近期，以太坊开发者Marius van der Wijden在社交平台上表示，目前正在以太坊上测试PoS机制，并将进行首次主网影子分叉。这意味着以太坊“合并”的即将到来，“合并”是以太坊2.0可扩展蓝图上的一个关键里程碑，届时以太坊整个网络将过渡为PoS共识机制。

另外，以太坊2.0核心开发者dapplion在其社交账号上表示，本周六将再次进行以太坊主网影子分叉测试。

伴随着“合并”临近，以太坊2.0的脚步也更进了一程。其力图在不牺牲去中心化原则的前提下使应用区块链变得更快速、更便宜，具体的方案和进程再次成为大家热切关注的话题。那么以太坊2.0到底是什么方案？包含哪些升级？目前进展如何？它的到来，又会为行业发展造成哪些影响呢？欧易研究院将从以太坊2.0技术进展、以太坊2.0方案、展望和风险三个部分对以太坊2.0展开详细讲解。

注：为迎接合并的到来，以太坊基金会此前宣布，以太坊在升级协议的同时也面临着定位的转变，在2021年底，核心开发人员已经停止使用Eth1.0、Eth2.0术语，分别使用“执行层”和“共识层”来替代。 但改名未影响以太坊的既定的升级路线，因以太坊2.0称谓已深入人心，本文仍将沿用“以太坊 2.0”这一名称。

一、以太坊2.0技术进展

以太坊成立至今牢牢占据第一公链的位置，拥有着全球最大的开发者社群，DAPP数量将其他公链远远甩在身后。但是即便是这样首屈一指的地位，也并不意味着就可以高枕无忧了。定位于“世界计算机”的以太坊，目前每秒只能处理大约20笔交易，甚至难以支持一个普通规模的商业应用，频频发生的拥堵事件导致的高gas费和等待打包交易更是让用户的体验变得很差，这在很大程度上限制了以太坊的发展。

以太坊2.0便是解决当前以太坊的网络性能瓶颈的既定规划，致力于在不降低去中心化的前提下大幅提升以太坊网络上的扩展性与性能，从而更好的承载去中心化应用，促进行业应用爆发。

以太坊的目标是成为分布式金融和智能合约执行平台，成为“一台真正的世界计算机”。为了实现世界计算机的目标，其在2014年诞生之初，就设定了4个发展阶段：分别是Frontier (前沿)、Homestead (家园)、Metropolis (大都会)、Serenity (宁静)。前三个阶段都是采用PoW模式，第四个阶段“宁静”则是以太坊的最终形态，也就是我们常说的以太坊2.0。

目前为止，以太坊的前三个阶段都已经完成，正在进行第四阶段的开发工作，这期间将完成从 PoW 到 PoS 的转化，以及分片、由eWASM代替EVM等重要升级，升级完成后以太坊的性能将会大大提升。

截至4月12日，信标链运行平稳。链上数据显示，信标链已拥有34.13万个节点，累计质押总额约1090.46万Eth，其中有效投票参与率达99.84%。自2021年10月15日至今，节点数量和质押总额稳步增长，每日验证者收入也在缓慢增长中。

接下来，以太坊计划于2022年第二季度进行“合并”。将会把共识层（PoS信标链）与执行层（PoW原链）合并，并停止原链的 PoW 部分，这次升级代表着以太坊正式切换到PoS共识。

□ 值得注意的是，本次合并将停止原链的 PoW 验证，且不会解锁此前质押到信标链的 ETH，解锁将在合并后的第一次硬分叉中进行。这意味解锁前既没有 PoS 增发的 ETH 能够释放流通，也停止了通过PoW 方式增发的途径，以太坊进入更强的通缩。此外，本次合并只是以太坊共识的改变，并不能实现性能的提升，因此GAS费并不会因为这次升级产生变化，需要等到之后升级中引入分片才能切实提升以太坊的可扩展性。

二、以太坊2.0方案

以太坊2.0方案模型图中从上至下分别为：

1.PoW Main Chain是原以太坊主网。在以太坊2.0中，它将会作为信标链的一个分片继续运行。

2.Beacon Chain是信标链，它是整个以太坊2.0系统的中枢部分。通过Casper共识协调管理所有独立并行的分片链，负责为分片链随机分配验证者，对整个系统的安全性起到至关重要的作用。通过交联作为各分片的锚定点以实现跨分片通信，并追踪每条分片当前的状态，为以太坊提供最终确定性保证。

3.Shard Chains是分片链，以太坊2.0是可扩展性的来源，目前规划是建立 64条分片链，每一个分片都有一组验证者委员会负责对区块进行打包和验证。它能在没有提高节点硬件要求且没降低去中心化程度的情况下，实现网络性能和容量的大幅提升。

4.VM层是虚拟机，它是智能合约运行的基础环境，驱动着整个以太坊的运转。以太坊2.0将以eWASM 将替代当前的 EVM，这会提升智能合约的兼容性和执行效率。因为相比于EVM，eWASM具有更好的性能以及更好的扩展性，可以支持Solidity，C++，Rust，AssemblyScript等编程语言，开发合约会更容易。此外，eWASM 也与当前的Web标准兼容，因而更容易在普通浏览器中运行，用户无需扩展程序即可访问 dApp。

区块链有一个著名的不可能三角问题，即区块链系统无法同时在可扩展性、安全性、和去中心化程度这三项指标上做到最优，需要在这三者之间做一个取舍进行优化权衡。即使如BCH对区块大小进行扩容，效率提升的作用也很有限，EOS通过DPoS共识牺牲去中心化来保证性能，但随之引来人们对安全的问题担忧。种种解决方案并不能完美解决不可能三角问题，目前公链无论是在扩展性、交易效率还是安全性能等多个方面都无法满足实际商业应用的需求。

分片是区块链扩容最佳方案，它能在没有提高节点硬件要求且没降低去中心化程度的情况下，实现网络性能和容量的大幅提升。物理空间上，分片是将公链网络中的所有节点划分为不同的分组，每一个分组叫做一个分片。原本公链中所有节点都要执行同样计算，在所有节点比对结果一致后写入区块数据中，整个网络严重受制于网络中单个节点所能处理任务的上限。现在将区块里的任务分组后分配给不同的分片处理，单个分片内的节点仅需承担全网的部分工作。假设分片数为n，则每个节点需要承担的工作量为全网工作量的1/n。于是各个分片可以并行工作，从而提升整个网络的承载能力。同理，全网容量也将变为原来的n倍。

PoW机制下，成为验证节点的门槛较高，需要昂贵的专业矿机产生足够的算力来和同行竞争。采用PoS机制，以太坊可以有效降低验证节点的准入门槛。任何用户质押32枚Eth即有机会进入验证者委员会，这由信标链随机算法选出区块验证者和区块提议者，不需要比拼算力。其中区块提议者打包交易提议新区块，另外的区块验证者检验新区块，最终协作完成出块过程，对比PoW共识节点的工作大大简化。

如此一来，以太坊网络节点对硬件设备的要求大大降低，支持更多用户参与。而参与验证的节点越多，以太坊网络也更加去中心化和分散，面临攻击时将会更加安全，同时也解决了PoW需要大量算力造成资源浪费的问题。

分片和PoS共识机制的引入，为以太坊增加了新的安全性的挑战。比如由分片导致的单分片51%攻击问题、分片间双花攻击问题，以及PoS共识机制导致的无利害攻击问题、长程攻击、简单攻击问题。以太坊通过信标链和共识机制Casper 来弥合这两类风险，解决安全性问题。

与普通区块链不同，信标链是以Slot 和 Epoch而不是 “区块”作为基本时间单位的。

Slot（时隙）:未来在以太坊中每一个分片都有一个验证区块的验证者委员会，验证者委员会完成一次区块确认的时间（当前为12秒），分为区块提议和区块验证两个步骤。如果验证者委员会内部能达成共识，该Slot便能成功产生一个区块，否则该 Slot 就无法出块，形成了一个 “跳过” 的 Slot，所以链上的出块速度并不确定。

Epoch（时段）：多个Slot（当前为 32 个）组合而成的时间段，为6.4分钟。验证者委员会的节点们会在每个Epoch后被洗牌重新分配，它们的奖惩金额也是在每个Epoch结束后进行确定。 Epoch 中最后一个 Slot 称为Checkpoint（检查点）。

(Slot 和 Epoch图示，图片来源于《区块的产出和确认》)

验证节点。节点们每成功打包一个区块，就会获得一个与他们所持有的Token成比例的以太坊系统奖励。节点负责出块、验证区块，还需要一直在线以完成系统分配给它们的任务。如果大多数验证者拒绝他们所建立的区块，节点将面临失去抵押token的风险；如果验证者没有履行对区块投票的责任，他们质押的Eth也会被罚没；如果验证节点的余额减小到验证阈值以下，则将被踢出验证节点池，无法继续参与验证工作。因此，Casper迫使验证者诚实行事，并通过奖惩制度遵守共识规则。

三、展望和风险

以太坊2.0开发难度较大，虽然以太坊的框架已经确定了下来，但很多细节还在持续讨论和修改中，存在落地风险。由架构图可以看出，完成以太坊2.0需要有几个大的技术创新，实现智能合约分片与状态分片本身就有极高设计与开发难度，除此之外还需要考虑与原链的过渡与兼容，更进一步的增加了实现难度。以太坊作为一个发展几年的平台，代码结构已经变得非常复杂，底层重则修改难，对于原有架构的修改牵一发则动全身，需要考虑很多因素。

许多公链致力于解决以太坊当前面临的扩展与性能问题，他们大都会在智能合约层兼容以太坊代码，可以最快速、最方便的让开发者能转移到自己的公链上来，所以以太坊面临的竞争压力是非常大的，如果以太坊不能及时的完成升级，将会给其他公有链超越的机会。高性能公链赛道里，Solana、Avalanche和Terra等公链激烈角逐，地址数量迅猛增长，留给以太坊2.0的时间是紧迫的。