從Devcon5大會看以太坊和區塊鏈生態發展
編者按：本文來自萬向區塊鏈（ID：gh_1b8639a25429），作者：萬向區塊鏈研究組，經授權發布。
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Ethereum1.X
在去年的Devcon4上，一群以太坊核心開發人員和愛好者討論了當前以太坊的挑戰，他們都有一個相似的觀點：由於日漸嚴重的性能瓶頸，以及佔用的存儲空間持續增加，如果以太坊主網不尋求變化，以太坊的可用性將會變得非常差。性能下降主要歸因於過大（且不斷增加）的狀態數據。越來越大的存儲需求，主要是由於需要留存區塊、Event日誌（receipts），以及狀態歷史記錄（當前可在大部分客戶端中刪除）。
最後，他們得出一個共識：改進，以太坊主網必須改進！
他們還給改進計劃取了一個代號“Ethereum1.x”。 Ethereum主網計劃在近期內採納的各種重大升級更新都包含在裡面。
行動代號為“Ethereum1.x”的計劃包括：
1、通過提高tps吞吐量來提高主網可擴展性（通過客戶端優化實現，這將能夠大幅提高區塊的gas限制）；
2、通過“存儲租金”來減少和限制對磁盤空間需求，從而確保整個節點是可持續化的運營。具體做法是設計一種租金模型，要求合約開發者和用戶隨著時間的遷移，為EVM2的存儲付費，而不是無期限存儲代碼和數據。
3、通過VM升級（包括eWASM）改善開發者體驗。
為了實現這些目標和計劃，以太坊核心開發團隊成立了幾個工作組：
1、狀態租金：設計存儲佔用的費用模型，用以限制鏈上存儲佔用；
2、eWASM：以太坊Wasm虛擬機；
3、存儲裁剪：優化客戶端的存儲空間佔用；
4、模擬/仿真。
在今年的Devcon5上，以太坊基金會介紹了過去一年內成立的幾個工作組：
1、EVM進化：優化性能、安全和互操作性；
2、EIP 1559：費用模型優化，讓交易易費用更更穩定、可預測；
3、測試/基礎設施：用新的工具來幫助測試客戶端能更更好的互相兼容；
4、最終性組件：用Ethereum2.0信標鏈來敲定Ethereum1.0生產的區塊。
咦，怎麼還有Ethereum1.0和2.0？它們和Ethereum1.x有什麼關係？
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Ethereum2.0
Ethereum2.0，是以太坊的寧靜（Serenity）版本，剛才也說了它是獨立於Ethereum1.0進行開發的一條鏈。並且在去年的Devcon4會議上明確了Ethereum2.0在3-5年內不會在功能上取代Ethereum1.0。
Ethereum2.0將包含Sharding（分片），Proof of Stake共識以及一個新的VM（即eWASM）等一系列升級。
它的目標主要有以下5個：
☆ 去中心化（Decentralization）：允許普通消費級的筆記本計算機能夠利用O(C)的資源處理和驗證O(1)的分片（包括系統級別如信標鏈的驗證等）。
☆ 彈性（Resilience）：主網絡分區或大量節點掉線時系統仍舊是可用的。
☆ 安全性（Security）：利用密碼學和設計技術來保證大量驗證節點可以參與到系統中來（短期和長期範圍內）。
☆ 簡單性（Simplicity）：最小化複雜性，即使性能上有一些損失。
☆ 長期可用性（Longevity）：選擇量子安全的組件，或者在可用時容易替換為相應的量子安全的組件。
這是個大工程，所以並不會在單一的時間點完成，而是按階段進行開發。這裡簡要介紹各個階段及其計劃完成的目標。
Phase0 信標鏈（Beacon Chain）
Phase0階段即為信標鏈的啟動。信標鍊是整個系統的基礎，用於管理其自身以及各分片區塊鏈（shardchain）的Casper Proof of Stake協議：
1、管理驗證節點及其Stake；
2、在每一步中為每一個分片任命出塊者；
3、將驗證節點組織為驗證委員會（committee），用於對提議區塊進行投票；
4、運行共識協議；
5、對驗證節點進行獎勵和懲罰；
6、作為一個錨點，各分片向其註冊狀態，從而有助於進行跨分片的交易的執行。
信標鏈上的主要數據載荷為證明（attestation），包括對分片區塊的投票（availability vote）和信標區塊的PoS投票等。
Phase0將使用Casper the Friendly Finality Gadget (FFG)來實現最終確認性（finality）。
在Phase0期間，所有的用戶交易和智能合約計算都在Ethereum1.0上進行。而在Phase0完成後，將同時有兩條鏈：Ethereum1.0鍊和Ethereum2.0鏈。
Phase1 分片區塊鏈（Shard Chain）
分片區塊鍊是未來實現可擴展性的關鍵，這是因為其允許交易的並行執行。 Phase1主要關注分片區塊鏈的數據的構造、有效性和一致性，而並不實現狀態的執行和賬戶的餘額。 Phase1更多的是分片結構的試運行，而不是嘗試實現使用分片進行擴展。對信標鏈來說，它把分片的區塊當作是位集合，而非結構化或有意義的數據。
信標鏈區塊中使用crosslink來表示一段時間內分片的當前狀態（也就是combined data root）。
crosslink即為分片鏈上驗證節點委員會對區塊的有效簽名集合，代表了分片區塊鏈的最新狀態，同時也是跨分片的異步通信的基礎。
Phase2 狀態執行（State Execution）
Phase2中，各相關功能將會進行集聚。分片區塊鏈的數據將不再是簡單的數據容器，而是重新引入的的結構化的鏈數據和智能合約。每個分片管理基於eWASM的VM，支持賬戶，合約，狀態數據等。
Phase2中將很有可能引入狀態租賃（State Rent），合約開發者和用戶將為eWASM存儲付費。
Phase3及之後的階段不斷更新中
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Ethereum2.0中的隨機性
在本次Devcon5會議上，還有一些關於Ethereum2.0中的隨機性的討論議題。
在現今區塊鏈系統中，系統隨機性問題正受到越來越多的關注。
Ethereum2.0採用了PoS（Proof of Stake）和分片（sharding）機制相結合的共識協議，共識委員會的選取依賴於系統產生的隨機值。因此，方案的安全性與系統產生隨機值的隨機性高度相關。一旦惡意攻擊者可以操控或者影響隨機值的產生，那麼他們就可以利用這種優勢，在共識過程中增加自身被選入委員會的機率，降低攻擊系統所花費的代價，從而威脅協議的安全性。
區塊鏈作為承載分佈式應用的底層平台，鏈上提供的安全隨機數同樣也是眾多應用安全性的重要保障。
隨機數在Ethereum2.0中主要被使用在如下三個環節：
區塊提議者的選取
共識委員會的選取
鏈上應用
安全的隨機性算法需要保證：
1、公平性（unbiased）：任何參與者不能影響隨機數生成的結果。
2、無法預測性（unpredictable）：在隨機數生成前，任何參與者無法提前預測輸出的結果。
此外，為了滿足分佈式系統的容錯性，可靠的隨機性算法還應該保證即使系統中若干節點停止工作時，算法依然繼續運行。
因此，安全的隨機性算法可以使得：
1、保證區塊提議者選取的公平性，同時防止攻擊者提前預測提議者身份，發起DOS攻擊；
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分佈式隨機性算法RANDAO
RANDAO是一個簡單的分佈式隨機性算法，使得多個節點可以交互協商，產生一致的安全隨機數。
算法包含兩個階段：
承諾階段（commit）
揭示階段（reveal）
在承諾階段中，系統中所有節點各自線下選定某個隨機數，然後向RANDAO 提交對該隨機數的承諾。
但RANDAO也是有缺陷的：
但RANDAO也是有缺陷的：
1、RANDAO協議產生的隨機數滿足不可預測性，並且擁有與底層共識協議一樣的容錯性，但仍是在公平性上存在缺陷。
2、協議中，在揭示階段，最後公佈其隨機值的節點可以影響最後產生的隨機值。
3、具體來說，惡意攻擊者看到網絡中所有其他節點公佈各自所選取的隨機數之後，可以根據自身隨機數執行異或運算，並根據結果對自己的利弊來決定是否要公佈自己的隨機數。
4、這使得單個攻擊者就能對輸出造成一定的影響，同時隨著攻擊方所控制的參與者數目增多，該類攻擊的破壞性也隨之增強。
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VDF函數
VDF是一類數學函數(Verifable Delay Function)，該函數的特點是：
1、計算至少需要一段已知的時間。
2、通過證明可以快速驗證函數輸出結果的正確性。
利用VDF函數的計算延遲，可以使得RANDAO協議中最後公佈其隨機值的節點失去對最終結果的影響。
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Ethereum1.0 往2.0 的切換
從Ethereum1.0鏈遷移到Ethereum2.0鏈需要考慮兩個重要因素。首先，需要遷移現有的以太幣，其次，需要遷移狀態。
Phase0 以太幣遷移（信標鏈）
在第0階段，Ethereum1.0鏈上的用戶將能夠將他們的以太幣鎖定在合約中，並在Ethereum2.0中的信標鏈上獲得等量的以太幣。之後他們可以抵押以太幣（32個ETH）成為驗證人，並開始在Ethereum2.0鏈上獲得驗證獎勵。
Phase1 狀態遷移（分片）
在階段1中，將當前Ethereum1.0鏈的狀態轉移到Ethereum2.0鏈上的一個分片中。而從保證來自Ethereum1.0鏈的所有信息將在Ethereum2.0鏈上可用。目前第1階段及之後的階段還沒有進入積極的開發階段。
Phase2 智能合約
這一階段計劃重新引入智能合約，並用eWASM代替當前的EVM。此外狀態租金這一在Ethereum1.x被提到的概念可能會在這一階段實施。
Phase3 鏈下狀態存儲
第3 階段會盡可能地把鏈上的狀態轉移到鏈下，從而最小化鏈上狀態。在第3 階段中維護和檢索鏈下的狀態將會成為dApp的關鍵性設計約束。
Phase4 分片合約
實現不同分片上的合約之間的交互。目前的各種關於分片合約互操作的提案中，似乎都無法解決同步、擴展這一對矛盾課題，這也是最具挑戰的階段之一。
