觀點：以太坊2.0技術分享
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01 以太坊的發展之路
這是一張2019年的以太坊路線圖，我們看到從2013年底，以太坊創始人Vitalik Buterin發布了以太坊初版白皮書，啟動了項目，到現在已經不知不覺走過了6個年頭。
2014年7月24日起，以太坊進行了為期42天的以太幣預售。到9月份，以太坊通過預售一共募集到31,531 個比特幣，根據當時的比特幣價格，以太坊成功募集到了超過1800 萬美元，根據CoinTelegraph 的報導，以太坊「作為最成功的眾籌項目之一，將會被載入史冊」。
到了2015年7月30日，以太坊Frontier網絡發布。開發者們開始在Frontier網絡上開發去中心化應用，礦工開始加入網絡進行挖礦。礦工自身通過挖礦得到代幣獎勵，另一方面也提升了整網的算力，降低被黑客攻擊的風險。
Frontier是以太坊發展過程中的第一個里程碑，它雖然在開發者心目中的定位是beta版本，但在穩定性和性能方面的表現遠遠超出了任何人的期望，從而吸引更多的開發者加入構建以太坊生態的行列。
2016年3月14日（π日），以太坊平台的第二個主要版本Homestead對外發布，同時也是以太坊發布的第一個正式版本。
2017年9月18日，以太坊開發團隊開始測試「大都會」（Metropolis）版本的第一階段：拜占庭分叉。 2017年10月16日，主網在4,370,000區塊高度成功完成拜占庭分叉。
此次硬分叉將為智能合約的開發者提供靈活的參數；同時，為後期大都會升級引入zkSnarks零知識證明等技術做了準備；延遲引爆難度炸彈，將冰河期推遲1年；挖礦難度顯著降低，因此以太坊平台的交易速度會明顯提高，對應的礦工們挖礦的收益從每區塊5個以太幣降低到3個。
2019年6月，「君士坦丁堡」硬分叉在7080000 區塊高度完成，升級中包括五項改進方案：
1）為數據存儲的變更引入更公平的定價方法；
2）使智能合約開發商受益；
3）更良好的促進基於狀態通道和鏈下交易的特定可擴展性解決方案；
4）隨著更多事物被轉移到第二層；
5）將塊採礦獎勵從3 ETH減少到2 ETH，以及延遲以太坊的難度炸彈12 個月。
就在上個月，以太坊正式完成了「伊斯坦布爾」分叉，包含六個以太坊改進提案（EIP），解決的主要問題是：拒絕服務（DDoS）攻擊彈性，降低Gas成本，增加基於zcash的Equihash工作量證明。
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02 以太坊核心技術
回到技術層面，我們可以看到以太坊的技術架構也是一種分層架構。從上到下，依次是應用層，合約層，協議層。協議層包含了EVM虛擬機，區塊管理，KV數據庫，共識算法，P2P網絡等基本組件。
其中智能合約是以太坊最最核心的技術，它的實現基於以太坊內部的EVM虛擬機，智能合約可以完成任何代碼邏輯，從而支持多樣化的商業流程，以太坊中使用solidity語言編寫智能合約。
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03 企業以太坊
大家知道以太坊是一個公鏈項目，那麼和我們的日常生活，還有我們開發者有什麼關係呢？
我們怎樣利用好以太坊這個技術資源，用到自己的項目上，或者做一些傳統行業的創新？這一直是困擾行業從業者最大的問題。
目前可能最成功的應用還是圍繞著數字資產的金融生態，比如交易所。但是在資產交易之外，人們的探索也一直沒有停止。
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04 技術改進方向
我本人也是2017年和企業以太坊EEA有過一些交流，參加過他們組織的電話討論會議。但是由於聯盟是一個鬆散的組織，缺少明確的發展目標和合作機制，直到今天也沒有什麼實質性的進展。
用他們自己的話說，就是組織內有太多的politics。其實這個聯盟還是以摩根大通的貢獻為主，他們推出了Quorum技術框架，就是以太坊在企業應用的比較好的原型。
螞蟻區塊鏈的BaaS平台，微軟雲都是支持Quorum框架的。
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05 以太坊2.0
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支持執行引擎，實現整個空間的交易和帳戶模型。執行引擎使系統的複雜度最小。
不知道是否還會推出更多的後續階段。儘管研究人員希望看到更多的Eth2.0 分片鏈開發規劃，但這一切仍處於發展的早期。
這個是以太坊2.0的分層框架，主要變化是增加了Beacon Chain和Shard Chain。 Shard翻譯為分片，類似於分佈式操作系統，不同分片內的交易可以並行處理。
經過一段時間的開放討論，以太坊的2.0技術也逐漸開始收斂：分片數量從之前的1024 減少到64，分片區塊大小從（目標值16，上限值64）kB增加到（目標值128 ，上限值512）kB。分片總容量為1.3-2.7 MB/s，具體值取決於時隙（slot time）。
如果需要的話，分片數量和區塊大小可隨時間的推移而增加，比方說10 年後最終達到1024 個分片，以及1 MB 區塊。
在L1 和L2 層實施了諸多簡化方案：
1）所需的分片鏈邏輯更少；
2）因為「原生的」 跨分片通信可以在1 個時隙內完成，所以無需通過Layer-2 為跨分片通信加速；
3）無需通過去中心化交易所來促進跨分片交易費手續的支付；
4）執行環境能夠進一步簡化；
5）無需再混合序列化和哈希。
當然，這也引入了一些問題：
1）信標鏈的開銷更大；
2）分片區塊產生時間更長；
3）對「突增性」 帶寬需求更高，但對「平均」 帶寬的需求更低。
TPS一直是區塊鏈被關注的重要瓶頸，我們知道比特幣和以太坊都採用了PoW共識算法，TPS也就10左右。
最近以太坊2.0研究中引入了zk-rollup技術，它理論上可以將交易提高到3000TPS。
接近中心化系統的性能，大家知道，Visa 網絡目前平均TPS為2000。
這是使用zk-rollup技術的以太坊理論性能對比
每個批次（一個批次就是一個zkRollup 區塊）包含2048 筆（簡單的以太坊）交易和一個zk 證明。但是，由於實施了EIP 1108 和EIP 2028 這兩個提案，交易和證明的gas 成本現在都發生了變化：每筆交易為8.125字節。
當前每筆交易只需耗費16個gas /字節，因此每筆交易gas 花費為8.125*16=130 gas。由於每批次有2048筆交易，因此每批次的交易成本為130 * 2048 = 266,240 gas。
如果將15個批次插入以太坊區塊，由於每個批次可容納2048 筆交易，這意味著我們可以讓每個區塊打包15 * 2048 = 30,720筆交易。
30,720個交易/ 15秒=每秒2048筆交易。
當然以上知識理論推導，還存在一些實際問題需要解決：每個zkRollup 批次都需要簡短的加密證明（zk-SNARK），以證明該批次中交易的完整性。事實證明，生成此證明的計算費用十分昂貴。這才是達到理論吞吐量限制的主要瓶頸。
目前使用一個CPU 和三個GPU，需要幾分鐘時間才能生成一個這樣的證明。儘管通過並行計算可以顯著改善性能，但是將證明生成時間從幾分鐘減少到幾秒鐘，同時保持合理的成本，仍然是一個重要的挑戰。
最後，再講一下零知識證明，它被用於保護區塊鏈上的數據隱私，非常適合用於醫療行業的電子病歷（HDR）場景。
理解零知識證明，大家可以回顧一下阿里巴巴和四十大盜的故事：
當強盜向阿里巴巴拷問打開山洞石門的咒語時，他對強盜說：「你們在離開我一箭遠的地方，用弓箭指著我，當你們舉起右手我就念咒語打開石門，舉起左手我就念咒語關上石門，如果我做不到或逃跑，你們就用弓箭射死我。」
阿里巴巴證明了他知道咒語，同時也沒有洩漏咒語的具體內容。
zk-SNARKs,Zk-STARKs和BulletProofs（防彈證明）是零知識證明用於區塊鏈隱私技術的3種主要技術。對比來看：
1、Bulletproofs 和Zk-STARKs 不需要可信設置，zk-SNARKs則需要可信設置；zk-STARKs：通過證明者與驗證者之間的交互來執行，以一種有效的數學方法，使得驗證者通過驗證每一個步驟，最終確信證明者確實知道某個信息或者擁有某種權益。
其特點是：證明快、驗證快，但證明體積大SNARK指無需雙方交互，證明人單方出具即可，不需要反复在雙方之間傳遞信息。其特點是：證明慢、驗證快，證明體積小。
2、證明速度對比：Zk-STARKs > zk-SNARKs > Bulletproofs
3、文件大小：zk-SNARKs< Bulletproofs 簡單一句話：Zk-STARKs 太大，bulletproofs太慢，優點是不用預裝，zk-SNARKs最優。
這一領域也是學術界研究的熱點，最近幾個月宣布了很多zk-SNARK 構造相關的新突破。新的發現是臭名昭著的「可信設置」目前來看是多餘的，意味著可以使用通用計算。然而，很難找到關於這些新構造的可以理解的信息。
新的零知識證明構造解決了設置過程的限制，這意味著像智能合約這樣的任意代碼都可以作為zk-SNARKs 運行。通常有兩種做法：
透明設置：設置過程創建一個參考字符串，是公共的，但是並不會產生有毒廢料。這類似於zk-STARK 工作方式。 Fractal、Halo 和SuperSonic-CG 都使用了透明設置方式。這種方法的缺點是證明大小通常很大。 Factal 和zk-STARK 證明可能高達250kB大小，這對於區塊鏈應用來說是不切實際的。
Fractal 團隊告訴我，他們正在努力縮小證明的大小。 Halo 和SuperSonic 具有10kB甚至更小的證明尺寸。 （注意：zk-STARK 是特定的零知識證明的名稱，類似於Groth16 或Fractal）
通用設置：設置過程創建結構化字符串（structured reference string），會產生有毒廢料，但創建不再局限於單一電路。相反，一個參考字符串可以與無限數量（具有一定上限）的任意電路一起使用。例如Marlin、SuperSonic-RSA 和Plonk。
儀式結束後，可以更新這三個構造的參考字符串以提高安全性：如果當前的有毒廢料洩漏，則只需更新建立過程來再次保護系統。 （一些通用的zk-SNARK，例如AuroraLight 和Libra 使用靜態不可升級的通用設置。我們不會在本篇博客中討論這些內容）。
表中是一些zksnark算法的性能對比。在證明方方面，為每一個zk-SNARK 構造創建證明需要O(n log n) 的時間。差異主要是證明的大小、驗證時間和參考字符串的大小。
綜上所述，我們主要考察了以太坊2.0的三個技術點：sharding，zkrollup和zksnark。
涉及到比較多的理論知識和算法，需要花點時間才能理解。不過重點還是建議放在這些算法有什麼用途，以及如何使用上面。
Q&A
Q1：以太坊完成了分叉，那麼會對後續產生什麼主要影響嗎？
答：以太坊的分叉，就是一種軟件升級。以太坊的升級方向，就是以太坊社區希望發展的方向，所以隨著一次次升級，網絡會更加安全，更加高效，也更加符合社區治理的思想。
這個我們平時軟件開發的快速迭代是一個道理。唯一不同的是，以太坊是一個承載了千億資產的金融系統，每次升級資產的安全性和服務的連續性沒有收到絲毫的影響。這也是這個項目值得關注的原因。
Q2：方便簡單介紹一下solidity 語言嗎？
答：solidity是一種語法非常類似javascript的以太坊特有的腳本語言。它有高級語言的大多數特性，最常用的操作就是對以太坊的賬戶，賬戶中的餘額進行操作。
solidity非常適合用於實現數字資產，比如ERC20，ERC721，ERC777都是非常常用的數字資產類型。
之前非常熱鬧的幣圈項目資產都是圍繞ERC20在做文章，以以太貓為代表的區塊鏈遊戲則是利用了ERC721標準。
Q3：區塊鏈平台的迭代，受到公眾性的影響，不能太快太激進，比如會有分叉的問題，老師覺得這個問題未來能夠解決嗎？在軟件平台上，通常會出現馬太效應，也就是勝者通吃，現在以太坊位居平台第一，是否其他平台就沒有機會了呢？非中心化，也就是DAO的理論，好像是從以太坊開始才滲透的，但實際上權力的集中會帶來效率，這個問題怎麼看呢？
答：首先，明確一點，區塊鏈項目的成功不僅僅取決於技術。 V神發文也提到，社區遠比代碼重要。代碼只是實現社區治理和規則的工具。
在解決一些基本問題上，並不會用到很高深的技術。反倒是區塊鏈中的智能合約和通證機制，是組織改進非常核心的內容。
區塊鏈平台的迭代，現在可以說滿足不少的應用場景了。但是以太坊是為全球用戶服務，所以技術難度會更大。
我們研究區塊鏈，還是更多放在如何將區塊鏈技術落地，改造一個行業，或者解決一些核心社會問題，比如：醫療、教育等。
以太坊的DAO是非常好的思路，去中心化也是相對的，也就是多中心化。 PoS的思想就是，幹係人關係越大，投票的權重也越大。不是每人都可以投票。
Q4：請問王老師, 接下來以太坊生態中，對於普通的個人開發者，最大的機會在哪裡呢？
答：我們面向的未來是一個可編程的社會，有大量的商業規則和邏輯需要轉化為智能合約，人工智能解決了生產力的問題，區塊鏈能夠更加有效和公平地治理這些生產力。咱們開發者了解這些原理，就可以在具體的某個場景中，幫助實現這些邏輯，貢獻社會價值。
當然區塊鏈的底層也有很多技術挑戰，但是這更加適合有一定學術研究基礎的同學了。
技術參與建議還是放在區塊鏈應用方向，區塊鏈底層不太適合大多數人。
比如做區塊鏈的工具就是很好的思路，像imtoken類似的引用。比如：etherscan這類。
Q5：DApp方向有什麼好的建議嗎？
答：廣義上講，我覺得有幾個方向吧，一個是金融類，一個是個人信息類。金融就是數字資產的交易，投資，增值等，因為這個領域也越來越合規了，監管已經進來。個人信息的隱私保護，越來越被看重，個人信用、健康檔案，個人消費畫像，越來越需要恢復主權。
Comunion的DAO，這是一個非公司，但超越公司的組織。不同背景，不同角度的思想在一起碰撞，會產生非同一般的效果。
DAO的財務和人員管理，都是非常需要DApp這類工具幫助的。
