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科普 | 以太坊 2.0 的未来蓝图及挑战

以太坊爱好者2019-11-11 13:15:36

-Danny Ryan（来源: Crosslink 2019 Taiwan）-

十月底于台北矽谷会议中心举行的 Crosslink 2019 Taiwan ，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（Etherium Foundation, EF） 的核心研究员 Danny Ryan，会中分享了 以太坊 2.0 （Ethereum 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（Execution Environments, EE） 以及 双向桥接（Two-Way Bridge） 等议题。

一、以太坊2.0 的架构

-以太坊 2.0 架构（来源: Crosslink 2019 Taiwan）-

第零阶段（Phase 0）

在 以太坊 1.0 （Ethereum 1.0） 中，使用 工作证明（Proof of Work, PoW） 作为 共识机制（Consensus） ，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（ Proof of Stake , PoS） 作为产生新区块的共识机制。

第零阶段会建立 信标链（Beacon Chain） ，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（目前所使用的 PoW 主链）以及以太坊 2.0 链（新的信标链）。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（Phase 1）

第一阶段会加入 分片链（Shard Chains） ，在这个阶段主要专注于分片链的数据结构，以及其有效性（Validity）和共识性（Consensus），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（State Execution）或帐户余额（Account Balances）。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（Block），当作没有结构或意义的位元集合（Collections Of Bits）。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。

这个阶段分片链会与信标链 交联（Crosslinks） ，每个分片的当前状态— “ 结合数据根（Combined Data Root） ”，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（Shard Block） 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（Committee） 的一组 签名（Signatures） ，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（Slot） 中的每个分片，随机选择 分片验证者（Shard Validators） ，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（Phase 2）

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（Ethereum flavored WebAssembly） 的虚拟机。它会支援帐户（Accounts）、合约（Contracts）、状态（State），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（例如 Truffle、Solc、Ganache）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 Layer 1 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（来源: Crosslink 2019 Taiwan）-

以太坊 2.0 原提案所运作的机制，是以每个 时期（Epoch） 为单位，来进行交联的动作，每个链上有 1024 个 片（Shards） ，当需要跨分链交易（Tx）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（Shards） 的数量为 32 个，来降低跨分片（ Cross-Shard）交易时的延迟时间，每个时段都进行跨分片交易。

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（Shards）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（Optimistic）解决方案，来实现跨分片交易手续费（Cross-Shard Transaction Fee）。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（Shards）， 就可以启动交易，可能会有更长的分片时段（12s），更大的 分片区块（Shard Block） ，目前更新到第零阶段，第零阶段测试网（Testnets）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（Shard Block），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（来源: Crosslink 2019 Taiwan）-

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。

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（Account Model） ，以及事先定义好的 操作码（Opcodes） ， 矿工机制（Gas Mechanisms） 和 状态根（State Root ） ，以太坊虚拟机（Ethereum Virtual Machine, EVM）就是一种特定的执行环境。

如果遵循 EIP（Ethereum Improvement Proposals） 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（Gas Cost） 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 EVM 1.0 的执行环境，才能支援到他们的应用程式（DApp）。

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（Libra EE），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（BitCoin EE），这样就可以在以太坊 2.0 上运行比特币。

-以太坊 2.0 简易架构图（来源: Crosslink 2019 Taiwan）-

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 32 Bytes 的 Blob，上面有 WASM 的 执行码（Execution Code） ，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（Witnesses），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（Balance） 是确实可用的，在过程中，我们需要加入 见证数据（Witness Data） ，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（Merkle Witness Verifier） 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（Stateless Model）， 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 Layer 1 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。

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（来源: Crosslink 2019 Taiwan）-

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 Devcon 5 上，桥接的问题受到了广泛的讨论，原提案的 单向桥接（One-Way Bridge） 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（来源: Crosslink 2019 Taiwan）-

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（来源: Crosslink 2019 Taiwan）-

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（Light-Client） 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（来源: Crosslink 2019 Taiwan）-

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（Finality Gadget Proposal）”。

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 ZK Rollup 和 Optimistic Rollup。

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（Ethereum Improvement Proposals） ：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（时段） ：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（Boundary Slot） ，或称为 检查点 （C heckpoint ）。
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） ：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（Slot）为每个 片（Shards） 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（Ethereum Virtual Machine） ：EVM 中文为以太坊虚拟机，是一种轻量级的虚拟机环境，Eth 1.0 中智能合约的运行环境为 EVM。
Dapp（Decentralized App） ：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（Decentralized App）。
ether（以太币） ：以太坊的货币名称。
Finality（敲定性）： 「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（Rollback）的检查点的机制。
Libra： 脸书提出的加密货币，预计于 2020 年发行。
Merkle Tree： Merkle Tree 由计算机科学家 Ralph Merkle 所提出，中译为默克尔树，因为是由哈希函数形成的树。