以太坊2.0如何解决区块链的扩展性问题

以太坊2.0当前正在实施前三个阶段：PoS、分片以及eWASM。目前看，这至少需要一年半以上的时间。以太坊2.0能否顺利落地直接决定了它未来在整个区块链领域中的江湖地位，因为其他的扩展方案，比如Polkadot、Cosmos和Harmony等本质上都是做扩展和做应用生态的。谁能率先走出来，谁就获得先机。

2013年11月， 滑铁卢大学一名俄罗斯裔加拿大年轻的大学生和比特币杂志的联合创始人，发表了一份白皮书， 提议开发一个支持通用脚本语言和应用程序开发的区块链平台。

他的名字叫Vitalik Buterin， 他的想法很快就火了起来。布特林与其他7位创始人一起创建了以太坊， 这是一个构建去中心化应用程序的智能合约平台 。他们发起了众筹， 为开发提供资金， 在12小时内筹集了3700个比特币， 当时价值约230万美元。一年后， 该项目于2015年开始运行。

以太坊的早期承诺是创建一台世界计算机——一台去中心化的世界计算机——它将执行任何人的代码以换取费用， 比如进行代币销售或去中心化的贷款。在早期的演讲中， Buterin 将以太坊比作为Google Play： 以太坊将允许开发人员将应用程序上传到区块链， 以便在世界任何地方使用。

快进四年后， 在很多方面， 我们仍在等待这一承诺的实现。虽然从Augur的预测市场到像Cryptokitties 这样的收藏类游戏的应用已经在以太坊上推出， 但大多数应用都未能得到持续使用， 也未能接近于成为像Facebook和Google等开发的消费应用，这些应用能吸引数十亿用户。

目前的dApps 的状态显示， 当前顶级的以太坊dApp 在过去24小时内只有 3000个活跃用户。即使dApp 是在吸引主流采用， 目前还不清楚网络是否有能力支持它 ——在Cryptokitties热潮的高峰期， 以太坊的交易费用在当时上升到了0.02 eth， 即20美元。由于核心项目停滞不前， dApps 未能吸引到用户， 整个加密货币市场逐渐冷却， 以太的价格已从2018年1月比特币市值的51% 左右降至如今的17% 左右。（蓝狐笔记注：目前约30%左右）

为了实现其潜力， 并将去中心化应用扩展到数百万甚至数亿用户， 以太坊必须解决与可扩展性和性能相关的关键问题。为此， 以太坊 开发人员推出了一个雄心勃勃的ETH2.0路线图， 其中包括PoS、分片等。以下是投资者需要了解的内容——以及相应的时间范围——这些开发可能会影响ETH的基本面。

以太坊2.0路线图

以太坊的许多问题都与速度和可扩展性方面的内在缺陷有关。解决这些问题， 同时保持协议的去中心化， 是ETH2.0 的核心优先事项。

当人们说以太坊是一个“去中心化的智能合约平台” 时， 他们的意思是智能合约的代码存储在网络上的每个全节点上， 并且代码必须在所有全节点上执行。以太坊的PoW共识模型意味着， 这可能需要 3到18分钟， 具体取决于网络拥挤程度。因此， 在以太坊上部署代码的成本比使用亚马逊网络服务（AWS）这样的中心化服务要昂贵得多， 而且速度要慢得多。

以太坊2.0 旨在实现扩展， 它有两个主要目标：

1. 引入PoS共识机制， 这将消除对昂贵的PoW挖矿的需求。

2. 引入分片， 这将提高 ETH 交易的速度和吞吐量。

以太坊2.0 将构建一个新的、独立的平台， 并在未来逐渐取代现有的系统， 而不是试图将这些升级直接构建到主网络上。

以太坊的wiki为ETH2.0 绘制了七个不同的阶段 ， 这可能需要几年的时间才能实现。大多数仍处于研究阶段， 没有明确的技术规格。在开发人员可以在以太坊2.0 上实际构建之前， 需要完成前三个阶段：

· 第0阶段——信标链：信标链是一个资产证明链， 将与以太坊 的PoW链平行运行。开始时，信标链为了简洁起见， 既不支持智能合约， 也不支持账户。

· 第1阶段——基本分片： 分片旨在通过将网络划分为多个分片来来帮助交易扩展， 从而允许网络同时处理多个交易。

· 第2阶段-eWASM： eWASM本质上是一个重建的以太坊虚拟机（EVM）， 支持PoS和分片。它将向ETH2.0中引入智能合约、帐户等。

以太坊2.0 的分阶段推出是为了在安全环境中测试对协议的每次升级， 而不会影响安全性。

正如以太坊研究员Ben Edgington 所写：

“在这样的一个新平台—— 信标链上构建，它允许我们能够在不受如今主网的约束下无限地引入巨大的创新， 最关键的是， 无需在当前运行的网络上进行开胸手术。”

在本文的其余部分中， 我们将介绍路线图的前三个阶段， 也就是PoS和以太坊分片。

信标链： 将PoS带给以太坊

信标链旨在作为以太坊2.0 的神经系统， 并引入PoS链， 它在开始时将与以太坊的PoW链平行运行。信标链预计将于2019年推出。

目前， 以太坊运行在一个PoW区块链上， 矿工们在其中竞相解决一个困难的密码学问题。这一问题的答案很容易验证， 但很难找到， 这意味着证明共识需要在硬件和电力方面进行大量投资。有PoS， 就可以通过一组被称为验证者的节点来达成共识。这些验证者中的每一个都“质押” 一定数量的 ETH 参与共识的进程。验证者提议新区块以添加到链中， 并通过投票过程验证新的交易。验证者会因为良好行为而受到奖励， 同时也因为不良行为（例如， 对无效交易投票） 而受到惩罚。

信标链的主要职责是维护一组PoS共识的验证者，提出并验证新区块， 并添加到链中。每个验证者须质押32 个ETH。信标链还随机选择由120个验证者组成的委员会， 以投票决定哪个区块写入链中。Beacon 链的第0阶段将是极其基础的， 既不支持智能合约， 也不支持帐户， 但它将为下一步的发展奠定基础， 如分片和升级的以太坊虚拟机。

PoS并不是一个新概念： 早在2011年Bitcointalk论坛上， 在比特币的早期就讨论过了。对PoS的普遍批评之一是， 它可能导致一小群富有的验证者对网络的寡头控制。ETH2.0 路线图旨在通过尝试经济激励和博弈论来解决这一问题， 但现在还不知道这将如何实现。

分片： 以太坊2.0的可扩展性

目前在以太坊网络上， 每个全节点验证所有交易。如果将智能合约上传到以太坊， 这意味着它必须在网络上的每个节点执行， 从而限制交易速度和吞吐量， 同时将节点的大小增加到2TB以上。

在以太坊2.0 中，分片提出了解决这一问题的方案， 以帮助以太扩容。分片是指将大型数据库划分为更小、更快的片段。 每个分片都有自己的交易链。以太坊账户将被分配到其中的一个分片上， 可以在该分片上与其他账户进行交易。

最终， 以太坊2.0的想法是促进跨分片通信——但这不会出现，直到第2阶段或更晚阶段。在以太坊2.0上， 分片用作网络的共享数据层。以太坊2.0的初始分片的推出至少要等到2020年。

Vitalik Buterin 对分片的解释如下：

“想象一下， 以太坊被分割成数千个岛屿。每个岛屿都可以做自己的事情。每个岛屿都有自己的功能， 属于该岛的每个人， 即账户， 都可以交互， 他们可以自由地沉溺于其所有的功能中。如果他们想与其他岛屿接触， 就必须使用某种协议。”

第1.0 阶段的以太坊分片将在PoS信标链上引入。分片将由一组由信标链随机分配的验证者进行验证。分片的验证者只需验证信标链分配给他们的分片上的交易。第1.0 阶段将引入100个并行工作的分片， 最初， 在此阶段， 它们不会处理帐户、资产或智能合约。

通过跨分片拆分大量网络交易，分片给网络带来了可扩展性优势， 但它也带来一组新的安全问题。在PoW中， 攻击者需要累积51% 的哈希率才能成功发起攻击。例如， 如果将网络拆分为100个分片， 则成功攻击分片所需的网络哈希率 （或在 PoS 中的质押存款） 变少。另一个批评是， 分片可能会导致更高的中心化程度， 因为每个不同的分片都由相对较小的验证者组运行。

虽然以太坊开发人员为这些问题提出了解决方案——主要是通过确保验证者是被随机选择的——但它们仍需进行测试， 这也是分片的最初实施会受到限制的原因。

eWASM： 以太虚拟机 v2

当前的以太坊虚拟机按顺序处理交易。以太坊网络上的每个节点执行交易并将其存储在区块链上。为了允许通过分片进行PoS和并行交易处理， 以太坊团队计划构建一个名为eWASM的新虚拟机。它仍处于研究阶段， 至少要到2020年才能建成——甚至可能需要更长的时间。

这是将智能合约功能引入以太坊2.0并使其执行类似于以太坊1.0的关键， 只是更快、更好。

根据eWASM 的规范：

“要真正使以太坊作为世界计算机， 我们需要有一个非常高性能的虚拟机。当前的虚拟机体系结构是原始性能的最大阻碍因素之一。WebAssembly的目标是利用各种平台上可用的通用硬件功能， 以接近本机速度执行。这将为需要性能/吞吐量的各种用途打开大门。”

eWASM 的引入将允许以太坊2.0支持智能合约、帐户、状态等。然而， eWASM 仍处于开发的研究阶段， 在它被推向生产之前， 可能还会发生很大的变化。

以太坊2.0 是马拉松， 不是短跑

以太坊1.0 是一群人杂乱无章地尝试建立世界计算机;以太坊2.0将是实际上的世界计算机。——Vitalik Buterin

对于ETH的投资者来说， 了解以太坊2.0路线图最重要的是， 它提出对协议进行彻底的改革——这需要大量的时间和反复才能实现。

Kyokan 对以太坊2.0有关的多个团队进行了访谈，根据他的一份报告， 前三个阶段的交付至少需要一年半的时间。与流行媒体的说法相反， 投资者应该意识到， 开发者想在以太坊2.0上进行构建，需要等待这些阶段的交付完毕。此外， 路线图的许多后期阶段仍处于研究的开发阶段， 这意味着新的研究可能使路线图的某些部分失效或造成重大延误。

如果以太坊2.0能够解决跟PoS和分片相关的难题， 那么它可能完全有能力保持其作为加密货币中最大的智能合约计算平台的领先地位。但这肯定不会一蹴而就。