想要了解Web3生态的搭架，梳理出未来的发展发现，读懂公链之王，以太坊的原理和发展路径是必不可少的。本文将从三个方面梳理以太坊的发展历史，带你一起读懂ETH的创立初衷，转变以及现在所处的阶段。

1. 以太坊的设计初衷和比特币有什么不同

2. 为什么权益制证明对于以太坊生态的发展好于工作量证明

3. 以太坊目前的发展阶段到哪里了

比特币创立了一个基于工作量证明共识机制（proof of work）的点对点交易的去中心化加密货币，本质上是一个记录交易数据的完全公开的账本。在比特币的基础上，2014年Vitalik提出了以太坊（Etherum），一个去中心化的开源的，运用智能合约搭建Dapp（Decentralized App）的区块链平台。

共识机制：不同于中心化网络系统的权力高度集中，对于分布式系统来说，网络中哪个节点拥有记录数据的权利是需要全社区达成一致共识的，不同的社区会采取不同的共识机制来实现公平公正和防止恶意攻击。比如BTC选择的是Proof of Work工作量证明，即哪个节点率先完成一个庞大的数学运算得出结果，经过其他的节点检验，就可以拥有这个区块的记账权。

以太坊和比特币的区别在于，比特币只是实现交易和支付的功能，而以太坊的设计初衷是为了实现图灵完备，也就是说开发者可以在以太坊虚拟机（Etherum Virtual Machine）中通过Solidity编程语言撰写智能合约（Smart Contract）构建Dapp生态。

图灵完备这个概念或许对非计算机背景的人比较陌生，它用于表示*任何现实世界通用计算机或计算机语言都可以近似模拟任何其他现实世界通用计算机的计算方面、用途的计算机或计算机语言。*通常很多编程语言的图灵完备性影响主要需要考虑分支Branch和循环loop的问题。图灵完备的优点是能实现更多的计算，但缺点是非常占内存，也就是为什么ETH会引入Gas Fee来支付矿工的计算和校验成本，每一个操作指令都有明文规定的Gas消耗量（GasUsed）

Gas Fee 是一个沉没成本，即无论交易成功或者失败，矿工都为此进行了验证，消耗了资源，所以燃料费是旷工计算得出，并记录在此交易的区块中。为了避免合约中的错误引起不可预计的恶性燃料消耗，用户需要在发送交易时设定允许消耗的燃料上限，即 gasLimit。 这样不管合约是否良好，最坏情况也只是消耗 gasLimit 量的燃料

这个概念就好像我们点外卖，要给外卖员支付的路费是平台计算好的，会包括在最后的支付金额里。在用餐高峰期我们会给外卖员打赏来获取提前接单的可能。

随着生态的逐渐繁荣，交易量激增，ETH网络开始面临拥堵、GasFee极高的问题。一个客观的对比就是当前以太坊的交易处理性能(20笔/秒)，而Visa在2016年的MyBroadband表示，VisaNet每天平均处理1.5亿笔交易，约平均每秒1,667笔。以太坊如果想要普及去中心化交易，提高每秒交易量（TPS Transaction per second），降低交易成本，也就是扩容（Scalability）是首要任务。

然而区块链技术面临着“不可能三角难题”，即一个区块链技术无法同时达到“高效低能”、“去中心化”、以及“安全”这三个要求。不同的区块链设计都是在保全两个牺牲另外一个。 比如为了实现更高的TPS，BSC和Solana只有几十几百个节点，牺牲了去中心化的理念，而Multichain Ecosystems则牺牲了安全性，因为很可能其中一条链被黑客攻击，进而影响整个生态

为了能降低对去中心化理念和安全性能的损失，创始人Vitalik2015年提出了从工作量证明机制向权益之证明共识机制（PoS）转变的计划，POS机制可以支持分片技术（Sharding），也就是将区块链切分成多个Shard chain,并行运算，进而一个区块接着一个区块地运行，从而提高以太坊的每秒交易量。整体的实现路径是 PoW to PoS (phase 0：The Merge) → data sharding (phase 1) → execution sharding (phase 2)

相比于工作量证明机中是验证者需要购买运算设备（GPU和Asic芯片）运行大量运算得出随机数来获取记账权，在权益证明机制中，用户想成为验证者参与挖矿，只需要向存款合约存入一定数量的代币（比如ETH 2.0中规定最低32个ETH）并运行三种独立的软件：执行客户端、共识客户端和验证者。

以太坊网络会每隔一段时间随机选择一位验证者作为区块创建者，所创建的区块会发送给网络上的其他节点接受随机选择的一个验证者委员会的验证，通过他们的投票确定所提议区块的有效性，没问题即可获得出块奖励，如果验证者有失信行为或者消极怠工，比如没有在线，那么可以惩罚（Slashing）销毁抵押品

这种权益值证明的经济学原理是对于不当行为的惩罚远大于对正当行为的奖励。Vitalik在Why Proof of Stake (Nov 2020)这篇文章中，列举了攻击工作量证明和权益之证明机制网络的经济成本，想要获得一天1美元的奖励，大概对GPU-based POW来说大概是$0.26/小时（6个小时共计）如果攻击者的到处块奖励了，那就没有成本了，对于ASIC-based POW来说，大概成本是一次性支付两年的芯片费用、电费、运营费共$486,75。然而对于权益值证明来说，如果回报率在15%，那么为了每天一美元的回报，攻击成本在$2189。

除了提高可扩展性之外，Proof of Stake也更加去中心化：有人觉得PoS证明这种质押代币换取权益的方式更加的中心化。其实不然，PoW中购买矿机和芯片也需要花钱，同样是越有钱的组织能拥有更多的算力，而且自从有了Asic芯片后，高昂的价格让挖矿的门槛更高了。PoS则不然，无论有多少钱都可以去质押。而且，相比于GPU挖矿和ASIC挖矿需要大量的电力消耗、昂贵的应建安成本和庞大的运营空间，PoS只要有一台普通的电脑就可以做节点验证，更不容易被审查到，反倒更加去中心化了。

肖臻老师在《区块链技术与应用》公开课中提到过，像BTC、ETH这种大规模的区块链，对其发起51%攻击需要的资金成本，使攻击变得不可能，但对于小规模的区块链，PoS的好处就是，攻击者如果要攻击这条链，首先要买51%的代币，像是传统金融里的恶意收购，让社区变得更富有。

目前以太坊2.0已经实现了Phase 0 The Merge，于2020年启动了信标链（Beacon Chain）搭建共识机制。信标链用于在质押人开始验证真实的以太坊交易之前管理和协调以太坊质押人网络, 每个分片链都会将信息传递给信标链，并将由一个专门的虚拟机和执行环境启用，称为eWASM（就是将不同的编程语言都compile成ETH的语言）。这样， ETH就不单单仅支持Solidity语言，而是兼容所有编程语言和运行环境，像图灵完备更近一步。

接下来的任务就是将POS和分片技术逐渐应用到执行交易层。以太坊2.0具体实现的过程要比想象中困难很多，以太坊基金会研究员Justin Drake曾比喻以太坊The Merge事件为「在一辆汽车全速奔驰的同时，一边更换车辆引擎」。

这期间就出现了以太坊二层（Layer2）这种解决方案，以减少基础层（根链）负担的方式来处理数据，通过将主链的部分数据处理转移到 Layer2 上，从而增强整个区块链网络的可扩展性。在众多解决方案中，最被看好的是Rollup，也诞生了很多热门公链，比如Polygon、Avalanche等，在以太坊像POS过渡的过程中，Layer2也有存在的必要，下一期我们就来讲讲Layer 2的项目和存在的价值。

想要了解Web3生态的搭架，梳理出未来的发展发现，读懂公链之王，以太坊的原理和发展路径是必不可少的。本文将从三个方面梳理以太坊的发展历史，带你一起读懂ETH的创立初衷，转变以及现在所处的阶段。

1. 以太坊的设计初衷和比特币有什么不同

2. 为什么权益制证明对于以太坊生态的发展好于工作量证明

3. 以太坊目前的发展阶段到哪里了

比特币创立了一个基于工作量证明共识机制（proof of work）的点对点交易的去中心化加密货币，本质上是一个记录交易数据的完全公开的账本。在比特币的基础上，2014年Vitalik提出了以太坊（Etherum），一个去中心化的开源的，运用智能合约搭建Dapp（Decentralized App）的区块链平台。

共识机制：不同于中心化网络系统的权力高度集中，对于分布式系统来说，网络中哪个节点拥有记录数据的权利是需要全社区达成一致共识的，不同的社区会采取不同的共识机制来实现公平公正和防止恶意攻击。比如BTC选择的是Proof of Work工作量证明，即哪个节点率先完成一个庞大的数学运算得出结果，经过其他的节点检验，就可以拥有这个区块的记账权。

以太坊和比特币的区别在于，比特币只是实现交易和支付的功能，而以太坊的设计初衷是为了实现图灵完备，也就是说开发者可以在以太坊虚拟机（Etherum Virtual Machine）中通过Solidity编程语言撰写智能合约（Smart Contract）构建Dapp生态。

图灵完备这个概念或许对非计算机背景的人比较陌生，它用于表示*任何现实世界通用计算机或计算机语言都可以近似模拟任何其他现实世界通用计算机的计算方面、用途的计算机或计算机语言。*通常很多编程语言的图灵完备性影响主要需要考虑分支Branch和循环loop的问题。图灵完备的优点是能实现更多的计算，但缺点是非常占内存，也就是为什么ETH会引入Gas Fee来支付矿工的计算和校验成本，每一个操作指令都有明文规定的Gas消耗量（GasUsed）

Gas Fee 是一个沉没成本，即无论交易成功或者失败，矿工都为此进行了验证，消耗了资源，所以燃料费是旷工计算得出，并记录在此交易的区块中。为了避免合约中的错误引起不可预计的恶性燃料消耗，用户需要在发送交易时设定允许消耗的燃料上限，即 gasLimit。 这样不管合约是否良好，最坏情况也只是消耗 gasLimit 量的燃料

这个概念就好像我们点外卖，要给外卖员支付的路费是平台计算好的，会包括在最后的支付金额里。在用餐高峰期我们会给外卖员打赏来获取提前接单的可能。

随着生态的逐渐繁荣，交易量激增，ETH网络开始面临拥堵、GasFee极高的问题。一个客观的对比就是当前以太坊的交易处理性能(20笔/秒)，而Visa在2016年的MyBroadband表示，VisaNet每天平均处理1.5亿笔交易，约平均每秒1,667笔。以太坊如果想要普及去中心化交易，提高每秒交易量（TPS Transaction per second），降低交易成本，也就是扩容（Scalability）是首要任务。

然而区块链技术面临着“不可能三角难题”，即一个区块链技术无法同时达到“高效低能”、“去中心化”、以及“安全”这三个要求。不同的区块链设计都是在保全两个牺牲另外一个。 比如为了实现更高的TPS，BSC和Solana只有几十几百个节点，牺牲了去中心化的理念，而Multichain Ecosystems则牺牲了安全性，因为很可能其中一条链被黑客攻击，进而影响整个生态

为了能降低对去中心化理念和安全性能的损失，创始人Vitalik2015年提出了从工作量证明机制向权益之证明共识机制（PoS）转变的计划，POS机制可以支持分片技术（Sharding），也就是将区块链切分成多个Shard chain,并行运算，进而一个区块接着一个区块地运行，从而提高以太坊的每秒交易量。整体的实现路径是 PoW to PoS (phase 0：The Merge) → data sharding (phase 1) → execution sharding (phase 2)

相比于工作量证明机中是验证者需要购买运算设备（GPU和Asic芯片）运行大量运算得出随机数来获取记账权，在权益证明机制中，用户想成为验证者参与挖矿，只需要向存款合约存入一定数量的代币（比如ETH 2.0中规定最低32个ETH）并运行三种独立的软件：执行客户端、共识客户端和验证者。

以太坊网络会每隔一段时间随机选择一位验证者作为区块创建者，所创建的区块会发送给网络上的其他节点接受随机选择的一个验证者委员会的验证，通过他们的投票确定所提议区块的有效性，没问题即可获得出块奖励，如果验证者有失信行为或者消极怠工，比如没有在线，那么可以惩罚（Slashing）销毁抵押品

这种权益值证明的经济学原理是对于不当行为的惩罚远大于对正当行为的奖励。Vitalik在Why Proof of Stake (Nov 2020)这篇文章中，列举了攻击工作量证明和权益之证明机制网络的经济成本，想要获得一天1美元的奖励，大概对GPU-based POW来说大概是$0.26/小时（6个小时共计）如果攻击者的到处块奖励了，那就没有成本了，对于ASIC-based POW来说，大概成本是一次性支付两年的芯片费用、电费、运营费共$486,75。然而对于权益值证明来说，如果回报率在15%，那么为了每天一美元的回报，攻击成本在$2189。

除了提高可扩展性之外，Proof of Stake也更加去中心化：有人觉得PoS证明这种质押代币换取权益的方式更加的中心化。其实不然，PoW中购买矿机和芯片也需要花钱，同样是越有钱的组织能拥有更多的算力，而且自从有了Asic芯片后，高昂的价格让挖矿的门槛更高了。PoS则不然，无论有多少钱都可以去质押。而且，相比于GPU挖矿和ASIC挖矿需要大量的电力消耗、昂贵的应建安成本和庞大的运营空间，PoS只要有一台普通的电脑就可以做节点验证，更不容易被审查到，反倒更加去中心化了。

肖臻老师在《区块链技术与应用》公开课中提到过，像BTC、ETH这种大规模的区块链，对其发起51%攻击需要的资金成本，使攻击变得不可能，但对于小规模的区块链，PoS的好处就是，攻击者如果要攻击这条链，首先要买51%的代币，像是传统金融里的恶意收购，让社区变得更富有。

目前以太坊2.0已经实现了Phase 0 The Merge，于2020年启动了信标链（Beacon Chain）搭建共识机制。信标链用于在质押人开始验证真实的以太坊交易之前管理和协调以太坊质押人网络, 每个分片链都会将信息传递给信标链，并将由一个专门的虚拟机和执行环境启用，称为eWASM（就是将不同的编程语言都compile成ETH的语言）。这样， ETH就不单单仅支持Solidity语言，而是兼容所有编程语言和运行环境，像图灵完备更近一步。

接下来的任务就是将POS和分片技术逐渐应用到执行交易层。以太坊2.0具体实现的过程要比想象中困难很多，以太坊基金会研究员Justin Drake曾比喻以太坊The Merge事件为「在一辆汽车全速奔驰的同时，一边更换车辆引擎」。

这期间就出现了以太坊二层（Layer2）这种解决方案，以减少基础层（根链）负担的方式来处理数据，通过将主链的部分数据处理转移到 Layer2 上，从而增强整个区块链网络的可扩展性。在众多解决方案中，最被看好的是Rollup，也诞生了很多热门公链，比如Polygon、Avalanche等，在以太坊像POS过渡的过程中，Layer2也有存在的必要，下一期我们就来讲讲Layer 2的项目和存在的价值。