关于以太坊信标链

简单一句话，信标链即——质押（Staking）、分片（Sharding）和合并（The Merge）

什么是以太坊信标链（Ethereum Beacon Chain）

如果你关注区块链领域的话，可能会听过以太坊2.0（ETH2），它是以太坊为了可持续、可扩展和安全性的最重要的一次升级。为了完成这次升级，早在2020年12月1日，以太坊就启动了信标链，与以太坊主网分开且并行运行，不会影响目前主网的任何东西。再过不久（不出意外的话在2022年9月15日）信标链就将与主网“合并”。

与以太坊主网不同的是，信标链主网将不会处理交易和智能合约。它将用于管理其质押者（Stakers）和分片链（Shard chains）来协调整个以太坊网络。实际上，这正是信标链的两个重要特性。自 2015 年以来，信标链就一直是以太坊创始人 Vitalik Buterin（V神）愿景的一部分，也是以太坊最终应该成为的样子。

质押——权益证明（PoS）

首先，信标链采用了权益证明的共识机制让区块链网络中的计算机来验证交易。目前以太坊采用的是工作量证明（PoW）的方式，所有参与的矿工竞相解决一个复杂的数学难题来验证新的交易，从而更新区块链并获得奖励。但权益证明通过半随机（一次只选择几个验证者）来验证交易，与挖矿相比，这种方式被称为“铸造”区块，这样显著地降低了铸造新块所需的算力和电力，弥补了许多工作量证明方式下的短板来使整个网络更加安全，使得整个网络更加的去中心化和安全。同时，由于并非每个人都在竞争，从而也使得权益证明的方式成为了一种更环保的方式。

如何成为一个验证者

要成为验证者，节点需要将一定数量的以太币（至少质押 32 个以太币）存入以太坊网络，才能运行验证节点。这被称为“质押”，类似于抵押品或保证金。

股权的大小决定了验证者被选择以线性方式进行铸造的机会。例如，如果小明质押了 320 个以太币，而小王质押了 32 个以太币，小明的节点将有 10 倍的机会被选中来铸造下一个区块。因此，选择过程并不是完全随机的，谁质押的越多，被选中的概率就越大。

当一个验证者被选中验证下一个区块时，他首先要验证该区块中的所有交易是否有效。一旦确认有效，该验证者将在区块链上写入该区块来更新区块链的状态。随后，将由 128 名其他验证者组成的“委员会”来确认此信息，这个过程被称为“证明”（Attestation）。如果区块成功签出，那最初的验证者将获得质押奖励，通常是由该区块中所有已验证的交易费用的总和。

怎么保证验证者是诚实的

相信质押者会做一个诚实的验证者对权益证明的成功运行至关重要，但这一点却并不难实现。

首先，如果验证者批准了欺诈性的交易，那么他们将失去一部分股权，或者将受到罚款。这就是为什么质押额度那么高（32 个以太币相当于 10 万美元）的一部分原因。如果质押物总是大于奖励，那质押者就没有任何经济动机做一个不诚实的节点，因为这没有任何好处，他们失去的将比通过欺诈所获得更多。

同时，如果一个节点想要退出验证者的角色，在其能拿回质押之前大约有25分钟的延迟（锁定期），系统在锁定期内如果发现节点作恶，验证者仍将会受到罚没。

因此在申请成为验证者时，需要仔细考虑以上的这些方面。

为什么能更安全且更去中心化

工作量证明的另一个不足之处就是它鼓励使用矿池，它是通过矿工组团的方式合成更大的算力来增加挖矿的概率，随后再将奖励平均分给矿池中的每个人。此外潜在的风险还在于矿池聚集了超过全网 51% 的算力来作恶，即 51% 攻击，这使得矿池能够使区块链变得中心化，从而能够批准任何欺诈性的交易来获利，这样就违背了区块链的最基本的原则。

那权益证明怎么解决这个问题呢？

与依赖来自挖矿设备的算力聚合相比，权益证明采用了谁质押的越多谁就越有话语权的方式。因此，一个人需要进行超过 51% 的质押才有能发起 51% 攻击，这使得发起攻击的代价变得非常昂贵且不切实际，因为这可能需要花费高达数千亿美元（具体取决于代币的实际价值）

此外，矿池还享有规模经济的力量，在工作量证明下，一个矿工加入大矿池为其创造的收入远大于矿池需要支出的成本，因此，这也使得有钱的人变得更有钱。

相比之下，质押和成为验证者比挖矿更容易，因为人们不需要从购买昂贵的挖矿设备开始了。以太坊基金会团队也希望这将鼓励更多的人参与到网络中来，从而使其更加去中心化并免受 51% 攻击。

分片链

分片链的目的是通过把以太坊网络分割成更小的区块链（64个分片网络）来分散整个网络的压力。也就是说，现在节点只需要对自己所在的分片网络负责，而无需在主网上处理交易。相应地，这样也提高了以太坊的交易速度并降低了单次交易的成本。

什么是分片

分片最初是数据库管理中的一个概念，其中大量数据被拆分并存储到许多不同的硬件中。就以太坊而言，这是指将区块链网络分成 64 条被称为“分片”的链。每个分片都包含分片块，并作为自己的区块链独立运行。此外，每个节点无需运行整个以太坊网络，只需存储一个分片并验证（如果该节点进行抵押）与该分片相关的交易。

换句话说，这允许本地磁盘空间有限的机器作为节点参与以太坊，这也进一步鼓励了去中心化。

理解分片带来的改进的一种方法是通过这个简单的类比：如果跑道只有一条车道，那么它会变得非常拥挤，赛车将无法跑得那么快；但是如果赛道增加了63条车道，那么更多的赛车可以使用赛道，他们也可以跑得更快，甚至普通车辆现在也可以加入！

在上面的类比中，车道代表分片链，而赛车代表交易（或试图进行交易的人）。因此，从本质上讲，分片是以太坊的一种扩展解决方案，旨在将其交易容量从目前的大约每秒 15 笔交易（TPS）提高到数万笔交易（TPS）。

如何实现分片链

信标链与以太坊主网合并后，升级的下一步将是将分片链引入 PoS 网络。本次升级将有两个版本。

版本一：数据可用分片

在第一个版本中，将添加 63 条新链（总共 64 条）作为数据存储到以太坊网络。最初，它们不支持处理交易和运行智能合约。然而，通过赋予以太坊更多的存储和访问数据的能力，这仍将通过与汇总结合提高整体 TPS 来显着改善整个网络。

简而言之，汇总是一种第 2 层解决方案，它将一堆事务处理“汇总”成一条数据，并在以太坊主区块链（第 1 层）之外执行它们。然后将完成的交易数据发送回第 1 层。

由于本质上你处理包含许多事务的数据和处理单条的速度一样，这就减少了事务处理所需的数据。随着分片链添加的额外数据，将显著提高整个网络的可扩展性。交易吞吐量也将提高到 100,000 TPS，这意味着更低的 gas 费用。

版本二：代码执行分片

在第二个也是最终版本中，当前的以太坊主网将成为 64 个分片链之一。换句话说，每个分片都将能够自行处理交易并执行智能合约。分片也将能够相互通信以处理跨分片交易。

然而，以太坊社区中是否应该实施版本 2 存在广泛争论。许多人认为版本 1 就足够了，因为最初的目的是通过增加 TPS 来提高可扩展性，但以太坊的创始人 Vitalik Buterin 提出了仅将一部分分片作为代码执行分片和在零知识证明的发展变强时来重新审视该争议的可能性。

信标链如何和与质押者、分片网络结合起来

如前所述，信标链协调质押者和分片网络。在讨论了质押和分片的工作原理之后，我们终于可以看到所有这些将如何在升级中结合在一起。

使用分片链，验证者不再负责将新交易广播到每个节点的整个以太坊网络。相反，他们只需要在自己的分片上验证块。因此，每次需要在特定分片中验证块时，信标链都会生成随机数来分配质押者来验证分片块。

PoS 共识机制保持不变，在质押者验证分片块后，验证者委员会随后进入以太坊主链进行确认。一旦这个证明过程完成，分片块中的交易就会通过与信标链创建交叉链接来确认整个网络。

从本质上讲，这种交叉链接允许将分片块的状态定期记录到信标链上，从而使信息能够在不同分片之间传递。

合并

总体路线图

以下是以太坊基金会团队计划的初始路线图，但为了促进从 PoW 的过渡，阶段 1.5 现在优先于阶段 1。

阶段 0

发布带有 PoS 共识机制的信标链，该机制于 2020 年 12 月 1 日上线。

阶段 1

启动和测试版本 1 分片链。这预计将在“合并”之后的 2023 年某个时间交付，该合并现在设置在分片链推出之前，以加快向 PoS 的过渡。

阶段 1.5

人们称之为“合并”，但以前被以太坊基金会团队称为“对接”。阶段 1.5 将以太坊主网作为第一个分片连接到信标链，这将标志着 PoW 的结束并启动一个完全基于 PoS 的区块链网络。这一转变原定于 2022 年 6 月进行，但现在推迟到 2022 年第三季度/第四季度。

阶段 2

这个阶段可能包括第 2 版分片链和对以太坊虚拟机 (EVM) 的更新，但它没有明确的实施日期。

目前和下一步是什么？

以太坊于 2020 年交付了阶段 0，我们目前正在等待今年即将推出的第 1.5 阶段的“合并”。随着以太坊消除其当前的能源密集型采矿过程，更多的人将通过轻松设置节点和加入网络验证者将使用质押的 ETH 保护网络。

这是实现以太坊可扩展性、安全性和可持续性愿景的巨大而激动人心的一步，不仅使网络用户受益，而且为区块链空间创造更绿色的未来。