以太坊2.0 的未來藍圖及挑戰

以太坊爱好者

特邀专栏作者

2019-11-16 16:37 (UTC+8)

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以太坊2.0學習指南。

AI總結

以太坊2.0學習指南。

編者按：本文來自以太坊愛好者編者按：本文來自medium以太坊愛好者

，譯者阿劍；原文來自

圖片描述Crosslink 2019 Taiwan圖片描述

Danny Ryan（來源: Crosslink 2019 Taiwan）-

一、以太坊2.0 的架構

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一、以太坊2.0 的架構

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以太坊2.0 架構（來源: Crosslink 2019 Taiwan）-

第零階段（Phase 0）

在以太坊1.0 （Ethereum 1.0）中，使用工作證明（Proof of Work, PoW）作為共識機制（Consensus），並藉此產生新的區塊。為了要減少工作證明產生新區塊時，所需要的大量算力，以及所花時間過長的問題，以太坊2.0 將改為權益證明（ Proof of Stake, PoS）作為產生新區塊的共識機制。

第零階段會建立信標鏈（Beacon Chain），信標鏈就是以太坊2.0 系統層級的鏈，當從以太坊1.0 移轉到以太坊2.0 時，信標鏈扮演著非常重要的角色，它是整個系統的基礎。

一旦第零階段完成，將會有兩個使用中的以太坊鏈。以太坊1.0 鏈（目前所使用的PoW 主鏈）以及以太坊2.0 鏈（新的信標鏈）。在這個階段，使用者在1.0 鏈把以太幣鎖到合約里以註冊公鑰，2.0 鏈會承認合約內註冊的公鑰。但是，他們無法將該以太幣遷移回去以太坊1.0 鏈上面，為了要執行信標鏈，你會需要一個信標鏈的客戶端。目前，許多團隊正在開發這些客戶端。

第一階段（Phase 1）

第一階段會加入分片鏈（Shard Chains），在這個階段主要專注於分片鏈的數據結構，以及其有效性（Validity）和共識性（Consensus），分片鏈在這階段只當作數據鏈，並不會指定分片鏈狀態執行（State Execution）或帳戶餘額（Account Balances）。這比較像是對分片結構進行測試，而不是嘗試利用分片來對信標鏈進行擴展。在這階段，信標鏈會把分片鏈的區塊（Block），當作沒有結構或意義的位元集合（Collections Of Bits）。以太坊1.0 和以太坊2.0 仍將同時存在，並且在以太坊2.0 鏈上進行測試和遷移。

這個階段分片鏈會與信標鏈交聯（Crosslinks），每個分片的當前狀態— “結合數據根（Combined Data Root）”，會定期記錄在“信標鏈” 區塊中，作為交聯。信標鏈區塊完成後，相應的分片區塊（Shard Block）將被視為已完成，其他分片知道它們可以依靠這些區塊進行跨分片交易。

二、新的分片提案

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二、新的分片提案

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新提案的優點

新提案的交易

目前的想法

三、執行環境

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三、執行環境

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在之前設計的以太坊2.0 和以太坊1.0 中，狀態在共識機制裡，扮演著非常重要的角色，共識機制會隨時去讀寫所有的狀態，不管是執行的概念、交易的概念、帳戶的概念、樹狀結構的概念、以及所有在數據結構中的概念，都深深地融入共識中。

如果遵循EIP（Ethereum Improvement Proposals）的建議，開發者總是在要求新的操作碼，或著是更改礦工成本（Gas Cost）來支援他們的應用，像是Plasma 和Zkrollup 這樣的例子有很多，這樣就會需要修改EVM 1.0 的執行環境，才能支援到他們的應用程式（DApp）。

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但是在以太坊2.0 的第二階段中，我們可以支持多個執行環境。也可以有多個狀態根，不同的帳戶模型等。舉個例子，你可以定義一個臉書幣執行環境（Libra EE），以便在以太坊2.0 上運行Libra。或者，您可以定義一個比特幣執行環境（BitCoin EE），這樣就可以在以太坊2.0 上運行比特幣。

以太坊2.0 簡易架構圖（來源: Crosslink 2019 Taiwan）-

在以太坊2.0 簡易架構圖中我們可以看到狀態根，它可能是32 Bytes 的Blob，上面有WASM 的執行碼（Execution Code），可以在使用者層級中去做細部設定。圖片右邊有一個鏈，鏈上有一般的交易數據以及見證（Witnesses），見證實際上顯示在數據庫的區塊中，你需要針對該狀態而不是數據庫執行該筆交易，而且還需要證明數據對於當前狀態根是有效的。舉個例子，如果我們要在帳戶A 和帳戶B 之間傳遞數值，假設從帳戶A 移動5 以太幣到帳戶B，我們不能直接說帳戶和余額（Balance）是確實可用的，在過程中，我們需要加入見證數據（Witness Data），來證明兩個帳戶當前的狀態，當執行碼正在執行交易數據時，狀態根可以修改和更新狀態樹。

執行環境並不是共識機制預先定義好的，他可以在使用者層級上去做新增，我們也可以把以太坊1.0 複製一份到以太坊2.0 的執行環境中，將現有的狀態根放入EVM直譯器，用默克爾見證驗證器（Merkle Witness Verifier）來當作他的執行碼。

執行環境的優點

執行環境有許多優點，相較於舊系統，它也許可以更快地將產品推向市場，因為我們不必等到核心共識推出之後，才研究並發展這個概念，在Layer 1 會有更少的阻礙，它可以在各種應用上，使用具高擴展性及數據可用性的執行引擎，所以未來會長期使用這個核心基礎層。

對於執行環境交易，開發者及使用者可能會覺得太抽象，對什麼是執行環境感到困惑，像是這一層加了什麼？應該在這一層做什麼？誰應該寫執行環境？而且相關的開發規範會趨向更嚴格的形式。

目前的想法

虛擬機可能會有潛在的碎片化問題，進而影響到交易速度。

目前的想法

四、雙向橋接

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最後一個主題，主要討論開發雙向橋接是否是值得的？團隊可能可以在什麼時間點，來去做雙向橋接？

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單向橋接示意圖（來源: Crosslink 2019 Taiwan）-

月初在日本大阪舉行的Devcon 5 上，橋接的問題受到了廣泛的討論，原提案的單向橋接（One-Way Bridge）模式，會有驗證者流動性的問題，而且更重要的是，它可能會引發以太坊1.0 和以太坊2.0 之間的可替代性問題，如果我們允許以太坊2.0 上的流動性，那麼某種形式的轉移機制，就會在將以太坊1.0 分叉到以太坊2.0 之前，或著是在雙向橋接之前產生，交易所中很可能會同時有兩個幣，團隊和整個驗證者社區都很擔心這個問題，目前正在找尋減輕這個問題的方法。

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雙向橋接

雙向橋接目前可能的路線有兩條，一種是在以太坊1.0 上面，建立以太坊2.0 的輕節點；另一種是在以太坊1.0 上運作以太坊2.0 的全節點。

路線Ａ：在以太坊1.0 上，建立以太坊2.0 輕節點

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路線Ｂ：在以太坊1.0 上，運行以太坊2.0 的全節點

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路線Ｂ：在以太坊1.0 上，運行以太坊2.0 的全節點

路徑Ｂ示意圖（來源: Crosslink 2019 Taiwan）-

第二種路線，會在以太坊1.0 的節點上，運行以太坊2.0 的全節點，這個路線允許我們使用敲定性機制，因此，我們不僅可以使用這種機制，來促進以太坊1.0 和以太坊2.0之間的轉移，我們也可以利用驗證者的安全性，來保護以太坊1.0 鏈，我認為大家對此感到非常興奮，這通常被稱為“敲定性小工具提案（Finality Gadget Proposal）”。

輸出以太坊2.0 狀態根的另一個優勢，是以太坊1.0 有穩固的機制可以實現它，以及同時擁有以太坊2.0 的高擴展性及數據可用性，可以做一些有趣的應用，像是ZK Rollup 和Optimistic Rollup。

雙向橋接的優點

如果你在交易所中，列出以太坊1.0 以太幣和以太坊2.0 以太幣，它們的價格應該一樣。如果不一樣，你可以用較低的價格買一個以太幣，把他發送到橋上，然後以較高的價格獲得另一種以太幣，並把它出售。這種套利會使它們的價格保持不變，這樣會讓用戶，驗證者和開發人員感到困惑，雙向橋接可以防止兩邊的貨幣藉由套利的形式，來互相轉換。

雙向橋接是一種緊密耦合的共識機制，對於兩邊鏈的攻擊及產生的問題，都會影響到另一邊的鏈，協定的開發勢必會非常煩瑣，我們需要考慮到每個協定的安全性，如果我們越早開發協議，那麼我們實際上的進度就越少，當每個障礙隨著時間發展，它們就會相互阻礙，這讓以太坊1.0 在這一點上的開發速度比以太坊2.0 慢得多，因為實際用戶群存在很多擔憂，並且需要大量的協調，才能在我們的生產網絡上獲得硬分叉。

目前的想法

所以，如果我們越早將這些東西連在一起，就可能會減慢以太坊2.0 的開發和分叉週期，並且這增加了一些額外的開銷，換句話說，驗證我們可以鏈接客戶端的開銷是相對的。

目前的想法
目前的想法
我們應該會在加入驗證者流動性之前啟用橋樑，但是會等到第一階段的產品穩定之後再開放；同樣的，有很多相關的研究都在同時進行，這可能會影響到，何時完成這個操作。
名詞解釋：
名詞解釋：
EIP（Ethereum Improvement Proposals）：EIP 是以太坊平台的標準，其內容包含了核心協議的規範，客戶端API 以及合約標準。
epoch：在以太坊2.0 中，epoch 指的是時長6.4 分鐘的時間單位，每個epoch 包含32 個slots。
Slot（時段）：每個時段為12 秒，不一定每個時段都能產生區塊，而epoch 中最後一個slot 稱為邊界時段（Boundary Slot），或稱為檢查點（C heckpoint ）。
Solidity：Solidity 是一種合約導向的語言，主要用來開發智能合約。
Consensus （共識機制）：共識機制是區塊鍊為了在各節點間達成共識，所開發的演算法。
Validator 驗證者：驗證區塊的節點，由信標鏈在每個時段（Slot）為每個片（Shards）隨機產生。
Gas：交易所需的費用，當Gas 消耗完時，智能合約會終止並進行Rollback。
EVM（Ethereum Virtual Machine）：EVM 中文為以太坊虛擬機，是一種輕量級的虛擬機環境，Eth 1.0 中智能合約的運行環境為EVM。