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一文說透以太坊 2.0 改變共識機制的原因和后續影響

以太坊 2.0 是以太坊發展的重要階段,從長遠來看,以太坊 2.0 改變共識機制有利于以太坊發展。

撰文:郝凱,就職于?HashKey Capital Research

審校:鄒傳偉,萬向區塊鏈、PlatON首席經濟學家

以太坊 2.0 的共識機制將由 PoW 轉為 PoS,這是一個重要變化。為了更好理解這個重大的變化,我們撰寫了該文,希望用簡單的預言向讀者說明以太坊 2.0 改變共識機制的原因,并分析以太坊 2.0 對于參加 Staking要求和限制條件在此之外,我們還分析了太坊 2.0 改變共識機制后對生態中各方參與者的影響,以及后續可能存在的監管政策的變化

我們認為,以太坊 2.0 是以太坊發展的重要階段,從長遠來看,以太坊 2.0 改變共識機制是有利于以太坊發展的。

按照以太坊的發展路線圖規劃,在經歷了 Frontier (前沿,2015 年 7 月)Homestead (家園,2016 年 3 月)Metropolis (大都會,2017 年 10 月)三個階段后,以太坊預計在 2020 年步入 Serenity (寧靜)階段,即升級到以太坊 2.0。以太坊 2.0 有很多改進的地方,主要包括:

  • 共識機制由 PoW 轉為 PoS;

  • 整體架構由單鏈轉為分片多鏈(Shard Chains)

  • 執行環境將由 eWASM 代替原來的 EVM。

以下,讓我們針對以太坊 2.0 共識機制發生改變的原因及影響進行研究。

以太坊 2.0 為什么改變共識機制

以太坊是面向全球的開源公鏈平臺,其宗旨是成為「世界計算機」。為實現這個目標,以太坊的改進和升級都必須朝著成為更適合搭建和運行 DApp 的公鏈平臺這個方向前進。以太坊 2.0 的共識機制由 PoW 轉為 PoS,可以更好地平衡「不可能三角」問題,盡可能在去中心化、可擴展性和安全性這三個要素之間做到兼顧。

去中心化

去中心化是區塊鏈的核心特性之一。最初,中本聰設計的比特幣是一個完全去中心化的點對點系統,每個用戶都可以使用個人電腦進行挖礦。然而,隨著比特幣價格的升高,大量算力不斷加入,使得比特幣挖礦難度越來越大。目前,比特幣全網的絕大部分算力都由幾個頭部礦池控制,普通用戶想參與挖礦的途徑只能是選擇加入礦池。

比特幣算力分布圖,數據來源:btc.com,2020 年 1 月 22 日

從上圖中可以看出,比特幣前十大礦池的算力占比之和超過全網算力的 90%,中心化的程度非常高,用戶使用個人電腦就可以挖比特幣的景象再也不可能出現。

與比特幣一樣,以太坊上線時也采用了 PoW 共識機制。雖然以太坊的挖礦算法中加入了抗 ASIC 礦機的設計,但是目前以太坊的中心化程度也非常高。

以下的圖和表分別表示以太坊的算力分布情況和前十大礦池的算力占比,可以看出,以太坊前十大礦池的算力占比之和也接近全網算力的 90%,前五大礦池的算力占比之和達到 77%

以太坊算力分布圖,數據來源:etherchain.org,2020 年 1 月 22 日

以太坊礦池的算力占比,數據來源:etherchain.org,2020 年 1 月 22 日

從比特幣和以太坊的實際運行情況可以看出,PoW 共識機制不能保證去中心化,反而會催生出礦池,使得整個系統趨向中心化。如果繼續采用 PoW 共識機制,以太坊的中心化程度會繼續提高,這與區塊鏈去中心化的精神背道而馳。因此,從這個角度來看,提高去中心化程度是促使以太坊 2.0 從 PoW 共識機制轉為 PoS 共識機制的原因之一。

當然,很多采用 PoS 共識機制的公鏈,如 EOS 和 TRON 等,也存在中心化的問題。針對這個現象,以太坊 2.0 還采用了其它的限制措施,后文中會繼續介紹。

可擴展性

可擴展性一直是困擾以太坊發展的重要因素,以太坊的 TPS 大概是 15 左右,遠遠不能滿足其「世界計算機」的定位。2017 年 12 月,一款簡單的游戲加密貓(Crypto Kitties)就讓整個以太坊網絡擁堵不堪,整個以太坊網絡的使用率達到 90% 以上,即下圖中的紅色圓圈部分。目前,以太坊的使用率大概是 70%,隨著以太坊生態的發展,部署在以太坊上的 DApp 越來越多,以太坊想要承載對交易速度要求更高的應用,必須解決可擴展性不足的問題。

以太坊的使用率,數據來源:etherscan

從下表的對比中可以看出,采用 PoS 共識機制的公鏈的性能要明顯優于采用 PoW 共識機制的公鏈。因此,提高可擴展性也是促使以太坊 2.0 從 PoW 共識機制轉為 PoS 共識機制的原因。

不同公鏈的性能對比,表中 PoS 共識機制包括 DPoS、Pure PoS 等這一類共識機制,數據來源:各公鏈官網和瀏覽器

需要指出的是,很多采用 PoS 共識機制的公鏈在設計上擁有很高的 TPS,但實際生態中缺少開發者,也沒有用戶。就像是城市中修了很寬的馬路,但馬路上沒有車輛,這相當于是一種資源浪費,這種所謂的高性能也就沒有任何意義。因此,以太坊 2.0 在提高性能的同時,還必須要注重生態建設

安全性

就安全性而言,很難判斷 PoW 共識機制和 PoS 共識機制哪個更好。在 PoW 共識機制中,作惡者需要掌握足夠多的算力,在 PoS 共識機制中,作惡者需要掌握足夠多的代幣,作惡成本都很高。目前來看,比特幣仍然是安全性最高的區塊鏈,作惡成本也是最高的。因此,安全性并不是以太坊 2.0 改變共識機制的原因。

盡管以太坊 2.0 采用 PoS 共識機制并不意味著安全性比之前更高,但還是有三點需要說明一下。

  • 一是在 PoS 共識機制中,節點需要抵押一定數量的代幣,對于作惡者,可以將其抵押的代幣沒收,這對于作惡者是一種威懾。

  • 二是在當前的激勵體系下,維護以太坊全節點并不能獲得收益,以太坊全節點的數量在不斷下降;而在以太坊 2.0 中,能參與挖礦的用戶數量大大增加,愿意維護以太坊全節點的用戶數量也可能隨之增加,從這個角度來看,全節點數量的增加也意味著以太坊的去中心化程度和安全性更高。

  • 三是相比于 PoW 共識機制對能源的巨大消耗,以太坊 2.0 采用 PoS 共識機制是一種更加環保和綠色的選擇,不需要消耗大量的能源來維護系統運行。

以太坊 2.0 對參與 Staking 的要求

與目前以太坊生態中礦工的角色類似,以太坊 2.0 的驗證者承擔了處理交易并打包出塊的責任。驗證者的工作包括提議新區塊和證明其它驗證者提議的區塊。每個區塊的驗證者都是信標鏈(Beacon chain)從一個很大的驗證者集合中選擇出來的。

以太坊 2.0 通過隨機數發生器進行隨機選擇驗證者,被選中的 128 個驗證者將組成一個委員會,負責創建新區塊并獲得相應出塊獎勵。每 64 個區塊后,信標鏈會重新隨機選擇驗證者。這種定期且隨機的選擇驗證者的方法可以最大限度地防止惡意節點之間進行串謀。

需要指出的是,以太坊 2.0 也分為幾個階段來實施,在以太坊 2.0 的階段 0 并沒有設計分片,階段 1 開始會加入分片的設計,信標鏈需要為每個分片都選擇出驗證者委員會。

參與 Staking 的門檻很低

為避免其它采用 PoS 共識機制的公鏈出現的中心化問題,以太坊 2.0 極大地降低了普通用戶參與 Staking 的門檻,以太坊用戶只需通過智能合約抵押 32 個 ETH 就可以成為驗證者。同時,32 個 ETH 也是每個賬號參與 Staking 的數量上限,如果用戶持有的 ETH 數量大于 32,超出的余額部分不會帶來任何收益,那么用戶必須將這些 ETH 分配到不同的賬戶中,這個要求將中心化參與帶來的利益降到最低。并且,以太坊 2.0 對硬件的要求也不高,普通個人電腦就可以滿足要求。

以太坊 2.0 極大地降低了普通用戶參與 Staking 的門檻,這是以太坊 2.0 與其它采用 PoS 共識機制公鏈的顯著區別。

下面兩個表分別是 EOSTRON 的超級節點得票情況。從表中可以看出,排名前十位的超級節點的得票率都超過 1%。雖然得票數并不等同于自身持有這些代幣,但是普通用戶是肯定沒有資金和資源獲得這么多投票,他們參與出塊的途徑只能是選擇加入 Staking 礦池顯然,雖然這些公鏈也采用 PoS 類共識機制,但是它們的中心化問題已經非常突出。

EOS 超級節點得票情況,數據來源:EOS Tracker

TRON 超級節點得票情況,數據來源:tronscan

以太坊 2.0 設置的諸多限制條件都是為了盡可能保證整個系統的去中心化,這種近似于嚴苛的要求其實是不利于持幣大戶參與 Staking 的。而 EOS 和 TRON 采用 DPoS 共識機制,保障了生態中的持幣大戶的利益。下表是對主流公鏈進行的簡單對比,以太坊 2.0 設置的諸多限制條件的原因可以從下表中探究一二。

ETH、EOS 和 TRON 的對比,數據來源:區塊瀏覽器,Coin Metrics,DApp.com,2020 年 2 月 6 日

可以看出,以太坊在地址數量、DApp 數量、日活和市值方面都遠超過 EOS 和 TRON,同時,Electric Capital 在 2019 年發布的一份報告顯示,以太坊社區的開發者數量是任何其他公鏈開發者數量的 4 倍以上。正是以太坊在區塊鏈領域的巨大優勢和接受程度,讓以太坊有底氣相信,即使對 Staking 做出嚴格的限制條件,還是會有大量的用戶愿意參與其中。

區塊鏈項目市值和開發者數量,數據來源:Electric Capital

參與 Staking 的收益

對于采用 PoS 共識機制的公鏈,用戶參與 Staking 的代幣數量越多,作惡者的作惡成本就越高,整個網絡就會越安全。對于以太坊 2.0 也是如此,生態中的驗證者越多,抵押的 ETH 數量越多,以太坊就會越安全。

以太坊 2.0 的出塊獎勵是促使用戶參與 Staking 的動力。以太坊會通過出塊獎勵的方式增發代幣,在 PoW 共識機制階段,普通用戶沒有能力自己參與挖礦,持幣用戶的利益會因 ETH 增發受到損失;采用 PoS 共識機制后,普通用戶可以參與 Staking,可以抵消 ETH 增發帶來的損失。為了吸引更多的用戶參與 Staking,以太坊 2.0 將驗證者的年收益率與抵押的 ETH 數量掛鉤。當系統中抵押的 ETH 數量較少時,驗證者的年收益率會很高,隨著抵押的 ETH 數量增多,驗證者的年收益率會降低。

下表是 EthHub 給出的 ETH 年增發量,表中給出的增發量是最大值,如果驗證者受到懲罰的情況出現,實際增發量會比這個數據小。

ETH 增發量,數據來源:EthHub

從表中可以看出,當抵押 ETH 數量較少時,驗證者的最大年收益能達到 18%,這是一個非常有吸引力的收益,會讓更多用戶參與進來。當抵押 ETH 數量較多時,驗證者的最大年收益降到 2% 以下,這個收益對部分持幣大戶的吸引力不高,可以在一定程度上避免他們抵押大量代幣獲得收益。根據 Vitalik Buterin 的粗略估計,以太坊 2.0 可能會鎖定大約 1000 萬個 ETH。

ETH 的通脹率,數據來源:etherscan,計算時間是每年 1 月 1 日

ETH 的通脹率在逐年降低,2019 年的通脹率為 4.76%。從上文「ETH 年增發量」一表中可知,采用 PoS 共識機制后,ETH 的通脹率會進一步下降。

以太坊 2.0 帶來的影響

以太坊在區塊鏈領域的影響力非常大,以太坊 2.0 從 PoW 共識機制轉為 PoS 共識機制會對生態中所有的參與者帶來影響,包括礦工、節點服務商、交易所和監管機構等。

礦工

以太坊 2.0 共識機制的改變對礦工的影響是最大的。雖然以太坊 2.0 不會立即停止 PoW 挖礦,會讓兩條鏈并行一段時間,但是后續挖礦難度會逐漸升高,促使礦工放棄挖礦,最終以太坊還是會完全轉成 PoS 共識機制。屆時,礦工所持有的礦機、建設的礦場和其他設備都不能在以太坊生態中發揮作用。

礦工接下來可能選擇的道路有三種:

  • 一是完全放棄挖礦,追隨以太坊 2.0 在新的玩法中找到定位,礦工會遭到很大的損失;

  • 二是用現在的礦機和設備去挖類似于 ETC (以太經典)這樣的代幣,離開以太坊的社區;

  • 三是礦工聯合起來對以太坊進行硬分叉,在分叉后的鏈上繼續采用 PoW 共識機制進行挖礦。

節點服務商

以太坊 2.0 對于所有的 PoS 節點服務商都是一個不能錯過的機會,也是一個非常大的挑戰。

從下表中可以看出,相比于 PoS 節點服務商的熱門項目 EOS、TRON、Tezos 和 Cosmos 等,以太坊的市值要比這些項目市值的總和還要大,以太坊 2.0 會直接成為市值最高的 PoS 項目,并且,后續參與以太坊 Staking 的用戶也會非常多。因此,以太坊 2.0 對于所有的 PoS 節點服務商都是一個不能錯過的機會。

熱門 PoS 項目的市值,數據來源:CoinMarketCap

但是,前文講到過,以太坊 2.0 要求每個賬戶中抵押的 ETH 數量是 32 個,這對于節點服務商來講是一個很大的限制。對于其它 PoS 項目,節點服務商只需要幾臺大型服務器就可以運行。但是對于以太坊 2.0,節點服務商可能需要同時運行成百上千個機器和賬戶,這對于服務商的運維能力提出了很高的要求。

同時,節點服務商還需要對不同客戶提供不同的服務。對于持有 ETH 數量較多的大客戶,服務商需要幫助大客戶分配 ETH 到多個不同的賬戶;對于持有 ETH 數量不足 32 個的小客戶,服務商需要幫助小客戶之間進行合并。對于規模較大、信譽較好的節點服務商,這些工作可以通過中心化的方式實現;對于規模較小的服務商,需要通過智能合約來吸引用戶。并且,節點服務商之間也存在著激烈的競爭。因此,以太坊 2.0 對于所有的 PoS 節點服務商都是一個不小的挑戰

交易所

以太坊 2.0 的共識機制改變對于交易所來講不會有特別大的影響。目前,很多交易所建立了自己的 PoS 礦池,使用用戶托管的數字貨幣進行 Staking 獲得利潤。以太坊 2.0 的共識機制改變之后,這些交易所礦池肯定也會參與 Staking。

監管機構

對于以太坊,美國證券交易委員會(SEC)曾經明確表示,ETH 不屬于證券型數字貨幣;在新加坡、日本和歐洲,ETH 也一直被視為支付型數字貨幣或應用型數字貨幣。ETH 面臨的監管政策風險很小。

但是,以太坊 2.0 的共識機制改變之后,監管機構對以太坊的態度可能會發生變化。2019 年 11 月,美國商品期貨交易委員會(CFTC)主席希思塔伯特表示,他們正在與 SEC 就以太坊 2.0 的潛在交易進行重新評估分析。假如以太坊 2.0 被評估為證券型數字貨幣,那么會對 ETH 以及整個數字貨幣市場帶來重大影響。當然,以太坊團隊也會在這個問題表達有利于自己的觀點。

思考和總結

以太坊 2.0 有很多改進的地方,共識機制由 PoW 轉為 PoS 是其中一個重要變化。提高整個系統的去中心化程度和提高可擴展性是以太坊 2.0 改變共識機制的主要原因。

為避免其它采用 PoS 共識機制的公鏈出現的中心化問題,以太坊 2.0 極大地降低了普通用戶參與 Staking 的門檻。同時,32 個 ETH 是每個賬號參與 Staking 的數量上限,這個要求將中心化參與帶來的利益降到最低。以太坊在區塊鏈領域的巨大優勢和接受程度,讓以太坊有底氣對 Staking 做出嚴格的限制條件。

以太坊 2.0 共識機制的改變會對生態中的礦工、節點服務商、交易所和監管機構產生不同的影響。各方需要提前對共識機制的變化做好相應的應對措施。在監管政策方面,目前還沒有明確的定論,暫時不需要對政策風險過于敏感。

以太坊 2.0 是以太坊發展的重要階段,從長遠來看,以太坊 2.0 改變共識機制是有利于以太坊發展的。從以太坊 2.0 的測試情況來看,以太坊 2.0 會在近期順利推出,這意味著以太坊會繼續擠壓其它公鏈的生存空間。以太坊 2.0 具有很強的競爭力,以太坊生態的繁榮和社區的眾多開發者是以太坊保持領先地位的關鍵。

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