作者| BitMEX 研究
摘要：在本文中，我们重点关注以太坊2.0，该版本最早将于2020 年7 月推出（如果没有其他原因延迟）。然而，以太坊2.0的推出可能并不被认为是一个极其重大的事件。最初，以太坊2.0 将主要作为新的权益证明共识机制（PoS）的测试网络来运行。大多数经济活动和智能合约仍将保留在原有的以太坊网络上，原有的以太坊网络将作为以太坊2.0的平行链继续存在。之前版本和之后版本之间会存在单向通道，即以太坊1.0 可以转移到以太坊2.0，但反之则不行。鉴于以太坊目前决定通过分片进行扩容，我们相信以太坊肯定会经历一个复杂而漫长的过渡期。
摘要以太坊正试图将其整个数字经济转移到一个新网络，——以太坊2.0。这种转变风险高、复杂、耗时长。我们认为，推出以太坊2.0 版本的主要动机是可扩展性。事实证明，以太坊网络自推出以来就很受欢迎，其网络上的交易量显着增长。为了让这种增长继续下去，全节点运营商和共识经纪人（无论是PoW 还是PoS）将需要运行越来越强大的计算机（这再次意味着相关成本将更加昂贵）。这最终将导致中心化程度的提高，这可能会降低系统的审查阻力，如果继续下去，最终会使网络变得毫无意义。面对这个问题，比特币（BTC）选择了链下扩容解决方案（例如闪电网络），而比特币现金（BCH）似乎更愿意假装这个问题不存在（至少在某种程度上）。但对于以太坊来说，解决这一困境的办法正变得越来越明确：——分片。
分片的核心问题在于，它意味着以太坊经济模式的改变。例如，如果以太坊是一台不可阻挡的单世界计算机，将其分成多个分片（多台计算机）可能无法满足所有用户的期望。如果分片1 上的智能合约想要与分片2 上的智能合约进行交互，由于分片需要就一系列事件达成共识并共享信息，这个过程会存在很大的摩擦，至少在体验上与在同一个分片上的两个合约进行交互相比会有所不同，因此在某种程度上，以太坊2.0的推出将逐渐拆除之前所谓“单一世界计算机”的愿景。有人认为以太坊和分片是对立的概念。但其他人认为，以太坊网络可能正在进入某些利基案例，在这些案例中，如果不同类型的用户对不同类型的应用程序感兴趣，那么他们之间几乎没有互动。在以太坊网络上，分片可能具有一定的意义。它可以保证不同细分用户共享相同的底层以太坊代币，同时提高整个网络的灵活性。
事实上，分片代表了以太坊运行方式的根本性变化，这解释了为什么向分片的过渡实际上比人们想象的更具破坏性的变化。现有的智能合约不能简单地转移到分片网络中。新的以太坊网络意味着原网络的智能合约也需要重新构建以适应新的环境。这个转变将是一个漫长而痛苦的过程。在以太坊2.0的初始阶段，它将作为一条平行链与以太坊1.0共存，并且在未来的某个时刻这两条链将重新合二为一。
以太坊在推出之前，其实就计划使用PoS而不是PoW作为共识机制。并且由于从PoS 到PoW 的过渡比预期更加困难（与分片相同），因此其时间表被推迟。随着以太坊过渡到新网络，以此为契机同时推出PoS 是有意义的。以太坊虚拟机将升级至新版本。此次升级将使以太坊的相关技术和监控经验向前推进5年以上。
过渡期的三个阶段如下图所示。向以太坊2.0的过渡将分三个阶段进行：
单向通道
以太坊2.0推出后，将有两个以太坊网络并行运行（以太坊1.0和以太坊2.0）。最初，我们可以将以太坊1.0（以下简称Eth1）上的代币兑换成以太坊2.0（Eth2）上的代币，但相反的操作并不可行。因此，理论上，Eth2的交易价格应该小于或等于Eth1的价格。然而，在过渡的早期阶段，Eth2 甚至不太可能有价格，也不太可能得到交易所的支持，因为该币可能无法用于质押以外的其他用途，甚至基本的交易活动也无法进行。
如果要将Eth1转换为Eth2，用户必须使用Eth1上的存款合约。这份合约本质上会销毁Eth1，而这种销毁将作为发行新Eth2的基础。因此，Eth1 基本上永远被销毁了（尽管可能可以通过硬分叉协议更改来恢复Eth1 链上的代币）。转换为Eth2 的代币将自动进入PoS 验证器池。正如我们在2018 年关于PoS 的文章中所解释的，PoS 背后的想法是，共识代理的投票和奖励的权重由用户存入的代币数量决定。在Eth2 规范中，每个质押代理需要32 ETH。如果发送到合约的ETH 超过32 个，质押者将无法从这些额外的代币中受益。如果发送的ETH 少于32 个，质押者将不会激活手中的Eth2。因此，如果你想将Eth1转换为Eth2，你应该批量发送32个ETH。每一批ETH 都可以被视为一个独立的质押代理。
代币发行如上所述，以太坊网络将同时存在两个并行系统。原来的以太坊将继续作为PoW 链运行，而以太坊2.0 将在新的PoS 系统下运行。在此期间，共识代理双方——矿工和股东——都需要激励。因此，以太坊的通货膨胀率将会增加，直到两个系统最终合并。目前这可能被认为是一个缺陷，但为了确保成功过渡到以太坊2.0，这是值得付出的代价。至于Eth2的通胀计划，其发行率将取决于参与质押的Eth2的发行量。年度发行计划将基于以下算法：
上式中，Eth2是转入PoS的代币数量。该公式背后的想法是，Eth1 转移到Eth2 的数量越多，就会发行更多的新币，但是，可用的投资回报率会降低，因为质押的币越多，可用的投资回报率就会下降。我们可以在下图中看到通货膨胀率的演变。
（来源：BitMEX 研究）
（注：启动信标链至少需要16000Eth2）
（来源：BitMEX 研究）
上述发行时间表是基于激励措施的，激励措施应确保有很大的激励将代币转移到Eth2 并进行初始质押。这种转移的激励会越来越低，因为如果Eth2 已经非常成功，那么对Eth1 的需求就会减少。这样可以保证有足够的代币转移到Eth2，这样新网络就会很大，而且如果Eth2确实很受欢迎，发行的代币数量也不会太高。
当然，随着所有这些新币的发行，有人可能会问这种机制如何与以太坊最初的“永久线性通胀”计划相匹配？
“永久线性供应增长模型降低了BTC 等财富集中在某些人身上的风险，让生活在现在和未来的个人有公平的机会获得数字货币，同时也防止ETH 因‘供应增长率’而贬值” ’随着时间的推移，仍然趋向于零。”
（来源：以太坊白皮书）
还有一些潜在因素可能会降低潜在的通胀率上升：
在第一阶段，费用系统预计将涵盖两个要素，基本费用（代币被销毁）和溢价费用（作为对质押者的奖励）。这些烧毁的代币将降低通货膨胀率。
如果验证者未能参与验证过程，例如由于节点崩溃或与网络断开连接，则质押奖励将会下降。
验证者行为不当将受到惩罚，这些代币将被销毁。
上述机制将导致Eth2的破坏来抑制通胀上升的影响。但各个因素的抑制程度很难预测，因此Eth2的发行速度存在很大的不确定性。
值得一提的是，我们不确定被销毁的任何部分交易费用的有效性。从经济角度来看，共识代理和用户的利益是一致的，用户需要向共识代理支付一定的服务费。如果共识代理的资金完全来自用户支付的费用而不是区块奖励，那么双方之间发生冲突的可能性就较小。与此同时，与将其交给费用市场相比，试图任意决定正确的奖励计划可能会导致效率低下。当然，BTC此时还没有成功，区块奖励依然可观。至于以太坊，从长远来看，将所有交易费用都交给验证者可能更具可持续性，作为减少通货膨胀计划以抵消其影响的一种方式。毕竟，验证器只是为了保护用户活动（如果用户不做任何事情，他们就不需要安全性），这可能会使安全性和通胀之间的艰难权衡变得更加容易。
双链合并我们认为，原始以太坊与以太坊2.0合并的最终计划的实施可能还需要几年的时间。这可以通过将原始以太坊变成以太坊2.0 中的分片来实现。这将允许代币在分片之间双向传输，直到两个代币最终合并。根据计划，当前在原始以太坊上发生的大多数活动现在可以在以太坊分片内继续进行。
下一步可能是纳入共识机制。以太坊2.0中原有的以太坊分片可以逐步过渡到PoS机制。一开始PoW机制可以存在，但是设定一定数量的区块后，比如每100个区块，就可以通过PoS来决定区块的共识。 PoS会逐渐发展，直到取代PoW成为主流共识机制，但在这些PoS检查点仍然采用PoW。如果这种情况继续下去，最终PoW 及其区块奖励将被完全消除。这将为以太坊用户和投资者提供关于通胀计划的更多确定性。
网络提出的常量下表是我们认为以太坊2.0 规范中一些最重要和最有意义的常量。
（来源：BitMEX 研究、以太坊2.0 规范）
PoSPoS 的总体思路是根据累积的权益（即投票给最多币的链）来选择分叉规则。当然，我们还面临着如何构建投票过程的问题。以太坊2.0投票系统背后的核心原则与2018年以太坊提案中所述的没有改变，它仍然基于CasperFriendly Finalty Gadget的思想。不过，该系统基于CasperFriendly Finalty Gadget和Latest Message Drivent Greedy Heaviest Observed Subtree Fork选择规则（即CasperFFG LMD GHOST Fork选择规则）的结合进行了更新。
我们将通过将投票系统分解为各个组成部分来解释投票系统的基本机制。首先要考虑的是，我们有大量的质押者，每个质押者最多代表32 ETH（激活一个质押者需要32 ETH，这个数字可以低至16 ETH，直到停用）。这个池子并不直接对区块进行投票，而是被安排成各种投票委员会，其成员是从较大的池子中随机抽取的。
设立委员会的原因是，并不是每个staker都可以参与每个区块的投票，否则区块链将包含太多投票数据而无法扩容。委员会还帮助将投票数据汇总成可管理的块。因此，将随机选择一部分利益相关者来对这些委员会进行投票。 Eth2 规范将每个委员会的目标人数设定为128 人，这是理想的最低人数。我们认为区块选择实际上是有概率保证的。可以聚合签名签名投票以减少所需的块空间，确保网络可以扩展。
事实上，情况比上图所示的更为复杂。在第0 阶段，每个槽最多可以有64 个验证者委员会（而不是如上图所示只有一个）。因此，如果每个委员会有128 名成员，则每个epoch 最多可包含262,144 名质押者（约840 万ETH）。
每个质押代理人都被分配到一个委员会，质押者越多，委员会就越大。最大委员会规模为2048，大致相当于每个epoch 所使用的以太坊总供应量（64 个委员会* 32 ETH * 32 个插槽* 每个委员会2048 个质押者=1.342 亿个ETH），因此无论有多少人选择质押，并且委员会中总会有足够的空间。下图说明了委员会的数量和每个委员会的成员数量如何随着质押池中ETH 数量的变化而变化。它表明，随着质押池的增加，委员会的数量首先增加到64个，然后（当质押池约为840万ETH时），委员会的规模开始增加。
为了确定哪个区块拥有最多的票数，我们需要将所有委员会的票数相加。如果投票者表现良好，他们可以从新发行的以太坊池中获得奖励。另一方面，如果选民从事某些类型的恶意行为，他们将受到惩罚并失去部分权益。这些对恶意行为的惩罚旨在防止诸如选民投票支持两个冲突区块之类的事情发生。然而，在某些情况下，投票给冲突的区块可能是合法的，因此惩罚规则并不是直观意义上的惩罚规则，我们将在报告后面讨论这些规则。
敲定（Finalization）委员会成员在对某个区块进行投票时，不仅要对某个区块提案进行投票，还必须对某个历史检查点区块进行引用和投票。或者更准确地说，引用从一个检查点块到另一个检查点块（源检查点和目标检查点）的转换。正是这种机制有助于确保投票过程的有效和可信。因此，本质上存在两个PoS 投票过程（一个在另一个中）。下图显示了两种投票类型以及这些投票可以存储在哪个块中。
如果在某个阶段的所有委员会中，有一个建立在该模块之上的检查点模块，并且超过三分之二的委员会成员在投票中提到该检查点，则该模块被“确认”。这最早可以在一个纪元的三分之二内实现。下一阶段是最终确定阶段。当区块链中的一个区块包含两个已确认的区块时，该区块就被最终确定。因此，在大多数情况下（由于强大的沟通渠道，三分之二的投票阈值可以很快达到），用户需要等待大约1 个epoch（6.4 分钟）的时间来进行区块验证和最终确定2 个epoch（12.8 分钟）的时间。如下图所示。
惩罚条件如上所述，惩罚条件并没有明确规定。选民不能仅仅因为投票支持两个相互矛盾的区块而受到惩罚。因此，选民可以受到三种情况的惩罚。
可以判处处罚的条件：
区块生产者在其分配的时隙内提出两个相互冲突的区块提案。
生成两个投票，其中包含对相同高度的检查点块转换引用的冲突引用。
生成两个包含重叠检查点块块转换引用的投票。例如，引用从检查点块1 到检查点块4 的转换的投票，以及引用从检查点块2 到检查点块3 的转换的投票。人们可能会认为这个规则应该被替换为一个更明显的规则，块转换引用应该按顺序排列，但是，诚实的节点可能会在不按顺序投票的情况下错过检查点块。可能是合法的。此行为如下图所示。
PoS流程评估完成后，可以确定用户的交易不能被双花。然而，这些系统评估起来非常困难，评估收敛和定型的程度也非常困难。
投票委员会、投票委员会索引、参考检查点区块转换以及等待两个纪元最终确定的整个过程可能是不必要的抽象。它只是将PoS 系统分解成不同的部分，增加复杂性，并混淆了安全模型的根本缺陷——公平问题。另一方面，也许将PoS 流程分解为这些子部分确实会增加网络的安全功能。权衡可能性，我们相信这些投票过程可能会在一定程度上提高安全性。投票过程的复杂性（例如在各轮投票期间的质押）确保将质押客户改变为任何利润最大化的非交易行为在某种程度上可能在技术上非常具有挑战性。提高安全性。但我们认为，这是否会让这个体系足够强大，能够长期生存和繁荣，这是一个真正的问题。然而，我们想在我们的审查和分析中指出，我们对该系统的理解是不完整的。
请注意，我们上面的描述只是此过程的基本概述。还有很多东西我们没有提到，还有很多遗漏以及系统的其他方面。例如，我们没有讨论进入或退出质押池、如何计算每个质押者的奖励和处罚、举报者如何举报不良行为、所有投票数据占用多少区块空间以及如何汇总和计算质押投票等问题。
分片在第一阶段，系统中添加了分片。原计划一开始有1024个分片，但现在已经减少到只有64个。信标链仍然被认为是主链或母链，只是现在它还包含了分片的链接。由于有64 个分片，因此信标链可以链接到64 个分片，假设在正常操作下每个信标块可以链接到每个分片。
这样一来，就有两种参考方法。分片链区块引用信标区块（使用信标区块的哈希值），信标区块可以引用信标链区块（这称为交叉链接）。某些信标块中可能缺少某些分片引用，但每个分片链块都必须链接到信标链。
（来源：BitMEX 研究）
（注：蓝色箭头代表区块的哈希值，每个区块必须包含哈希值。灰色箭头代表跨分片引用，该引用可能包含也可能不包含在信标块中。在信标块中。如果shard丢失，可以在下一个beacon块中包含引用，如图右侧所示）
值得注意的是，在第一阶段，分片系统和分片过程变得相互关联。从第0 阶段开始，每个槽的多个验证者委员会现在都映射到分片上。因此，每个分片都有自己的分层投票委员会，该委员会在每个提案者委员会期间都会发生变化。与信标链一样，委员会的一名成员被赋予在某个时间段内生成一个区块的任务，而其余的委员会成员则对每个提案进行投票。需要考虑的一个关键点是，当信标链通过交叉链接引用分片区块时，所有这些投票信息都包含在信标链中。
下图说明了质押者到分片链的可能分配方案。在第一阶段，质押代理被随机分配到信标链或特定的区块链。如果少于840 万个ETH，则没有足够的质押代理来充分服务所有分片，因此可能会出现一定程度的分片收缩。
因此，信标链的每个时隙只剩下一个验证者委员会。每个分片块都包含最新信标块的哈希值，并且。信标块可能包含来自分片（交叉链接）的所有投票数据。
因此，所有区块链上的投票和质押也可以用于主信标链分叉选择规则的计算和最终确定过程。 PoS 的工作原理与以前相同，只是信标链上的投票信息包含每个分片的投票信息，而不是委员会索引中包含的投票信息。
各个分片链内没有检查点区块，也没有证明或最终确定过程。相反，为了保证交易在一个区块内完成，必须等待信标链。一旦信标链中的相关区块最终确定，分片链上的用户就可以获得分片内交易的确定性。
因此，交叉连接具有三个功能：
使区块链委员会中的利益相关者投票计入主信标链上的投票，以及
验证分片链区块并使其最终确定。
至于所有其他形式的跨分片通信，例如跨分片转移ETH 或其他资产，据我们所知，其机制尚未完全解决。虽然这个主题可能要到第二阶段才会出现，但这可能是在可扩展性和可用性之间造成不完美折衷的另一个领域。人们甚至可能会说，这里的挑战是如此之大，以至于整个分片模型都受到了质疑。
分片结构为那些希望运行节点的人提供了灵活性。人们可以运行一个处理所有事情、信标链和每个分片的节点。人们也可以只运行信标链，其中包括一些分片区块的区块头。还有第三个选项，即运行一个验证信标链和选定的分片子集的节点。如果选择不运行节点来处理每个分片，那么就需要依靠其他人来检查这些分片中进程的真实性，但其想法是一些用户会选择验证这些分片，因此保证的程度概率非常高。
结论以太坊持有者喜欢尝试新的复杂系统，无论是The DAO、ICO、Maker 还是现在的DeFi。然而，以太坊社区的一些成员向我们表达了担忧，认为以太坊技术已经有5 年历史，可能已经落后。因此，以太坊2.0 满足了热衷于尝试新想法的社区的需求。因此，我们预测将会有相当多的资金流入以太坊2.0来赚取Stake奖励，这可能价值数十亿美元的ETH。
很多人问我们以太坊2.0的推出会对目前的ETH价格产生什么影响。当然，短期内，大量ETH 可能会被新区块链赚取奖励的能力所吸引，锁定在信标链内。一方面，这可能会限制市场上ETH 的供应，从而推高价格，另一方面，它可能会从其他被视为锁定的合约中吸引ETH。然而，真正的问题是以太坊是否会推动长期价值，而要做到这一点，不仅需要限制供应，而且需要有可持续的需求。
为了使以太坊2.0 网络取得成功，权益证明和分片系统需要发挥作用并具有足够的吸引力，以允许原始以太坊生态系统中具有经济意义的部分加入以太坊2.0。智能合约和DeFi 系统需要选择适合自己的分片，并投资升级技术以适应分片系统的复杂性和局限性。因此，以太坊生态系统的很大一部分需要很多年才能实现这一转变。以太坊2.0是一个非常雄心勃勃的项目，我们也认为，如果不经历重大挫折，它就不会成功。
在撰写这份报告时，有一件事真正引起了我们的注意：以太坊非常复杂。由于有如此多的委员会、分片和投票类型，如果你不小心，似乎可能会出现问题，甚至可能会出现进一步的延误。然而，尽管存在这些潜在问题，以太坊2.0 仍然值得尝试。如果成功，潜在的回报是巨大的。
BitMEX 研究作者紫明译
子明编辑
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