作者〡Allen
来源〡Unitimes
公链之首以太坊的「一举一动」都受到整个加密圈的关注，以太坊升级自然是大家最关心的话题之一。以太坊计划于 2022 年第二季度进行「合并」，即实现由 PoW（工作量证明）转向 PoS（权益证明），此共识机制的转变也成为近期讨论的热点。
经研究以太坊官网后发现，以太坊升级路线图已经做出更改，同时相关的部分术语也进行了调整，目前还有不少文章仍引用此前的旧信息，这将对用户带来误导，本文将根据最新路线图详细介绍以太坊升级以解决目前困境的技术方案、此次合并升级的意义以及未来升级的相关内容等。
技术方案
在了解以太坊升级的具体内容之前，我们先简单回顾下以太坊为什么要升级。以太坊的愿景是在保证去中心化的前提下，具有更好的可扩展性和安全性，以更好服务于现有的和潜在的用户，同时支持可持续性发展。但目前以太坊正面临着网络拥堵、运行节点的门槛越来越高、PoW 机制引起的能量损耗等诸多困境，其一系列升级正是为了解决这些问题，从 2014 年以来以太坊升级就已经成为一个研究和开发的活跃领域。
众所周知，要想解决公链性能的「安全、去中心化和可扩展性」这三难困境，必定在设计上做一定的牺牲，比如有些自称高性能公链的解决方案就是牺牲去中心化，而一旦特许节点们出现问题就会造成网络宕机。以太坊开发团队计划通过以下技术方案来攻克这个三难问题：
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利用分片链来解决可扩展性问题
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利用信标链随机分配验证者来保证安全
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利用 PoS 机制降低节点门槛，实现去中心化
具体而言，分片链将通过减轻节点验证者的工作量，以及支持以太坊同时创建多个区块，来提高以太坊的可扩展性。信标链将为不同分片链随机分配验证者，作恶的概率低，以太坊网络的安全性得以保证。PoS 机制能有效降低运行节点的门槛，支持更多普通用户成为节点验证者，以最大程度地实现去中心化。
最新路线图
通过不同解决方案的协同作战，理论上以太坊升级可以同时保证去中心化、可扩展性和安全性。了解了技术方案后，我们再看看以太坊升级的最新路线图以及目前的进展情况。
从最新路线图中可看出，以太坊升级的主要节点是信标链上线、合并以及分片链上线，目前信标链已于 2020 年底上线，最近大家讨论的升级是指「合并」。
与旧版路线图不同，最初计划是在合并之前处理分片链以解决扩容问题，新路线图中将合并升级提前到扩容之前。这一改变的主要原因是 Layer2 技术（第二层解决方案）的快速发展，尤其是 rollups，这给以太坊团队解决可扩展性问题提供了另一种思路。将 rollups 作为安全可行的以太坊扩展方式的研究被证明是前景广阔的，同时分片链上线还需要几年时间才可以实现，难度大且不确定性高，所以优先事项转向了通过合并实现 PoW 转 PoS。
除了路线图更改外，部分术语也进行了调整，之前 ETH1（现有工作量证明链）和 ETH2（原计划将用户和应用程序迁往的权益证明链）的叫法已被弃用，从 2021 年底开始，核心开发人员已停止使用这些术语，分别以新术语「执行层」和「共识层」来代替。所以合并后现有以太坊主网将被视为一条具有执行交易和智能合约功能的分片链「Shard 0」，不会被弃用，应用程序和用户也不会迁移至新的权益证明链。
合并的意义
此次 PoW 转 PoS 的合并升级，只涉及到共识机制的改变，以太坊网络的可扩展性问题还需要依靠 Layer2 技术或分片链上线来解决。所以，这次合并升级也不会降低以太坊主网高昂的 Gas 费，这个问题需要分片链与 Layer2 技术相结合才得以有效解决，即交易过程在便宜的第二层协议上执行，最终的状态（交易数据库）存储在分片链中。
关于 PoW 和 PoS 的对比，业内已有非常多的资料，在此不再赘述。本文结合将以太坊愿景和升级所涉及的技术方案来谈谈信标链为什么要采用 PoS 机制。
1）支持分片链上线。分片链的安全性将影响着整个以太坊网络，所以只有当安全性得到有效保障后，才能逐渐上线，此次合并升级也正是为最后的分片链上线做准备。分片链的验证者将由信标链随机分配，因为是随机的，所以一条分片链上的验证者难以进行串谋作恶，据以太坊团队介绍，该作恶的可能性小于万亿分之一，分片链的安全得以保障。
分片链的这种保护机制，只有信标链在 PoS 共识下才能实现，PoW 共识无法做到。PoW 共识下，只要矿机算力强，任何人都可以成为矿工，所以协议无法控制矿工。没有掌控权，就无法随机分配，而矿工有了自主权，可串谋选择对同一条分片链作恶，自然分片链的安全性得不到保证。PoS 共识下，成为验证者的前提条件是质押 32 枚 ETH，通过这个准入门槛，协议可以控制验证者，通俗来讲就是「不听从我的安排你就退出」。因为对验证者有了掌控权，所以协议可以随机分配验证者到分片链上，通过随机性来保证安全。
2）降低节点门槛以实现去中心化。PoW 机制下，成为验证节点的门槛较高，需要专业矿机等硬件设备，随着以太坊生态的发展和矿机的更新迭代，普通用户更难进入，如目前 BTC 矿工的现状。采用 PoS 机制，以太坊可以有效降低验证节点的准入门槛，任何用户只要质押 32 枚 ETH 即可加入验证者队伍。验证者的工作包括创建新区块（即矿工），以及检验新区块（未成为矿工），是由信标链随机分配的，不需要比拼算力，对硬件设备的要求大大降低，支持更多用户参与。参与验证的节点越多，以太坊网络也更加去中心化和分散，面临攻击时将会更加安全。
3）支持可持续性发展。PoW 需要消耗电力资源，目前电力供应本身就不足，比如近年我国一直存在工业限电现象，同时目前发电主要还是依靠火力发电，对环境不太友好，环保型的水力发电、太阳能发电、风力发电等一直未成为主力军。在全球减碳环保的大背景下，选择不消耗任何能源的 PoS 机制更符合以太坊网络可持续性发展的愿景。
未来升级 —— 分片链
区块分片是水平分割数据库以分散负载的过程，以太坊网络致力于通过分片链技术来缓解网络拥堵并增加每秒的交易处理量。通俗来讲，分片就相当于把一个任务拆解成多个，每个小任务可以同时进行，这样就能有效提升完成该任务的速度。此外，如果组织内的成员较多，一个任务分拆给多人后，还有部分人是空闲的，那么组织就可以再派其它任务给剩下的人，达到多任务同步进行，所以分片链支持以太坊同时创建多个区块。通过任务拆解和多任务同步进行，分片链成为以太坊扩容的关键一环，通过与 rollups 技术相结合，可使以太坊网络的 TPS 达 10 万左右。
除了提升以太坊 TPS 外，分片链也为其实现去中心化做出贡献。现有以太坊主网的验证者需要存储和运行整个网络的数据，而分片后，验证者只需要管理他们负责验证的分片链上的数据，这不仅加快验证速度，也降低了对硬件设备的需求，让更多用户可以成为验证节点，据官网介绍分片后将最终让个人在笔记本或手机上运行以太坊。
关于分片链未来的最终版本，目前社区也没有统一定论。一种是分片链只作为数据层，仅向网络提供额外的数据，不具有处理交易或智能合约的功能，所以升级后只有现有的以太坊主网作为执行层。另一种是部分分片链变得智能，可以像现在的以太坊主网一样执行智能合约和交易，对此社区仍在在辩论中，当然未来可以根据需要重新考虑分片链的相关决定。
小结
从 2021 年的公链大战，到今年多链共存的火热讨论，以及 Layer2 技术的展望，关于基础设施公链的讨论就一直是圈内热点话题。以太坊作为加密行业最成熟的公链，其地位不可言喻，能否有效实现升级将对整个行业产生一定影响。而主打高性能而崛起的新公链（如 Solana、Avalanche 等），将如何应对未来以太坊升级，届时整个公链格局又会发生哪些变化？未来我们还将持续关注以太坊升级的相关情况。
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