imToken Labs：以太坊 PoS 演进史

前言

大家好！今天我们要来探讨Ethereum以太坊的PoS演进史。以太坊为了提高区块链的效能以及更加地环保，不断推陈出新，让整个区块链世界产生了巨大的变革。随着技术的不断进步，以太坊也将开始向新的高度挑战。让我们一起来探讨这个让人感到振奋的演进过程！

因本文章有较深入的PoS介绍，建议已具备基础PoW知识的读者阅读。

2020年12月PoS信标链上线

为了将耗能的PoW升级至节能的PoS，以太坊在2020年12月1日时，上线了以PoS共识机制为主的以太坊信标链！

PoS名词解释

在PoS中，有些名词会和PoW稍微不同！

Block的概念改为Slot与Epoch。平均来说，每12秒会出一个Slot，而每32个Slot称为一个Epoch。

Difficulty改为SlotPrevRandao。

Miner改为Validator与负责出块的SlotProposer。

目前，若要成为Validator，需使用Validator私钥及Withdrawal私钥来建置不停机的验证节点，接着将带有以下指定Data32ETH的交易打到Deposit合约中：

pubkey：Validator公钥，链上唯一识别用

withdrawal_credentials：将Withdrawal公钥作SHA256后，将最左侧2位元由0x00替换而得

signature：由Validator私钥向(pubkey,withdrawal_credentials,deposit_amount)资料进行签名

动态 | 比特派钱包发布imtoken刷量事件的更新说明:8月27日，比特派钱包发布“imtoken刷量事件的更新说明”。说明中称，昨日我们的文章发布后，有用户留言说有可能是某CX项目崩盘之后又重新复活导致的数据增长。经我们从多方信息渠道进一步收集信息并进行分析，发现部分异常交易是有可能与该 CX 项目相关，由于单纯基于区块链上的数据无法区分CX还是刷量，因此我们认为还是要特别做一下更新说明。

另外，我们一直呼吁真开源，反对假数据，原因都在于希望假开源和数据造假行为不要对行业造成伤害，在这个过程中，如果真的判断错了，我们也会予以澄清，真是CX而没有刷量的话，我们也会为判断失误而道歉。如果判断是对的，我们也会坚持，比如的确就是“假开源”，那还是变不成真开源，我们仍然会继续要求大家不要用假开源来虚假宣传。[2019/8/27]

deposit_data_root：由上述pubkey、withdrawal_credentials、signature建立HashTree，并取得其HashTreeRoot而得

Slot与Epoch、Validator与Proposer

成为SlotProposer要做的事

在下一个Epoch到来前，每个Slot会透过Randao随机数指定1位Validator成为此Slot的Proposer，而他要完成2件事！

第1件事：建立区块，并让其他Validator进行验证及投票。

理想上，SlotProposer会在最新的区块后面，直接建置下一个区块，如同PoW时期以维持最长链原则。但实际上，可能会因P2P网络延迟、恶意节点尝试攻击等，导致SlotProposer未必能在最新的区块后面建置下一个区块，造成区块链分叉。这时，需请其他的Validator进行区块投票，得票高者即可成为下一个区块。若恶意节点故意在同一个Slot时段内建立2个区块，则会被施以严重的大幅削减处罚并退出网络。

Xcare E20代币将迁移至IMT星际云公有链:Xcare基于以太坊的E20代币、APP生态、数据存储将整体迁移到IMT星际云公有链，Xcare 切换到IMT公链完成后，Xcare官方会空投糖果给IMT社区。以后基于IMT星际云公有链合作的代币都会空投，同时IMT会做销毁。IMT同时也在加快超级矿机节点部署速度、优化TPS性能。[2018/5/2]

第2件事：提出一个随机数种子S，并公开Hash(S)结果。

因为少了过去PoW的算力竞争，但直接指定Proposer有违去中心化，所以需要一个由众多SlotProposer一同决定的Randao随机数，用来选定下一个Epoch的SlotProposer们

第1件与第2件事不断重复，使得区块链不断地产生新区块。

Slot的Validator数量推算

在说明每个区块及Epoch需要多少票数前，先进行目前Slot的Validator数量推算！

回顾一下：每12秒为一个Slot，而每32个Slot为1个Epoch。由Beaconscan网站可得知，目前撰文时全球总共约有512,000名以太坊Validator。

所以，每1个Epoch约会有512,000名Validator进行投票。平均下来，每1个Slot约会有512,000/32=16,000名Validator进行投票。

每个Validator要做的事

扣除负责出块的SlotProposer，剩下N-1的Validator需在每个Slot中完成Attestation工作，即向支持的区块及Epoch来进行投票！

imToken iOS体验版无法正常使用问题已经修复:今天上午，部分下载iOS体验版的用户出现无法使用钱包的现象，imToken发布公告称，用户下载最新版本的imToken便可以解决此问题，不过由于证书的不同，所以会在手机存在两个imToken应用，用户需通过助记词或Keystore重新导入钱包。[2018/3/22]

投票1：向支持的Epoch投票，支持的Epoch包含需同时选定TargetEpoch及SourceEpoch。

Target为Validator认同当下所在的EpochSource为Validator认同最近的Epoch若某个TargetEpoch结束，并得到超过2/3Validator的票数，则此Epoch标示为Justified，故最快要等上1Epoch=6.4分钟的时间。

承上，若此Target紧连的SourceEpoch也得到2/3票数，则此SourceEpoch标示为Finalized。因此，最快要等上2Epoch=12.8分钟的时间

EpochFinalized之前的区块规定不可再被更改

Justified与Finalized的Epoch判断方式

投票2：向支持的区块投票

可对过去1Epoch内的Slot区块进行投票。

如果Validator有以下行为会无法拿到奖励

投给旧的、错误的区块投票经常延迟或设备离线，但如果网络出现4个Epoch都没被Finalized的情况，则会有罚款如果Validator有以下行为会进行严重处罚，同个私钥同时存在两台不同机器上导致同一Epoch时间内有2次对区块的投票行为。将机器迁移时，没有将资料库也迁移，导致迁移的机器向同一区块重覆投票的行为如果被Slash处罚一次或因罚款导致余额低于16ETH，则会被强制踢出网络。从beaconcha统计数据可得知，自信标链上线以来被Slash总共有229名Validator，大多为非恶意的机器设置错误导致，约占整体Validator的0.045%。

imToken即将支持EOS 钱包映射:今日imToken官方发布消息称，imToken 即将支持 EOS 钱包映射。EOS 众筹将在北京时间 2018年6月2日 06:59:59 结束， 众筹结束后23小时内，以太坊上发行的 EOS 代币将停止转账，所以众筹结束之前，用户必须生成一个 EOS 钱包，并且将生成钱包的 EOS 公钥映射到以太坊区块链，以便在 EOS 主网启动之后，获得 EOS 主网代币。EOS 钱包映射需要调用智能合约，对于小白用户非常复杂，如果借助其他工具映射钱包，为了发送一笔特殊交易，导入 imToken 私钥到其他未知安全的平台，这中间存在很大的安全隐患。为了投资者的资产安全，imToken 将会在下一个版本 1.4.3 支持 EOS 映射，新版本预计在3月 24 日发布。[2018/3/14]

本节重点整理

PoS是由链上所质押的ETH作担保，来维持分散式共识，好处是：环保，且质押的ETH平均有4%年化报酬。

但此时要自建24小时不停机节点质押至少32ETH，门槛过高

对于仅有少量ETH却又想参与PoS网络的散户该怎办？所以，像是Lido等服务商，就有提供收取质押奖励的10%作为手续费，让散户进行小额质押。而且，更特别的是Lido还提供质押ETH兑换stETH代币，让散户可在二级市场进行stETH交易。

从Dune统计数据可得知，目前所有质押的ETH约占总供应量约14.66%

2022年9月PoS信标链与PoW以太坊完成合并

众所期待的PoS以太坊终于在2022年9月15日完成合并！此时，只能使用Validator进行质押挖矿，而使用显卡挖矿的矿工时代也真正地成为了过去！

imToken公告称联通线路钱包服务已恢复:imToken刚刚发布公告称：对于DDoS流量攻击，临时做了线路切变，现在可以正常使用钱包服务。但DDoS高防服务还在配置中，期间有可能出现短暂服务波动。[2018/1/26]

虽然，一般使用者仍可按照过去PoW使用方式进行ETH转帐或合约交易；但实际上经过TheMerge升级后，以太坊节点已拆分成ExecutionLayer执行层及ConsensusLayer共识层了

以太坊节点区分CL及EL层

在TheMerge后采用了PoS共识，虽然PoW机制被移除，但是PoW的ExcutionLayer却合并到BeaconChain中。

ExecutionLayer执行层仍与PoW时一样进行：

执行EVM虚拟机但是，当区块分叉时，取代PoW机制，会由CL层告知哪一个区块是HeadBlockConsensusLayer共识层就负责：

进行ProofofStake共识当区块分叉时，采LMD-GHOSTForkChoiceRule共识来决定

TheMerge升級前，ExecutionLayer的內容

完成TheMerge升级后，ExecutionLayer的内容与过去PoW时期相同

然而，对于执行以太坊节点的营运者，可以决定将CL节点、EL节点拆分建立，并使用元件所提供的EngineAPI来进行沟通。甚至可执行其中一个元件，另一个元件则与其他节点共用。

本节重点整理

TheMerge合并之后，将以PoS的取代PoW以太坊，无法使用显示卡挖矿。

但此时Validator们仍无法赎回已质押的以太币，所以才会有下一个重大的升级：上海硬分叉。

2023年第2季以太坊信标链进行上海硬分叉升级

以太坊PoS信标链于TheMerge后另一项重大的升级：上海硬分叉，终于让为数众多的的Validator开放让为数众多质押ETH的赎回申请，但考量到系统的稳定性，每个Epoch可退出的Validator或ETH数量是有限制的！

质押退出机制

关于欲将已质押的ETH赎回，除了您需等待2023年第2季上海硬分叉升级完成外，Validator还需将EL／CL节点升级、在CL节点上修改收益地址等前置作业，即可进行ETH赎回请求啦！分为2种形式：

关于前置作业细节可参考imToken先前发布的「上海升级，和你有关吗？」文章！

部份赎回

将超过32ETH的其他ETH给赎回因目前一个12秒的Slot最多只能有16次的部份赎回额度，以全网有512,000Validator来计算，平均每个Validiator要等4.44天才能收到ETH。全部赎回并退出Validator角色

因目前一个6.4分钟的Epoch只能退出6名Validator，所以会依照申请的顺序来进行全部赎回注：实际上，为避免一次大量Validator退出网络而导致安全性问题，所以每个Epoch可退出Validator数量会依照全网Validator总数来进行限制而以上无论是部份赎回，还是全部赎回，因为都在CL节点上广播请求，所以也均无需Gas费用

每个Epoch可退出Validator数量会依照全网Validator总数来进行限制

上线前需充分测试

另外，此次升级还需在各个测试网上进行充分测试，才会正式上线！

2023/02/07可提款的Zhejiang测试网上线2023/02/28进行Sepolia测试网的上海硬分叉升级2023/03进行Goerli测试网的上海硬分叉升级还有其他的提案

而且，这次升级除了EIP-4895是主要提案外，还会一同实现以下EIP提案：

EIP-3651预热COINBASE：启动「COINBASE」地址的预热功能，降低交易手续费消耗EIP-3855增加PUSH0指令：将常用的「常数0推送」操作变成一个指令，将可减少合约程式码大小EIP-3860限制和计价initcode：增加合约部署规范，避免部署程式码过大占用空间EIP-6049新增SELFDESTRUCT停用警告：更新SELFDESTRUCT指令的文件说明，警告使用者该指令未来将被停用未来，本专刊将会为重要的EIP提案来撰写文章进行说明。

本节重点整理

开放质押的ETH赎回，但基于安全理由，每个Epoc只能退出6个验证者（因此每天约有1,350个验证者or43,200ETH可退出。

若您刚好是以太坊信标链的Validator，强烈建议在上海升级前阅读「上海升级，和你有关吗？」文章，来了解这次上海升级时您一定要做的几件事情！

总结

综观整个PoS演进史，以太坊始终保持着为用户提供最优秀的使用体验和开发环境的初衷。PoW到PoS，不断的改变也带给了我们更加高效和环保的区块链世界。上海硬分叉升级将为以太坊带来更多的可能性；在未来，随着这一系列EIP提案的引入，Ethereum将越来越容易地融入日常生活中，并且让人们都可享受到区块链带来的安全性与方便性。让我们一起期待以太坊的更美好未来！

参考资料

中文以太坊SafeHead機制介紹https://medium.com/imtoken/safe-head-part-1-14071f14016bEth2.0的共識層和執行層分工及TheMerge影響https://medium.com/taipei-ethereum-meetup/eth-2-0-cl-el-separation-and-impact-of-the-merge-dbeb6828c907英文Blocknative-AStaker'sGuidetoEthereumSlashing&OtherPenaltieshttps://www.blocknative.com/blog/an-ethereum-stakers-guide-to-slashing-other-penaltiesETHWithdrawalsFAQhttps://notes.ethereum.org/@launchpad/withdrawals-faqHowdoestheNEWEthereumwork?https://www.preethikasireddy.com/post/how-does-the-new-ethereum-workProofofStakeRewardsandPenaltieshttps://ethereum.org/en/developers/docs/consensus-mechanisms/pos/rewards-and-penalties/

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