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金色薦讀丨以太坊永不為奴 ETH2前途光明

關注以太坊有一段時間的人都知道,以太坊的發展史一路伴隨著承諾延期、跳票和對未來計劃的溝通不暢。這導致很多人將以太坊歸入實驗失敗的范疇。這種悲觀情緒可以理解,如今的以太坊(ETH1)運行緩慢,整個網絡的速度受限,每秒只能處理 15 筆交易(TPS),而且進行大規模的復雜運算花費不斐。相比之下,Visa 每秒能處理的交易多達成千上萬筆。

以太坊為何又慢又貴?簡單來說,是因為(目前)高昂的去中心化成本。去中心化很貴,就像如今大多區塊鏈一樣,以太坊上的每個節點(定義為連接到網絡的計算機,如運行以太坊軟件的計算機)都必須聯網進行所有運算,以確保所有參與者都遵守規則。這會消耗實際能量與資源。就時間成本而言,運行以太坊的節點遍布全球——畢竟這是個為參與者提供無數激勵機制的公共網絡——同時,不同節點間的通信延遲很高,計算能力有所差異。因此,網絡需要保持足夠的延遲,以便較慢的節點能夠“跟得上”,并繼續為網絡去中心化投票做出貢獻。如果按照目前的架構設計,以太坊網絡要在極短時間內處理太多數據,用戶的硬件(如筆記本或個人服務器)是無法跟上的,而網絡上的唯一功能性節點就只有大型數據中心了。這將嚴重損害到以太坊的去中心化,因為這些數據中心節點可以輕易構成壟斷,并接管網絡或對網絡進行審查控制。如今有許多加密網絡(如EOS)都在實際中遇到此問題。

在公共區塊鏈中保持足夠層級的去中心化非常重要。沒有去中心化,使用區塊鏈就沒有太大意義了,因為集中式區塊鏈可以輕松審查大眾的交易,并且效率還比常規的分布式數據庫要低得多。針對區塊鏈新手讀者,我們可以回憶一下:在中本聰 (Satoshi Nakamoto)在比特幣中發明去中心化管理這種新形式之前,實際上任何系統都無法做到實施「去信任的控制」——因為所有的參與者都會對決策施加影響,但沒有任何一方能擁有全部或大多的控制權。以太坊的創造者 Vitalik Buterin 關于權衡去中心化和性能的著名回答便指出,任何人都能建立高TPS系統,只要讓它成為“冒著熱氣的集中式垃圾堆”。

假設有可能在各個節點無需處理其他節點交易的情況下,構建一個區塊鏈,還能通過僅處理整個網絡交易的一小部分來降低通信消耗,會怎么樣呢?

我們就有了ETH2。

ETH2是下一代以太坊,甚至來說,將其稱為以太坊有點不恰當了。這是一個完全不同的項目,在區塊鏈的大規模運行方式上采用了新的0-1范式。ETH2目標在于,提高以太坊的可擴展性、安全性和可編程性。單個鏈處理15個交易成為歷史,ETH2能在不損耗去中心化的情況下,每秒通過單個鏈處理成千上萬乃至數以萬計的交易(甚至更多)。實際上,與目前比特幣和ETH1中使用的工作量證明(PoW)機制不同,ETH2將引入一種更加經濟安全的共識機制,即權益證明(PoS)。在傳統的PoW區塊鏈(如比特幣)中,新比特幣的生產和交易都是通過礦工處理的,也就是使用昂貴硬件來解決復雜數學難題的個人及組織。礦工保障網絡安全性,以此換取交易費。在PoS機制的區塊鏈(如ETH2)中,情況則不同,新以太幣是由鎖定自身以太幣,為網絡提供安全性的驗證者生產和交易。實際上,驗證者所提供的安全性取決于網絡本身的價值,如果某個驗證者行為不當(如批準惡意交易),就可以大幅削減其以太幣。這種機制令驗證者有激勵去遵守協議規則。

PoS安全性很卓著的另一個重要原因在于,PoW機制容易受到所謂的“spawn camping”攻擊。如果攻擊者能夠積累足夠的挖礦硬件,來攻擊比特幣或者其他PoW鏈的話,比特幣是無法阻止進一步攻擊的,因為網絡會不斷重啟或者硬分叉,最終只會被同一批挖礦硬件無限次攻擊。相比之下,以太坊在應對這類攻擊時具有更大的彈性——它可以對攻擊者的權益進行硬分叉和削減,相當于燒毀攻擊者的比特幣采礦場。

此外,ETH2令開發者能夠創建自己的交易處理方法,即執行環境。從而,開發者可以在需要的時候,在以太坊內使用不同區塊鏈規則。為了極大地簡化執行環境,ETH2賦予使用者權利,對交易使用比特幣規則、ZCash規則、ETH1規則以及許多其他可能的規則集,其規模比目前高出多個數量級,且同時由同一批大型、資本化的驗證者提供安全性保護。ETH2可以通過“分片”實現這一目標:ETH2中的每個分片都類似于區塊鏈,具有自己特有的生成者和驗證者,但每個分片與其他分片緊密連接,可以互相通信,從而構成一個大型的網絡分片鏈。這樣一來,ETH2上的指定驗證者就無需處理整個網絡中的單個交易了,只需處理和驗證單個分片上的交易。這是一項創新性技術,使得使用客戶端硬件的參與者們在ETH2網絡上更有意義地參與進來。

這一點很重要:ETH2中的每個分片將與其他分片共享同等安全性,為了破壞單個分片,不得不破壞整個系統。Cosmos上,每個鏈都負責自身的安全性,從而形成了一個分散且易于被攻擊的網絡。與Cosmos這樣的平臺相比,這種安全模型提供了更佳的安全保障。這樣一來,為了破壞ETH2,攻擊者必須購買并抵押價值數十億美元的以太幣,而且如果以太幣價格上漲的話,金額還會增加。

這是傳統區塊鏈網絡的圖像——由數據塊構成的單個“鏈”。無需費心理解 block header 或transactions list 的含義,此圖片僅用于說明:

這是ETH2的圖像,不過實際中不止兩個分片鏈,而是64個。所有分片都使用信標鏈(beacon chain)互相協調。與上圖類似,不必關心其中的技術細節:

ETH2由9只不同的工程團隊構建,他們都獲得了以太坊基金會的撥款資助,并收到了以太坊社區的廣泛支持。這些團隊正在構建客戶端——類似于網絡瀏覽器(比如Chrome或Firefox)的東西,只不過客戶端是用來在訪問并參與到以太坊網絡。客戶端的多樣性是以太坊的核心原則之一,前提性準則:即如果一兩個客戶端崩潰或者存在bug,整個網絡不會崩潰。每個客戶端都針對不同的利基用法,但所有客戶端都能參與到網絡中。例如,一個客戶端針對智能手機做了優化,另一個則是為企業使用構建的。工程團隊根據以太坊基金會、ConsenSys和更廣泛的學術社區那些才華橫溢的研究者(大多是計算機科學博士之類)所創建的規范來構建ETH2。許多研究都是以開源方式在ethresear.ch網站上進行的,全世界任何人都可以發表有效的技術想法、建議或者批評。經過數年的反復迭代,這些規范才達到目前的狀態:有一陣子研究人員認為已經有了切實有效的設計,但之后又發現了一些缺陷,導致部分甚至整個系統需要重新設計。毫不夸張的說,ETH2的研究團隊是整個區塊鏈領域中最有經驗和才華的協議設計團隊。

下面是ETH2的研究團隊名單(隨機順序):

ChainSafe Systems

  • 總部位于安大略省多倫多市,公司有30多人,其中有5名開發者負責ETH2客戶端的研究;

  • 草根開發者,于多倫多以太坊開發者交流會上結識;

  • 構建了以JS編寫的Lodestar客戶端。

PegaSys

  • ConsenSys(以太坊生態系統的最大的公司)的50多人團隊,成員分散在全世界;

  • 構建了對企業友好的ETH1客戶端Pantheon;

  • 有一支研究者團隊主攻ETH2規范;

  • 構建了基于Java的客戶端Artemis,針對企業用途優化。

Harmony

  • 位于俄羅斯的4人團隊;

  • 構建Java以太坊客戶端;

  • 迄今公開信息有限;

  • 可能會與PegaSys/Artemis合并。

Parity Technologies

  • 位于柏林的60+人團隊,有大量遠程員工(不是所有人都從事ETH2的工作);

  • 從以太坊基金會獲得了500萬美元,用于構建ETH2客戶端Substrate Shasper;

  • 同時也是互操作性區塊鏈項目Polkadot的幕后團隊,這個項目有人認為是以太坊的競爭對手;

  • 構建并維護著第二大熱的ETH1客戶端Parity

Prysmatic Labs

  • 分散在美國各地的6人團隊;

  • 更新博客很積極,其博客是更多了解和跟進ETH2的良好途徑;

  • 構建了客戶端Prysm,可用于多種主流用途,類似于ETH1中的Geth。

Sigma Prime

  • 總部位于澳洲悉尼的4人團隊;

  • 具有強大的學術及軟件開發背景;

  • 構建了客戶端Lighthouse,適用于主流用例。

Status

  • 分散在歐洲的8人團隊;

  • 研發輕量級客戶端Nimbus,針對智能手機或其他“輕”環境用途。

Trinity

  • 與以太坊基金會簽約的4人團隊;

  • 構建的輕量級客戶端將用于更高級實現的原型。

Nethermind

  • 位于倫敦和波蘭的7人團隊;

  • 在.NET中為ETH2構建Windows客戶端。

ETH2的發布分為多個階段,但其中最重要的是前三個階段。這些階段交錯推出了ETH2的各個組件,不但由于正確構建各個組件很花時間,還因為逐漸引入更改會大幅降低技術風險。對于價值數十億美元的加密網絡來說,“快速行動打破困境”并不明智。與可以迅速推出修復程序的集中型技術公司不同,包含嚴重bug的加密網絡可能會由于網絡參與者都必須手動更新到最新的客戶端版本,而在很長一段時間內遇到嚴重破壞,最糟的情況下(如攻擊者設法憑空搞出新的以太幣)必須回滾大量交易以確保網絡的安全性。這將產生極大的負面影響,就如DAO黑客在2016年造成的那樣,導致以太坊開發者和用戶分出了自己的鏈Ethereum Classic。

階段0:可能會在2020年第二季度末,或者第三季度初交付。引入信標鏈,用作整個ETH2網絡的某種“命令與控制”中心。這個信標鏈將組織驗證者,將其分配到不同的分片鏈上,并且在隨機改組到另一個分片之前,負責處理該分片的交易。改組是ETH2安全性的重要組成部分,缺乏改組會導致一小部分驗證者可能被賄賂或破壞,感染ETH2的運行。信標鏈還負責證明不同分片所生成的數據塊的準確性,以便可以在不同分片間交換以太幣、token和數據。用一句1970年代的加州術語來形容:信標鏈是管理其他區塊鏈的區塊鏈。

如果信標鏈是命令和控制,則驗證者是處理施工作業的。驗證者是PoS網絡上的參與者,負責處理和預訂網絡交易,并將這些內容在彼此間轉發,并轉給其他參與者。他們可以為此獲得交易費和新生產的貨幣。驗證者可以說是加密網絡中最重要的角色,為他們設計激勵機制也是ETH2想要解決的核心挑戰。信標鏈也負責削減行為不當的驗證者。

階段1:將于2021年交付,自行啟動分片鏈,但不能在分片上處理或構建數據。這些數據將以原始形式(即data blob)形式存在于分片上,主要是為了確保分片鏈能夠互相通信,并將信息傳遞給信標鏈。分片無法對數據進行任何計算。階段1一開始感覺像是優化過的測試網,用途有限,但事實并非如此。新的或現有的DApp可以利用這些數據存儲,增加可擴展性。例如:去中心化的Twitter DApp能夠將數據存儲在分片鏈上,并在鏈外執行大部分計算,同時ETH1為其提供了很高的安全性保障。在階段1,ETH1仍將正常運行,同時1.0和2.0鏈將同時運行。

在2019年12月末,Vitalik曾提議加快將ETH1移入信標鏈,以便讓以太坊可以實現PoS的用處,并且更快與ETH2融合。最初,ETH1將以特殊分片(而非執行環境)存在,但在階段2將轉為執行環境。目前尚無計劃指出實現的時間,但看起來似乎會在階段1出現。

階段2:預計將于2021年或2022年啟動,這也將實現ETH2真實愿景。到時候,分片可以處理交易,且ETH2網絡可用于實際的商務應用程序中。分片的智能契約將在階段2引入,伴隨著運行智能契約的相應執行環境。正如早前提過的,執行環境使得開發者能夠創建處理其交易的任意規則集。這也意味著協議開發者能夠創建模仿比特幣、Zcash、ETH1或其他任何想得到的方法,為區塊鏈交易的計算創建執行環境。與ETH1總結比特幣以啟動智能契約的方式相同,ETH2將總結ETH1以重新定義區塊鏈計算的本質。

ETH2的某些組件仍存在大量未解決的研究問題,像如何以去中心化的方式(避免小撮數據提供者壟斷并控制網絡)保持提供和存儲數據,跨分片的交易如何運行,執行環境如何管理等等。但是這些問題的相關研究正在迅速推進中。

再次重申ETH2的三個階段:

階段0:

  • 于2020年第二季度末或第三季度初交付;

  • 啟用信標鏈,并實現在信標鏈上的PoS驗證;

  • ETH1會繼續正常運行。

階段1:

  • 于2021年交付;

  • 啟動分片鏈,允許在這些分片鏈上存儲數據,但分片上不處理交易;

  • ETH1或可繼續正常運行,或作為特殊分片并入ETH2。

階段2:

  • 于2021年末或2022年初交付;

  • 允許在分片上交易;

  • 一段時間后,ETH1將作為執行環境并入ETH2。

以太坊會在階段2之后繼續發展,但未來藍圖仍舊不甚清晰。一些可能的方向包括:使用ZK-SNARK增加可擴展性,輕量級客戶端的進一步研發,二次分片(基本上指的是在分片內再分片)。在遠期,可望使用CBC Casper這樣的共識機制來抽象化分片本身。

從筆者角度來看,以太坊的前景一片光明。以太坊擁有大量的研究人員、開發人員、用戶和項目,沒有其他的智能契約鏈能與之媲美,現在介入正是時機。以太坊正面臨可能最大最重要的升級,如果成功實現,將會為整個世界創造大量價值。

原文鏈接:

https://medium.com/@chromaticcapital/eth2-for-dummies-11ff9b11509f

【END】

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