科普 | 以太坊 2.0 的未来蓝图及挑战

-DannyRyan-

十月底于台北矽谷会议中心举行的?Crosslink2019Taiwan，吸引了来自世界各地的区块链爱好者们齐聚一堂。第一天的议程，邀请到了以太坊基金会的核心研究员DannyRyan，会中分享了以太坊2.0目前的研究方向以及遇到的挑战，演讲的内容主要包含了以太坊2.0的架构，新的分片提案，执行环境以及双向桥接等议题。

一、以太坊2.0的架构

-以太坊2.0架构-

第零阶段

在

以太坊1.0中，使用

工作证明作为

共识机制，并借此产生新的区块。为了要减少工作证明产生新区块时，所需要的大量算力，以及所花时间过长的问题，以太坊2.0将改为

权益证明作为产生新区块的共识机制。

第零阶段会建立信标链，信标链就是以太坊2.0系统层级的链，当从以太坊1.0移转到以太坊2.0时，信标链扮演着非常重要的角色，它是整个系统的基础。

一旦第零阶段完成，将会有两个使用中的以太坊链。以太坊1.0链以及以太坊2.0链。在这个阶段，使用者在1.0链把以太币锁到合约里以注册公钥，2.0链会承认合约内注册的公钥。但是，他们无法将该以太币迁移回去以太坊1.0链上面，为了要执行信标链，你会需要一个信标链的客户端。目前，许多团队正在开发这些客户端。

第一阶段

第一阶段会加入

分片链，在这个阶段主要专注于分片链的数据结构，以及其有效性和共识性，分片链在这阶段只当作数据链，并不会指定分片链状态执行或帐户余额。这比较像是对分片结构进行测试，而不是尝试利用分片来对信标链进行扩展。在这阶段，信标链会把分片链的区块，当作没有结构或意义的位元集合。以太坊1.0和以太坊2.0仍将同时存在，并且在以太坊2.0链上进行测试和迁移。

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这个阶段分片链会与信标链交联，每个分片的当前状态—“结合数据根”，会定期记录在“信标链”区块中，作为交联。信标链区块完成后，相应的分片区块将被视为已完成，其他分片知道它们可以依靠这些区块进行跨分片交易。

交联是委员会的一组签名，证明了分片链中的某个区块，可以包含在信标链中。交联是信标链“理解”分片链更新状态的主要方式。交联还用作异步跨分片通信的基础结构。

信标链在每个时段中的每个分片，随机选择分片验证者，分片验证者只是用来在每个区块的内容上达成一致，他们通过交联证明分片的内容和状态，分片中包含什么内容都没有关系，只要所有委员会都达成共识，并定期更新分片上的信标链即可。

第二阶段

第二阶段会将所有功能开始结合在一起，在第二阶段，会完成分片化，分片链从简单的数据容器过渡到结构化链状态，并将重新引入智能合约。每个分片将管理基于?

eWASM的虚拟机。它会支援帐户、合约、状态，以及Solidity中我们熟悉的其他抽象化，预计在第二阶段之前或第二阶段开发时，大家熟悉的工具需要转换成支持eWASM的版本，以太坊1.0及以太坊2.0可借由双向桥接来互通，会有可扩展的Layer1执行，借由无状态执行，来提高执行速度。

二、新的分片提案

-新的分片提案-

以太坊2.0原提案所运作的机制，是以每个时期为单位，来进行交联的动作，每个链上有1024个片，当需要跨分链交易时，由于是每个时期进行交联，会有较大的延迟时间；新提案更新为每个时段都进行交联的动作，并减少片的数量为32个，来降低跨分片交易时的延迟时间，每个时段都进行跨分片交易。

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新提案的优点

对于以太坊2.0新提案的优点，首先新提案的片数量由1024个降至32个，降低了运算的复杂度，因为跨分片时间，从一个epoch降到一个slot，时间缩短的好处，是给DApp开发者及使用者更好的体验。在原本以太坊2.0的设计中，需要复杂的手续费市场模型与乐观解决方案，来实现跨分片交易手续费。但新提案改变了执行环境的设计，使得原本的复杂模型可以被大幅简化。

新提案的交易

新提案只需要比之前的提案更少的

片，就可以启动交易，可能会有更长的分片时段，更大的

分片区块，目前更新到第零阶段，第零阶段测试网的测试，可能会有所延迟，新提案减少了第零阶段发布所需的时间。

目前的想法

希望能给开发者及使用者更好的体验，使用较大的分片区块，来改进数据可用性，以及要降低开发延迟和第零阶段发布所需花费的时间。

三、执行环境

-以太坊1.0简易架构图-

在之前设计的以太坊2.0和以太坊1.0中，状态在共识机制里，扮演着非常重要的角色，共识机制会随时去读写所有的状态，不管是执行的概念、交易的概念、帐户的概念、树状结构的概念、以及所有在数据结构中的概念，都深深地融入共识中。

人大附中物理老师李永乐科普拜占庭将军问题和区块链:5月14日，人大附中物理老师、科普视频网红李永乐在其公众号发布视频《拜占庭将军问题是什么？区块链如何防范恶意节点？》。李永乐老师在视频中对拜占庭将军问题和区块链进行了讲解，他表示，拜占庭将军问题本质上指的是，在分布式计算机网络中，如果存在故障和恶意节点，是否能够保持正常节点的网络一致性问题。在近40年的时间里，人们提出了许多方案解决这一问题，称为拜占庭容错法。例如兰波特自己提出了口头协议、书面协议法，后来有人提出了实用拜占庭容错PBFT算法，在2008年，中本聪发明比特币后，人们又设想了通过区块链的方法解决这一问题。区块链通过算力证明来保持账本的一致性，也就是必须计算数学题，才能得到记账的权力，其他人对这个记账结果进行验证，如果是对的，就认可你的结果。与拜占庭问题比起来，就增加了叛徒的成本。[2020/5/14]

上图是以太坊1.0的简易架构图，在图中我们可以看到共识机制及一条链，共识机制里包含了状态及一个执行引擎，状态里包含了状态树，在这里的执行引擎使用硬编码规则，里面包含了执行交易、帐户模型和帐户结构，我们可以看到图的右边有一条链，链上面有交易数据，在以太坊1.0中，我们会在交易数据上执行共识机制，去修改和更新状态。

执行环境是一个单独的虚拟机器，在以太坊1.0中，会有一个特定的帐户模型，以及事先定义好的操作码，矿工机制和状态根，以太坊虚拟机就是一种特定的执行环境。

如果遵循?EIP的建议，开发者总是在要求新的操作码，或着是更改矿工成本来支援他们的应用，像是Plasma和Zkrollup这样的例子有很多，这样就会需要修改EVM1.0的执行环境，才能支援到他们的应用程式。

但是在以太坊2.0的第二阶段中，我们可以支持多个执行环境。也可以有多个状态根，不同的帐户模型等。举个例子，你可以定义一个脸书币执行环境，以便在以太坊2.0上运行Libra。或者，您可以定义一个比特币执行环境，这样就可以在以太坊2.0上运行比特币。

声音 | 浪潮集团云南分公司总经理：云南区块链产业发展需从“科普”到“专精”不断深化:据昆明日报消息，浪潮集团云南分公司总经理郑昕表示，云南区块链产业发展需从“科普”到“专精”不断深化。下一步，浪潮将继续加大云南农业产业高质量发展体系建设力度，重点以普洱茶等云南优势产业为切入点，打造云南“绿色、有机农产品高地”的品牌形象，并在此基础上，开展基于区块链的供应链金融服务，解决中小企业贷款难、贷款贵问题。[2019/11/11]

-以太坊2.0简易架构图-

在以太坊2.0简易架构图中我们可以看到状态根，它可能是32Bytes的Blob，上面有WASM的执行码，可以在使用者层级中去做细部设定。图片右边有一个链，链上有一般的交易数据以及见证，见证实际上显示在数据库的区块中，你需要针对该状态而不是数据库执行该笔交易，而且还需要证明数据对于当前状态根是有效的。举个例子，如果我们要在帐户A和帐户B之间传递数值，假设从帐户A移动5以太币到帐户B，我们不能直接说帐户和余额是确实可用的，在过程中，我们需要加入见证数据，来证明两个帐户当前的状态，当执行码正在执行交易数据时，状态根可以修改和更新状态树。

执行环境并不是共识机制预先定义好的，他可以在使用者层级上去做新增，我们也可以把以太坊1.0复制一份到以太坊2.0的执行环境中，将现有的状态根放入EVM直译器，用默克尔见证验证器来当作他的执行码。

在原先的提案中，状态和共识息息相关，且执行帐户和共识中包含了状态树结构；而在新的提案中，执行环境为无状态模型，高度抽象化的，并且它的可扩展性，相较原先的提案高出非常多。

执行环境的优点

执行环境有许多优点，相较于旧系统，它也许可以更快地将产品推向市场，因为我们不必等到核心共识推出之后，才研究并发展这个概念，在Layer1会有更少的阻碍，它可以在各种应用上，使用具高扩展性及数据可用性的执行引擎，所以未来会长期使用这个核心基础层。

执行环境的设计完成，让以太坊1.0到以太坊2.0的迁移，有了更清楚的方向，使用执行环境比较不会有技术随时间迁移而过时的问题产生。

执行环境交易

对于执行环境交易，开发者及使用者可能会觉得太抽象，对什么是执行环境感到困惑，像是这一层加了什么？应该在这一层做什么？谁应该写执行环境？而且相关的开发规范会趋向更严格的形式。

声音 | 火星人朋友圈科普RAM:火星人在朋友圈发文称，“什么是RAM？简单来说就是EOS这个国家的土地，所有的经济行为都离不开土地。只要EOS的BP们能投票形成一个稳定的供给预期，并且不改变目前的Bancor算法，那么RAM后续的价格有可能会像北上广深的房价走势。房价下跌不行，房价过快上涨也不行，EOS的生态越来越像某国了，真有意思。”[2018/7/6]

虚拟机可能会有潜在的碎片化问题，进而影响到交易速度。

目前的想法

目前所有的研究都是正向发展的，还有充裕的时间，尝试并更好地了解设计空间，未来会多花一些时间，在建立更好的执行环境通讯机制上面。整体来说，现阶段的进度，对于未来是重要的里程碑。

四、双向桥接

最后一个主题，主要讨论开发双向桥接是否是值得的？团队可能可以在什么时间点，来去做双向桥接？

-单向桥接示意图-

讲者先前提过的提案中，以太坊2.0最初有一个单向桥接，所以你可以从以太坊1.0转换到以太坊2.0，但是最初的架构不允许回传，这主要是出于几个原因，这需要我们将以太坊1.0的发展与以太坊1.0和以太坊2.0的硬分叉紧密结合，并把两个系统置于互相影响的风险之中，因此团队认为以太坊2.0在发布且稳定之前，将两边紧密耦合是不明智的。

单向桥接的问题

月初在日本大阪举行的Devcon5上，桥接的问题受到了广泛的讨论，原提案的

单向桥接模式，会有验证者流动性的问题，而且更重要的是，它可能会引发以太坊1.0和以太坊2.0之间的可替代性问题，如果我们允许以太坊2.0上的流动性，那么某种形式的转移机制，就会在将以太坊1.0分叉到以太坊2.0之前，或着是在双向桥接之前产生，交易所中很可能会同时有两个币，团队和整个验证者社区都很担心这个问题，目前正在找寻减轻这个问题的方法。

另外也希望鼓励大家，在这些早期阶段进行验证，但是在早期阶段进行验证，肯定会有很高的风险，因为存在未知的锁定期，因此也希望找到方法减轻这种风险。

双向桥接

-双向桥接示意图-

双向桥接目前可能的路线有两条，一种是在以太坊1.0上面，建立以太坊2.0的轻节点；另一种是在以太坊1.0上运作以太坊2.0的全节点。

路线Ａ：在以太坊1.0上，建立以太坊2.0轻节点

-路径Ａ示意图-

这个路线需要在实际的EVM中支援?BLS-12–381，会花费很多开发时间，而且它只提供轻量客户端层级的安全性。当验证者在2.0链上产生提款交易的收据时，我们会拿到以太坊2.0的轻量客户端证明，一但收收据的区块在以太坊2.0上敲定了，你就可以在以太坊1.0的合约上提款。不过，这可能不是团队最终选择的路线。

路线Ｂ：在以太坊1.0上，运行以太坊2.0的全节点

-路径Ｂ示意图-

第二种路线，会在以太坊1.0的节点上，运行以太坊2.0的全节点，这个路线允许我们使用敲定性机制，因此，我们不仅可以使用这种机制，来促进以太坊1.0和以太坊2.0之间的转移，我们也可以利用验证者的安全性，来保护以太坊1.0链，我认为大家对此感到非常兴奋，这通常被称为“敲定性小工具提案”。

但是还是需要一种机制，去输出以太坊2.0状态根在以太坊1.0上，所以有一些以太坊2.0社群的讨论，在研究如何实作它，可能会包含矿工机制。

输出以太坊2.0状态根的另一个优势，是以太坊1.0有稳固的机制可以实现它，以及同时拥有以太坊2.0的高扩展性及数据可用性，可以做一些有趣的应用，像是ZKRollup和OptimisticRollup。

双向桥接的优点

如果你在交易所中，列出以太坊1.0以太币和以太坊2.0以太币，它们的价格应该一样。如果不一样，你可以用较低的价格买一个以太币，把他发送到桥上，然后以较高的价格获得另一种以太币，并把它出售。这种套利会使它们的价格保持不变，这样会让用户，验证者和开发人员感到困惑，双向桥接可以防止两边的货币借由套利的形式，来互相转换。

双向桥接的交易

但是还是有一些权衡在这里，尽管对以太坊2.0的设计非常有信心，团队还是希望在影响到以太坊1.0的安全性和风险状况之前，先在生产环境中得到验证。

双向桥接是一种紧密耦合的共识机制，对于两边链的攻击及产生的问题，都会影响到另一边的链，协定的开发势必会非常烦琐，我们需要考虑到每个协定的安全性，如果我们越早开发协议，那么我们实际上的进度就越少，当每个障碍随着时间发展，它们就会相互阻碍，这让以太坊1.0在这一点上的开发速度比以太坊2.0慢得多，因为实际用户群存在很多担忧，并且需要大量的协调，才能在我们的生产网络上获得硬分叉。

所以，如果我们越早将这些东西连在一起，就可能会减慢以太坊2.0的开发和分叉周期，并且这增加了一些额外的开销，换句话说，验证我们可以链接客户端的开销是相对的。

目前的想法

我们应该会在加入验证者流动性之前启用桥梁，但是会等到第一阶段的产品稳定之后再开放；同样的，有很多相关的研究都在同时进行，这可能会影响到，何时完成这个操作。

名词解释：

EIP：EIP是以太坊平台的标准，其内容包含了核心协议的规范，客户端API以及合约标准。

epoch：在以太坊2.0中，epoch指的是时长6.4分钟的时间单位，每个epoch包含32个slots。

Slot：每个时段为12秒，不一定每个时段都能产生区块，而epoch中最后一个slot称为边界时段，或称为检查点?。

Solidity：Solidity是一种合约导向的语言，主要用来开发智能合约。

Consensus：共识机制是区块链为了在各节点间达成共识，所开发的演算法。

Validator验证者：验证区块的节点，由信标链在每个时段为每个片随机产生。

Gas：交易所需的费用，当Gas消耗完时，智能合约会终止并进行Rollback。

EVM：EVM中文为以太坊虚拟机，是一种轻量级的虚拟机环境，Eth1.0中智能合约的运行环境为EVM。

Dapp：在以太坊中，基于智能合约的应用都称为去中心化的应用程序，即Dapp。

ether：以太坊的货币名称。

Finality：「敲定性」是Casper中的概念，是一种透过验证者投票，在链上产生不可回朔的检查点的机制。

Libra：脸书提出的加密货币，预计于2020年发行。

MerkleTree：?MerkleTree由计算机科学家RalphMerkle所提出，中译为默克尔树，因为是由哈希函数形成的树。

参考:?

EthereumImprovementProposals

参考:?Two-waybridgesbetweeneth1andeth2

参考:?Ethereum2.0Phases

参考:?ethfans

参考:?eth2quickupdate

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

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

本文首发于TaipeiEthereumMeetup的Medium站，EthFans经授权转载，为符合大陆读者的习惯，进行了简繁转换并将部分术语改为习惯用法。

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