其中绝大多数活动发生在中国25。这种地理集中度也存在于挖矿方。在2019年，CoinShares估计有多达65％的比特币哈希算力驻留在中国26。这两个风险使采矿更加容易受到审查或干扰，特别是考虑到矿场和制造设施都很大且难以隐藏（相比之下，在普通笔记本电脑上就可以进行抵押）。

PoS通过让更多参与者更容易使用，避免了许多上述中心化风险。PoS没有规模经济，参与PoS的成本很低，并且在过去五年中通过PoW分发后，ETH广泛分布。由于上述原因，PoS中的额外奖励将非常低，从理论上减少了当前ETH持有人，在持续费用很少的情况下对新发行品的永久索取权。

能源效率—最后，这也许是三个原因中最简单的一种，PoS比PoW更节能。 PoS不仅消除了燃烧大量电力的需要（比特币比许多小国家消耗的电力更多）27，而且如上所述，还提高了单位成本的安全性。据估计，运行信标节点和验证器客户端每年可能仅花费120美元，这可以使用消费级硬件来完成，而通常需要高功率ASIC和大规模数据中心才能盈利地挖掘PoW加密货币28。

分片

可扩展性很重要，因为它有助于保持以太坊开放，允许用户无需中介即可参与和互动。但是，由于去中心化、安全性和可扩展性之间的微妙关系，因此扩展区块链非常困难，这阻止了区块链系统具有所有三个属性。这通常称为可扩展性难不可能三角难题。从历史上看，区块链只能实现三个所需属性中的两个，解决可扩展性难题被誉为区块链的圣杯。 

考虑到这一挑战，以太坊选择了沿着分片的路径——这条路径将以太坊分成64个并行分片，每个分片都有一个处理事务块的节点的动态子集。这样做是为了确保运行节点的要求保持足够低，以便任何人都可以使用消费级硬件来做到这一点，并且以太坊保持去中心化的状态，同时仍然提高了整个系统的可扩展性。

对于以太坊来说，超级节点需求并不是一个起点，因为这会使以太坊更易于中心化和共谋。超级节点的固定成本很高，因此可以减少参与的用户。此外，运行基础设施的高昂成本使节点更有可能通过云计算提供商（即AWS）运行基础设施——使以太坊更容易遭受中心故障点的影响。

以太坊的基础层可扩展性是不可协商的，因为以太坊旨在确保用户可以直接使用以太坊区块链，而无需交易所和其他金融机构等中心化中介。未来以太坊将成为机构的结算层，而由于高昂的费用，大多数用户无法访问，这将使这一点变得不可能。访问基本层是实现自我主权的必要条件。而且可扩展性是保持以太坊可访问性的必要条件。

货币政策

以太坊的货币政策被定义为“最小必要发行量”——确保以太坊保持安全所必需的最小发行量。尽管这种货币政策看起来像是主观的，并且易于进行虚假调整，就像任何协议参数一样，但以太坊的货币政策是通过社会共识来实现的。货币政策的任何修改都必须得到生态系统中广泛的权益持有人的同意——这一壮举绝非易事。自从以太坊主网启动以来，它仅修改了两次发行，两次调整都是为了将发行量减少到这些估计的最小值29。

以太坊选择永久发行和无上限供应，因为它优先考虑安全性而不是货币理想主义。与确定性发行和固定供应的加密货币不同，加密货币的安全预算被任意设定为追求“完美货币”，以太坊的目标是发行足够的ETH，以确保以太坊现在和未来的安全。

然而，选择永久发行和无上限供应并不意味着以太坊的货币政策将高度通胀和不可预测。以太坊转向PoS的一个主要内容是在保持相同级别的网络安全性的同时降低发行量。如前所述，PoS可以使按成本计算的安全性提高一个数量级，并且使用此收益，以太坊可以在保持安全级别不变的情况下大幅减少发行量30。 ETH 2.0的货币政策将是动态的，会根据抵押的ETH的数量进行调整，并且很有可能远低于1％。抵押将使ETH成为一种更具生产性的资产，为ETH提供除了其价值储备和商品属性之外的原生收益。

来源：EthHub

历史

ETH 2.0的信标链的发布将迎来Serenity时代，这是以太坊从2015年开始的最初路线图中的第四个也是最后一个阶段，概述了该网络的成熟之路31。第一阶段是Frontier，标志着以太坊主网的启动，而接下来的两个阶段（Homestead和Metropolis）则分别致力于增加以太坊实现其世界计算机愿望所需的功能和改进。伊斯坦布尔的另一个阶段于2019年底启动，以弥合Metropolis和Serenity之间的鸿沟。但是Serenity是迄今为止以太坊计划中最雄心勃勃的升级。

Serenity的最初目标在纸面上看起来很简单——将PoW换为PoS，并可能包含一些可扩展性增强功能。但是，从头开始重新设计网络的共识算法和体系架构在实践中绝非易事。以太坊在2017年的价值和知名度迅速上升，只是缩小了错误的余地。在现有网络以当前价格保护价值数十亿美元的加密货币资产的情况下，硅谷的陈词滥调“在建造飞机时驾驶飞机”就符合Serenity的要求。

如此艰巨的难度是为什么ETH 2.0花费了将近7年的时间才能将一些所谓的“异端巫术”转变为可投入生产的系统的原因32。它的到来是可追溯到2013年的无数研究工作的成果，该研究解决了加密货币技术最棘手的两个问题：PoW替代方案和区块链可扩展性33。

从罚没者（SLASHER）和超立方体（HYPERCUBE）到CASPER和分片（2013-2015）

“我们将解决可扩展性和共识性问题，否则将尝试失败。”

——维塔利克·布特林34

以太坊的权益证明旅程始于2013年，当时维塔利克·布特林开始公开质疑工作量证明的可持续性。尽管工作证明的安全性保证已得到充分证明，但维塔利克建议，它成为挖矿中心化和能源浪费的牺牲品。在他看来，权益证明是未来。

但是在以太坊的早期，PoS存在两个致命的安全漏洞。首先是PoS系统无法检测或阻止验证程序支持多个分叉（称为“双重签名”），该问题现在通常称为“去权益关系”问题。第二点是，新加入网络的客户端在发生远程攻击时也无法区分正确的链和恶意的分叉，在这种情况下，恶意验证程序会创建一个竞争的分叉，从过去的数千个块中开始。

区块链可扩展性面临着类似的艰苦战斗。正如维塔利克在2014年初指出的那样，“没有一个[项目]能够解决相同的核心问题：每个单独的全节点都必须处理每个单独的交易。”35当时唯一的解决方案涉及引入一些中心化，通常是以所谓的“超级节点”的形式，它对事务和分叉选择进行了超大型控制。更优雅的想法可能会保持去中心化，但还没有超出理论阶段。

尽管面临诸多挑战，以太坊团队还是花了一年的时间才发现什么将成为ETH 2.0的基础。

在PoS方面，维塔利克在共享以太坊白皮书的第一份副本后两个月，于2014年1月提出了一个名为Slasher的质押协议的概念。Slasher尝试通过在验证器在竞争的分叉上签名的情况下保留验证器的奖励来缓解“无权益关系”的问题。几个月后，这种惩罚验证器并使其承担经济责任的想法将影响以太坊基金会研究员弗拉德·扎姆菲尔（Vlad Zamfir）引入验证器保证金的使用37。 Slasher迫使坏人放弃利润，而扎姆菲尔方案中一个可证明是错误的节点将失去其保证金，这实际上关闭了使双签名盈利的大门。

克服远程攻击更像是一个心理障碍。像比特币这样的工作量证明区块链是客观的——新节点可以以协议定义的方式（在这种情况下，是最重的链规则）来确定一条链是否是恶意分叉。由于存在远程攻击的威胁，权益证明永远无法达到这种客观性。因此，新节点或经过长时间裁员后重新进入网络的节点必须通过协议外的方式（“社会共识”）对PoS链进行身份验证。消除人的影响是区块链运动的核心，而要求新节点依靠社会手段（区块浏览器或客户团队）来验证网络是对立的。但是维塔利克及其团队认为PoS相比PoW提供了足够的优势，因此接受少量的主观性（以后定义为“弱主观性”）是一个公平的折衷38。根据维塔利克的说法，如果系统要求新的验证器在首次加入网络时仅依赖一次协议外的身份验证手段，则该系统的主观性较弱。

在2015年，弗拉德和维塔利克塑造了基于安全存款的安全性和弱主观身份验证背后的思想，从而形成了Capser（ETH 2.0中使用的PoS算法）的基础。Casper的名字源于它对以太坊的GHOST协议的适应性使用，它可以对事务进行排序，帮助实现最终性，并使其对所有类型的验证器（无论大小）都“友好”。弗拉德宣布，第一个Caper规范在以太坊主网启动后仅两天就已经开始运行39。

以太坊对区块链可扩展性的研究与2014年PoS的进展并驾齐驱。维塔利克和团队的其余成员考虑了全年的几种策略，其中最突出的是将扩展责任推给了应用40，创建一个由相互连接的“子状态”（称为超立方体41）组成的网状网络，并采用使用以太坊主链作为中心hub42的侧链，所有这些方法都存在不利的折衷：面向应用的策略无法扩展到所有用例，超立方体存在数据可用性和脆弱性问题，而星形拓扑模式引入了安全隐患，因为较小的区块链更容易受到多数权益攻击的影响，但是每一个概念都建立在以前尝试的经验教训的基础上，并且显示了一个明显的进步，即在多个子节点组上划分网络的工作负载。

到2015年，分片已成为ETH 2.043的重点。 关于分片网络如何处理不同链上的状态变化以及对单个分片进行协调的验证器攻击，还有一些尚存的问题（解决方案：伪随机验证者选择和安全保证金处罚）。但是它具有减少单个参与者的网络工作负载而不依赖于万能节点的理想特性。此外，分片在理论上具有将事务吞吐速度从10-20 tps（每秒事务处理）增加到10万的潜力。维塔利克在“紫皮书”中捕捉了以太坊分片架构的早期设计思想，这是定义ETH 2.044技术规范的首次尝试之一。

以太坊出身的波卡创始人加文·伍德（Gavin Wood）也为该项目的分片研究做出了贡献，他在2015年发布了一份提案，其中详细介绍了在许多子链上分片网络数据和状态的实例，他称其为链式光纤45。这些子链将嵌入单个主链，该主链将协调验证器以管理各种链式光纤之间的安全性和通信。尽管伍德最终将这一建议作为波卡的基础，但其背后的核心概念仍然存在于ETH 2.0的信标链中，它作为分片链的唯一协调层。

研究的黑暗时代（2015-2017）

以太坊基金会研究团队于2015年末发布了首个Serenity概念证明（PoC），并在2016年又发布了两个。这些版本最终为现已弃用的Pythereum ETH 2.0客户端奠定了基础。其中包含Casper的早期功能，并添加了以不破坏现有网络的方式部署分片链所需的脚手架。46

他们还提出了各种建议，以抽象化网络中困扰用户和开发人员体验的一些复杂性。其中一项提案如火如荼，但未能在最初的PoC中生效，那就是将网络的虚拟机（EVM）升级到基于WebAssembly（WASM）的版本。47

这些PoC说明了将如何定义ETH 2.0的未来几年的研究。专注的以太坊开发人员在2016年之前所做的工作帮助确定了如何解决与PoS和区块链可扩展性相关的挑战。现在，研究人员必须将这些开创性的理论转换为原型和工作产品。

维塔利克指出，这些中期阶段在完成核心功能方面包括了几次“失败的尝试”。开发人员花了几个月的时间研究了Casper最初的共识机制（称为“通过打赌达成共识”），然后放弃了该机制，转而采用了一种不太激进的方法。诸如区块链租金（不断向节点存储的数据存储支付费用）和二次分片（由分片构建的系统，可无限扩展）这样的扩展技术获得了大量时间和关注，但由于其复杂性而从未进入最终设计。当研究团队将资源从Serenity转移到应对2016年6月的DAO事件和当年秋天的上海DoS攻击时，进展也短暂地陷入停顿。48

加密货币神们对ETH 2.0在2016年的进展并不友善，但Serenity研究团队没有理由匆忙进行工作。网络活动一直处于较低且可管理的水平，以太坊仍在逐步向计划的第三个阶段——大都会（Metropolis）发展。还没有迫切需要扩大网络规模。以太坊的下一个迭代的研究团队拥有足够的缓冲空间，可以将安全性和弹性优先于及时性。

然后在2017年，臭名昭著的ICO（首次代币发行）热潮到来了。投资者和开发商都开始大量使用网络来利用不断上涨的ETH和代币价格。这场热潮将以太坊推向了极限，导致费用飞涨，并阻碍了网络及时处理交易的能力。可扩展性几乎在一夜之间成为了头等大事。

这一突破年肯定了人们的担忧，即网络无法支持当前状态下的世界计算机活动水平。但是，它也肯定了花费时间和精力重新设计网络体系架构的决定。以太坊现在比以往任何时候都更需要Serenity，并且2017年的牛市为以太坊基金会提供了足够的动力（和资金）来推动未来的开发工作。

在这一年中，Casper的设计终于开始成形。维塔利克于2017年9月发布了有关ETH 2.0官方PoS算法的第一篇论文Casper FFG（友好最终小工具）。Casper-FFG的名字和核心特性是借用了弗拉德·扎姆菲尔在PoS网络设计方面的工作，他最终将其作为一个新的共识协议家族和独立的研究领域推出，称为CBC（按架构更正）Casper。

维塔利克的经过修改的Casper版本具有混合PoW和PoS机制，且削减条件最小。维塔利克和团队计划将Casper FFG作为智能合约部署在现有的以太坊网络上，PoS验证器将每隔50个区块验证PoW矿工的工作49。最初的目的是将PoS逐步引入以太坊并引导验证器集，同时将验证器集最小化 对正在进行的活动的任何干扰。 这种弗兰肯斯坦系统也将使更轻松地将PoW完全交换出去。将Casper FFG用作所谓的覆盖网络是一种创新但笨拙的方法，此后经历了重大的战略变革。

2017年以Casper FFG测试网的发布和第一个分片设计规范结束，这表明隧道的尽头有些光亮。在看似已经运行了几年之后，Serenity有了前进的势头，即将走向本垒打。

信标时代（2018-2020）

研究的突破并非凭空发生的；它们是在此过程中总结的经验教训和取得的成就的总和。但是每个主要发现通常都有一个定义的“啊哈！”时刻。那个“啊哈！” ETH 2.0的关键时刻出现在2018年6月，当时有一个新提案呼吁将Casper FFG和分片设计结合起来。50

在提出这项建议之前，以太坊的Casper和分片研究小组都是独立运作的。由丹尼·瑞安（Danny Ryan）领导的Casper FFG团队正在努力实现维塔利克一年前提出的混合PoS和PoW愿景，而贾斯汀·德雷克（Justin Drake）领导的分片单位有一个单独的路线图，以向以太坊添加分片链。

尽管目标不同，但两个团队都遇到了类似的问题，试图在以太坊内部计算机（EVM）的限制内创建功能丰富的合约。他们还共享了几个核心设计要求，包括验证器存款和大幅削减罚款、随机数生成器以及聚合签名。51

鉴于这些共同点，开发人员放弃了在以太坊1.x上进行构建的方法，而转向构建Casper并在一个全新的网络（称为信标链）上分片。这种策略上的转变将使以后更容易将分片与Casper集成在一起，并将以太坊的链上活动与在此过程中可能出现的任何增长中的痛苦隔离开来。两个团队都通过发布新的多阶段路线图来确认他们对新方向的承诺，该路线图的第一步标志着信标链的启动。

自新方案生效以来，ETH 2.0开发人员已对该协议进行了轻微调整。2019年10月，他们将第1阶段（第二阶段）引入的分片链数量从1024减少到64，从而简化了一些设计元素并降低了第0阶段的发布要求。52同年晚些时候，维塔利克提出了一种解决方案，将现有的以太坊状态（账户余额和合约代码）合并为ETH2.0系统的一个分片，促使路线图增加了第四阶段（称为阶段1.5）。53

尽管进行了这些调整，但当前对ETH 2.0的愿景基本上保持不变。无需考虑不断变化的形势，研究团队能够专注于将信标链的设计形式化，以用于客户端和测试网的开发。但是构建复杂的系统非常复杂，这就是为什么花了大约一年的时间来巩固代码并启动第一个单客户端测试网（由Prysmatic 实验室管理）的原因。

进一步的测试和安全审计也要花费数月的时间。在去年，以太坊的研究团队对阶段0的基本代码进行了多次第三方审计。他们还启动了四个不同的信标链副本作为测试网，并完成了新网络启动过程的三个试运行。

虽然漫长的测试网周期可能感觉很缓慢，有时甚至是艰巨的过程，但它给ETH 2.0开发人员足够的信心来宣布信标链主网已经就绪。ETH 2.0的第一阶段将于2020年12月1日启动，也就是维塔利克撰写以太坊白皮书的七年后。

由于ETH 2.0后续阶段的设计尚未完成，因此仍有大量工作要做。但是，信标链的推出是一个重要的里程碑，标志着以太坊历史上新时代的开始：加密货币经济的未来。

参考

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