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以太坊立足比特币创新之上于 2015 年启动两者之间有一些显著不同。
比特币就仅仅是比特币以太坊包括以太币以太币才是和比特币对等的存在。以太坊是可编程的所以你可以在以太坊网络上构建和部署去中心化应用程序。比特币使我们能够互通基本信息了解我们认为有价值的东西。在没有权威的情况确定价值就已经很强大了。以太坊则更进一步不仅可以互通信息用户还能编写任何常规程序或合约。可以创建和达成共识的合约种类没有限制因此以太坊网络上时常出现重大创新。
比特币只是一个支付网络而以太坊更像是一个金融服务、游戏、社交网络和其他应用程序的市场。
迈向 ETH2 以太坊网络同时存在主链和信标链 ETH2 的一部分现在作为共识层。
随着以太坊网络的增长原有架构已经难以支撑日益增长的交易量和复杂的应用场景。为了应对这些问题以太坊社区启动了以太坊 2.0 项目即 ETH2旨在通过一系列的技术革新提升整个网络的性能。
在2020年底以太坊推出了信标链这是以太坊向权益证明PoS 转换的第一步。 这个新的链与原有的工作量证明PoW主链并行运行。在合并之前信标链主要负责处理以太坊网络未来的 PoS 机制并且逐步地将接管整个网络的共识机制。
“合并”是指以太坊的 PoW 共识机制向 PoS 机制的转变这一过程发生在2022年9月。合并后以太坊的共识层即之前的信标链和执行层即之前的以太坊主网相结合形成了一个更加节能高效的区块链网络。
在原有的 PoW 区块链转变为 PoS 区块链的过程中引入了一个名为“信标链”的新组件它是 ETH2 的核心部分负责协调整个网络并向 PoS 机制过渡、管理验证者的集合、分配奖励和惩罚并协调未来的分片链Shard Chains。
信标链是一个由“空”区块组成的链。在以太坊上停止 PoW 并启动 PoS 时需要先让信标链接受来自执行客户端的交易数据将它们打包到区块再将区块组织到一条运行 PoS 共识机制的区块链上。 与此同时原有的以太坊客户端停止挖矿、区块传播及旧的共识逻辑并将这一切转交给信标链。 这一事件称为合并。
在合并发生后就不再有两个区块链。 相反只有一个 PoS 以太坊与 PoW 以太坊不同现在每个节点需要两个不同的客户端。 信标链现在是 PoS 以太坊的共识层即一个处理区块消息和共识逻辑的共识客户端的点对点网络而原始客户端形成执行层负责传播消息和执行交易以及管理 ETH 的状态。 这两层可以使用引擎 API 相互通信。
PoS 、信标链、质押、分片和 ETH2 的关系 迈向 ETH2 的目的是更低能耗更可持续而 ETH2 最关键的特征就是 PoS。 为了将主链从 PoW 转向 PoS 引入了信标链和质押且在完成合并后信标链就是系统的一部分。 为了进一步横向扩展 ETH 分片概念得以产生。
ETH1、ETH2、ETH “以太坊 2”一词已弃用。 在将“以太坊 1”和“以太坊 2”合并为一条链之后将不再需要区分两个不同 的以太坊网络只有以太坊。 但是若专门提到以下两个词都特定的含义
“以太坊 1”现在是处理交易和执行的“执行层”。“以太坊 2”现在是处理权益证明共识的“共识层”。
Merge 合并 合并是指在 ETH 的原有执行层从创世块开始就一直存在的主网中加入其新的权益证明共识层即信标链。 合并摒弃了消耗大量能源的挖矿而是通过质押以太币来保护网络的安全。
信标链最初是与主网分开上线的。 以太坊主网所有帐户、余额、智能合约和区块链状态仍继续由 PoW 保护与此同时与之一起运行的信标链采用 PoS。 合并是指这两个系统最终整合在一起之时且 PoW 被 PoS 永久取代。
信标链最开始并不处理主网上的交易。 而是通过对活跃的验证者及其帐户余额达成一致来就自己的状态达成共识。 经过广泛测试后即合并后信标链将成为所有网络数据的共识引擎包括执行层交易和帐户余额。
合并代表正式转变成使用信标链作为区块生产引擎。 同时挖矿将不再生成区块该任务交由 PoS 验证者PoS 现在负责处理所有交易的有效性及创建区块。
功能
信标链是在以太坊质押人开始验证真实的以太坊区块之前管理和协调以太坊质押人网络的帐户账本的名称。 它不处理交易或智能合约交互因为这些任务在执行层完成。 信标链负责处理区块和证明、运行分叉选择算法以及管理奖励和惩罚等。
共识机制信标链引入了 PoS 机制允许用户通过质押一定数量的 ETH通常为 32ETH成为验证者参与区块的创建和验证过程。这与 PoW 相比减少了计算资源的需求使得系统更加环保和高效。分片链管理信标链不仅负责维护自身的状态还管理着多个分片链Shard Chains。分片链是独立的数据块链它们可以并行处理交易和智能合约从而极大地提高了系统的吞吐量。
Beacon Chain 信标链
信标链是 PoS 区块链它可以让验证者可以参与质押系统、替代矿工的角色而成为链的构建者。 也就是说信标链上管理着验证者的名单以及分片验证者任务。
信标链由多个部分组成诸如分片shards、质押验证者 (staking validators)、证明 (attestations)、委员会 (committees)、检验点 (checkpoints) 和最终确定性 (finality)。
一个简单的例子
怎么样才可以成为信标链的验证者呢
首先你需要向当前以太坊主链上的一个合约发送押金 32 个以太币然后经过一系列的审核检查之后你就会收到一张电子收据以太坊智能合约中的事件从此你就拥有了验证资格成为了验证者。 成为验证者之后信标链就会给你安排任务了。
它会将你随机分配到一到两个分片中去做验证。我们知道在 PoW 机制下也就是我们现在的以太坊主链上矿工通过挖矿生成下一个区块但是在 PoS 机制下不存在挖矿下一个区块的产生是由验证者们选择出来的。这个选择具有随机性不是一个验证者所能掌控的这也体现了去中心化的特点。
假如你很“活跃”就可能被选中成为区块提议者block proposer。 假如你不是很“活跃”信标链将可能将你指定为验证者 (validators)并分配到某一分片此后你需要同该分片的其它验证者一起从候选区块中选择出新的区块。
然后该分片的区块提议者就会为这个分片收集交易并且将这些交易纳入到刚刚验证者们选出的区块中去虽然由于你不是区块的提议者也就没有将交易纳入新区块的权力但是作为验证者的你这个时候可以验证这个过程中区块提议者是否行为妥当。
如果你表现良好做了身为验证者应该做的事就会得到奖励相反如果你违反规则就受到惩罚惩罚就是从你抵押的 32 ETH 中扣除一部分当抵押金低于 16 个以太币之后信标链就会将你从验证者列表中移除。
如果有一天你不想当验证者了你抵押的以太币加上你得到的奖励以及减去你因惩罚而扣除的以太币将不会回到你之前的以太坊主链中而是会被存进某一个分片链中。
除了管理验证者之外信标链还需要存储一些认证 Attestation 。
我们知道当前的以太坊区块链上存储了我们平时的那些资产转移等交易的数据信息但是信标链不同于当前的以太坊主链它存储的是一系列经过哈希运算的字符串。
在信标链中验证者验证并签名交易比如一笔转账交易然后经过哈希变成一段字符串将这个字符串存到信标链中此时这个字符串就代表了一笔交易的数据这样做的好处就是你不用去深入探究这笔交易到底在哪个分片中发生。
分片中的状态一旦发生改变比如某个账户余额发生了丁点改变验证者都会把这个变化汇报给信标链。因此信标链实时跟踪者分片的变化也建立起了个分片间的联系与通信。
Staking 质押
质押是指存入 32 个以太币以激活验证者 validator的行为。 质押者每质押 32 个以太币就可激活一个验证者即一个质押者可激活多个验证者。
作为验证者你将负责存储数据处理交易并向区块链添加新的区块。这将保证以太坊的安全并在此过程中为你赚取新以太币。
质押的目的和以前的挖矿相似都是为了保证区块链正常运行。 但又在很多方面不同。 挖矿的前期支出庞大需要投入强大的硬件和消耗大量能源从而产生规模经济并促进集中化。 挖矿也没有提出任何将资产锁定作为抵押品的要求这限制了被攻击后协议惩罚不良行为者的能力。
ETH2 中存在着多种形式的质押 独立质押Solo Staking/Home Staking 概述用户自己运行一个验证者节点直接参与区块提议和验证。 要求必须持有至少32 ETH具备技术能力来设置和维护验证节点还需要持续运行高可用的节点。 优点完全去中心化用户自己控制资金并且可以获得完整的质押奖励。 缺点技术门槛高需承担运营节点的责任若节点下线或表现不佳可能会被罚款或削减质押的 ETH。 质押即服务Staking as a Service 概述以太坊协议本身并不支持质押委托 如果你有 32 个以太币需要质押但是没有合适的硬件设备那么质押即服务可以使你在使用运营商硬件设施的同时获得区块奖励。 优点对于那些拥有 32 个以太币但是不能解决运行节点的技术问题的人来说这是个很好的选择 缺点 出于安全原因用于转移或提取资金的密钥是单独分开的即每个帐户都由 BLS 签名密钥和 BLS 提款密钥组成。用户会将签名密钥授权给运营商使用。 池化质押/联合质押Pooled Staking 概述用户可以将少量 ETH 投入质押池与其他用户共同筹集 32 ETH 来运行一个验证者节点。 优点适合小额用户需达到 32 ETH 的最低限额通过参与池化质押可以降低技术门槛和资金门槛。 缺点质押奖励需要与其他用户共享管理资金的质押池也可能带来一定的信任风险。 流动性质押Liquid Staking 概述流动性质押由联合质押而引出。在参与联合质押时用户可能想在质押过程尚未结束时退出质押当然还可能有其它原因。因此在用户参与联合质押的开始平台就发给用户代表质押 ETH 的代币例如 Lido 的 stETH这些代币可以在二级市场上交易或参与 DeFi 活动。。 优点用户可以在质押期间保持资产的流动性质押代币可以在 DeFi 生态中使用或交易。 缺点存在平台风险流动性质押可能会涉及智能合约的漏洞或平台治理问题。 交易所质押Exchange Staking/中心化质押Centralized exchanges 概述在加密货币交易所如币安、Coinbase 等直接质押ETH用户只需将资金存入交易所账户并参与质押。 优点通常没有最低金额要求用户只需在交易所拥有 ETH 即可操作最为简单用户无需管理私钥和节点质押收益会自动分发。 缺点资金完全托管在交易所存在一定的集中化风险可能会收取手续费。
扩容
二层网络
分片
在计算机科学中主要有两种扩容方式 A.纵向扩容即增强节点能力 B.横向扩容即增加节点数量
为了保证去中心化区块链需要采取横向扩容方式。 ETH2 其中一个目标就是让节点可以在消费级硬件中运行。 总体来说ETH2 采用的分片机制指的就是对数据库进行横向分割。
每条分片链都拥有一个节点子集在该链上进行工作。虚拟矿工和验证者被分配到不同的分片中并且只处理和验证自己所在分片链上的交易。
以太坊分片上的节点子集是动态的按照区块顺序处理分片。
区块链实行分片机制的主要挑战在于如何确保分片安全性。 由于验证者分散在不同的分片中有的节点可能会恶意控制某个分片。
解决该问题的关键在于
随机分配 (shuffling) 验证者每个分片区块都有一个委员会其中的验证者都经由随机挑选。这种做法的目的是经数学计算如果攻击者控制的验证者少于总数的三分之一其想要攻击单个分片是难以实现的。
此外错误性证明fraud proofs、数据托管证明 (custody proofs) 和数据可用性检查 (data availability checks) 都是确保安全的重要因素不过需要单独的讲解才能说清楚。
Eth2 目前的计划是启用64个分片。尽管分片和信标链是独立运作的我们还是会针对整个系统的关键部分进行阐述。
PoS 的优势是在任何给定时间都有全部已批准的区块生产者的记录每个区块生产者都质押了以太币。 这个记录不但为分开治理奠定了基础还可靠地划分了具体的网络责任。
这种责任与 PoW 形成对比在 PoW 中矿工对网络没有义务可以立即停止挖矿并永久关闭其节点而不会受到任何影响。 而且也没有已知区块提议者的记录并且没有可靠的方法安全地划分网络责任。
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