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读懂以太坊发展方向：信标链PoS机制如何运行？
02月09日 12:06
1. 以太坊基金会在日前宣布，将取缔“以太坊1.0”（ETH1）和以太坊2.0(ETH2)两个术语，分别改用“执行层”和“共识层”。
2. 时隙（Slot）、时段（epoch）和验证者（Validator）都是信标链PoS机制中的关键术语。
3. 如果将信标链比作新一代以太坊的心脏，那么时隙和时段就是这个心脏跳动的周期。
4. 由于以太坊算法的安全设计，这一PoS共识机制非常安全。
2021年1月25日，以太坊创始人Vitalik Buterin在ethereum.org上发布文章——《走向单时隙确定性》（Paths toward single-slot finality），介绍了他对于以太坊发展的最新路径规划。
理解其发展路径对于了解以太坊来说至关重要，但在阅读V神发布的文章之前，尚有一些概念问题需要解决。在以太坊升级到PoS机制后，信标链的区块是如何产生和确认的，其安全性又是如何保证的，这些都是下文将解答的问题。
以太坊升级方案简介
自以太坊的应用迅速增长以来，扩展性问题就一直困扰着以太坊及其使用者。作为目前最流行的智能合约区块链项目，以太坊网络的交易量巨大，导致常出现拥堵情况，且手续费居高不下，极度影响交易者的使用体验以及各种项目的推广。而为了解决以太坊网络的性能问题，便诞生了Layer 2、以太坊2.0这些用以对以太坊进行扩容的概念。
以太坊2.0是此前以太坊1.0的升级版本，阶段代号“Serinity”——宁静，以太坊1.0使用PoW共识机制，与比特币相同，而以太坊2.0则使用PoS共识机制，较PoW机制更加节能、高效。升级最终完成后的以太坊将形成“信标链+分片链+Layer 2”的结构，信标链区块将会直接包含交易信息，此前PoW链上的内容将会被无缝转移到信标链上，这一过程被称作“The Merge”（合并）。合并过后，以太坊将完全转向PoS共识机制。
但以太坊1.0和以太坊2.0之间并非是后者替代前者的简单关系，这一点常常被误解，甚至被不法之徒拿来行骗。随着以太坊合并日渐临近，以太坊基金会也在日前宣布，将取缔“以太坊1.0”（ETH1）和以太坊2.0(ETH2)两个术语，分别改用“执行层”和“共识层”。其中，执行层存放以太坊上所有智能合约和网络规则，共识层则负责处理PoS共识。合并完成后，此前的两条链便会合二为一，成为将来的完整以太坊。
以太坊的升级过程是逐步完成的。2020年12月，基于PoS机制的以太坊信标链（Beacon Chain，也就是此前所称的以太坊2.0）就已经上线，用户已经可以在其上质押ETH获取收益。2021年的柏林和伦敦升级则对信标链进行了调整，并且引入了手续费销毁机制以暂时控制gas fee。在2022年，也就是今年，当前的以太坊主网将与信标链合并，也就是将前文所述的“执行层”和“共识层”合并，原有主网的历史、状态，及其智能合约都将完整继承下来。分片的发生可能会稍晚于合并，预期会在2022年或2023年，这主要是由于Layer2的蓬勃发展缓解了以太坊的性能压力。分片的主要目的是进一步提升以太坊性能，降低网络拥堵，届时将会上线共64条分片链。
关于以太坊升级问题具体解释，请参见我们此前的博客文章：
终局之战：揭秘V神的区块链扩容最优解
分片+Layer 2会是以太坊的终极解决方案吗
信标链PoS机制简介：时隙、时段和验证者
Vitalik的文章中提到的时隙（Slot）、时段（epoch）和验证者（Validator）都是信标链PoS机制中的关键术语。
信标链在未来的以太坊中位居核心，除了给整个以太坊提供权益证明（PoS），形成共识层外，还起到与其他分片链交联（Crosslink）进行同步的作用。用户可以在信标链上质押ETH，在以太坊1.0上的保证金合约账户（Deposit Contract）中存入32ETH成为以太坊的验证者（Validator），这些验证者是以太坊上的“虚拟矿工”，对以太坊的出块尤为重要。
如果将信标链比作新一代以太坊的心脏，那么时隙和时段就是这个心脏跳动的周期。每个时隙持续12秒，每个时段则有32个时隙组成（此前的另一版本技术规范称单个时隙持续6秒，64个时隙构成时段），所有分片链都需要与信标链的时隙、时段同步。因此，每个时段约合6.4分钟。
在目前使用PoW机制的以太坊（以太坊1.0）上，系统固定每15秒产生一个区块。而在将来升级后的以太坊中，每个区块之间的时间间隔是不确定的。而在PoS机制下，每一个时隙，信标链都会从验证者中随机选择一个节点，使之成为区块提议者（Block Proposers）。对于分片链来说，每个时隙也会产生一个区块提议者。
此外，每一个时段，信标链还会将验证者均匀分配到各个时隙中，再从各时隙验证者中随机选出数组节点（每组至少128个），使之成为验证委员会（Committees），委员会节点将负责对信标链和分片链产生的区块进行见证（Attestations），以其余额加权通过投票判断信标链区块和分片区块的有效性。如果委员会在区块有效性上达成了共识，区块便会在链上得到确认，这一时隙就成功产出了一个节点，证明人的投票数据将会记录在链上，验证者也会得到奖励。
而若反之未能达成共识，这一时隙便为空，此外，若是此时隙内的区块提议者发生离线等问题，也会出现空时隙。而也正是因为空时隙的存在，区块产生的时间间隙也是不固定的。在一整个时段（即32个时隙或约6.4分钟）过后，系统又会从验证者中重新选择节点，再次安排并组成验证委员会。在分片正式上线后，在每个时隙、时段内，各个分片也会拥有自己的区块提议者和验证委员会。分片链上的委员在完成验证后，还需要将分片链头连接到信标链上，这一过程被称为交联（Crosslinks）。
在目前采用的采用的PoW共识机制中，每个节点都需要验证并执行网络中的每笔交易，这将会带来巨大的开销。而相对而言，PoS共识机制的运行速度更快，能源消耗也更少。此外，由于以太坊PoS算法的安全设计，这一PoS共识机制非常安全。从理论上来说，只要任一验证者持有的权益都少于所有验证者权益的1/3，便能保证每个委员会中潜在攻击者数目少于1/3，系统也就不可能被攻破。
在节点数目上，由于每个委员会需要128个节点才能保证安全性，总结点数目需要达到128*32=4096才能保证最佳安全性。当总结点数目大于4096*2=8192时，每个时隙（Slot）可以分配到2个及以上的委员会进行验证。
结语
以太坊升级是加密货币领域最为引人注目的事件之一。在下篇文章中，我们将继续带您解读Vitalik发布的以太坊发展方向。
作者：Gate.io 研究员 Edward.H
*本文仅代表观察员观点，不构成任何投资建议。
*本文内容为原创，版权为Gate.io所有，如需转载请注明作者和出处。
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