Cointime

扫码下载App
iOS & Android

以太坊 PoS 演进史

项目方

为了提高区块链的效能、降低能源损耗,以太坊不断推陈出新,让整个区块链世界产生了巨大的变革。随着技术的不断进步,以太坊也将开始向新的高度挑战。让我们一起来探讨这个让人感到振奋的演进过程!

01

2020 年 12 月 PoS 信标链上线

为了将耗能的 PoW 升级至节能的 PoS,以太坊在 2020 年 12 月 1 日时,上线了以 PoS 共识机制为主的以太坊信标链(Beacon Chain)!

PoS 名词解释

在 PoS 中,有些名词会和 PoW 稍微不同!

Block(区块)的概念改为 Slot(插槽)与 Epoch(纪元)。平均来说,每 12 秒会出一个 Slot,而每 32 个 Slot(= 12 秒 x 32 Slot = 6.4 分钟)称为一个 Epoch。

Difficulty(挖矿难度)改为 Slot PrevRandao(或称 Block Randomness 随机数)。

Miner(矿工)改为 Validator(验证者)与负责出块的 Slot Proposer(提议者)。

目前,若要成为 Validator,需使用 Validator 私钥及 Withdrawal 私钥来建置不停机的验证节点,接着将带有以下指定 Data + 32 ETH 的交易打到 Deposit 合约中:

  • pubkey(48 Bytes):Validator 公钥,链上唯一识别。
  • withdrawal_credentials(32 Bytes):将 Withdrawal 公钥作 SHA256 后,将最左侧 2 位元由 0x00(BLS WITHDRAWAL 前缀)替换而得。
  • signature(96 Bytes):由 Validator 私钥向 (pubkey, withdrawal_credentials, deposit_amount) 资料进行签名
  • deposit_data_root(32 Bytes):由上述 pubkey、withdrawal_credentials、signature 建立 Hash Tree,并取得其 Hash Tree Root 而得。

△ Slot 与 Epoch、Validator 与 Proposer

成为 Slot Proposer 要做的事

在下一个 Epoch 到来前,每个 Slot 会透过 Randao 随机数指定 1 位 Validator 成为此 Slot 的 Proposer,而他要完成 2 件事!

第 1 件事:建立区块,并让其他 Validator 进行验证及投票。

理想上,Slot Proposer 会在最新的区块后面,直接建置下一个区块,如同 PoW 时期以维持最长链原则。

但实际上,可能会因 P2P 网络延迟、恶意节点尝试攻击等,导致 Slot Proposer 未必能在最新的区块后面建置下一个区块,造成区块链分叉。

这时,需请其他的 Validator 进行区块投票,得票高者即可成为下一个区块。若恶意节点故意在同一个 Slot 时段内建立 2 个区块,则会被施以严重的大幅削减(Slash)处罚(从质押的 ETH 中一次性罚款)并退出网络。

第 2 件事:提出一个随机数种子 S,并公开 Hash(S) 结果。

因为少了过去 PoW 的算力竞争,但直接指定 Proposer 有违去中心化,所以需要一个由众多 Slot Proposer 一同决定的 Randao 随机数,用来选定下一个 Epoch 的 Slot Proposer 们。

第 1 件与第 2 件事不断重复,使得区块链不断地产生新区块。

Slot 的 Validator 数量推算

在说明每个区块及 Epoch 需要多少票数前,先进行目前 Slot 的 Validator 数量推算。

回顾一下:每 12 秒为一个 Slot,而每 32 个 Slot 为 1 个 Epoch。由 Beaconscan 网站可得知,目前撰文时全球总共约有 512,000 名以太坊 Validator。

所以,每 1 个 Epoch 约会有 512,000 名 Validator 进行投票。平均下来,每 1 个 Slot 约会有 512,000 / 32 = 16,000 名 Validator 进行投票。

每个 Validator 要做的事

扣除负责出块的 Slot Proposer,剩下 N - 1(N 是 16,000)的 Validator 需在每个 Slot 中完成 Attestation 工作,即向支持的区块及 Epoch 来进行投票!

投票 1:向支持的 Epoch(对应的 Checkpoint Slot)投票,支持的 Epoch 包含需同时选定 Target Epoch 及 Source Epoch(可参考下图)。

  • Target 为 Validator 认同当下所在的 Epoch。
  • Source 为 Validator 认同最近的 Epoch(通常为上一个 Epoch)。

若某个 Target Epoch 结束,并得到超过 2 / 3 Validator(即 512,000 x 2 / 3 = 341,333)的票数,则此 Epoch 标示为 Justified,故最快要等上 1 Epoch = 6.4 分钟的时间。

承上,若此 Target 紧连的 Source Epoch 也得到 2 / 3 票数(通常 2 者为连续的 Epoch),则此 Source Epoch 标示为 Finalized。因此,最快要等上 2 Epoch = 12.8 分钟的时间。

Epoch Finalized 之前的区块规定不可再被更改。

△ Justified 与 Finalized 的 Epoch 判断方式

投票 2:向支持的区块投票(或称之为 LMD-GHOST Fork Choice Rule 共识)。

可对过去 1 Epoch 内的 Slot 区块进行投票。

如果 Validator 有以下行为会无法拿到奖励:

  • 投给旧的、错误的区块(可能投票期间未同步至最新区块所致)。
  • 投票经常延迟或设备离线,但如果网络出现 4 个 Epoch 都没被 Finalized 的情况(进入 Inactivity Leak 期),则会有罚款。

如果 Validator 有以下行为会进行严重(Slash)处罚:

  • 同个私钥同时存在两台不同机器上导致同一 Epoch 时间内有 2 次对区块的投票行为。将机器迁移时,没有将资料库也迁移,导致迁移的机器向同一区块重覆投票的行为。
  • 如果被 Slash 处罚一次或因罚款导致余额低于 16 ETH,则会被强制踢出网络。

从 beaconcha 统计数据可得知,自信标链上线以来,被 Slash 总共有 229 名 Validator,大多为非恶意的机器设置错误导致,约占整体 Validator 的 0.045%。

本节重点整理

PoS 是由链上所质押的 ETH 作担保,来维持分散式共识(若伺服器停机、提交延迟、或提交错误共识内容则会有罚款),但此时要自建 24 小时不停机节点 + 质押至少 32 ETH,门槛过高。

对于仅有少量 ETH 却又想参与 PoS 网络的用户该怎办?所以,像是 Lido 等服务商,就有提供收取质押奖励的 10% 作为手续费,让用户进行小额质押。而且,更特别的是 Lido 还提供质押 ETH 兑换 stETH。

从 Dune 统计数据可得知,目前所有质押的 ETH 约占总供应量约 14.66%。

02

2022 年 9 月 

PoS 信标链与 PoW 以太坊完成合并

众所期待的 PoS 以太坊终于在 2022 年 9 月 15 日完成合并(The Merge)!此时,只能使用 Validator 进行质押挖矿,而使用显卡挖矿的矿工时代也真正地成为了过去!

虽然,一般使用者仍可按照过去 PoW 使用方式进行 ETH 转帐或合约交易;但实际上经过 The Merge 升级后,以太坊节点已拆分成 Execution Layer(EL)执行层及 Consensus Layer(CL)共识层了。

△ 以太坊节点区分 CL 及 EL 层

在 The Merge 后采用了 PoS 共识,虽然 PoW 机制被移除,但是 PoW 的 Excution Layer 却合并到 Beacon Chain 中。

Execution Layer(EL)执行层负责:

  • 仍与 PoW 时一样进行
  • 执行 EVM 虚拟机
  • 但是,当区块分叉时,取代 PoW 机制,会由 CL 层告知哪一个区块是 Head Block

Consensus Layer(CL)共识层负责:

  • 进行 Proof of Stake 共识
  • 当区块分叉时,采 LMD-GHOST Fork Choice Rule 共识来决定

The Merge 升級前,Execution Layer 的內容

△ 完成 The Merge 升级后,Execution Layer 的内容与过去 PoW 时期相同

然而, 对于执行以太坊节点的营运者,可以决定将 CL 节点(如:Lighthouse)、EL 节点(如:Geth)拆分建立,并使用元件所提供的 Engine API 来进行沟通。甚至可执行其中一个元件,另一个元件则与其他节点共用。

本节重点整理

The Merge 合并之后,将以 PoS 的取代 PoW 以太坊 。

但此时 Validator 们仍无法赎回已质押的 ETH,所以才会有下一个重大的升级:上海硬分叉。

03

2023 年第 2 季度

以太坊信标链进行上海硬分叉升级

以太坊 PoS 信标链于 The Merge 后另一项重大的升级:上海硬分叉,终于让为数众多的的 Validator 开放让为数众多质押 ETH 的赎回申请,但考量到系统的稳定性(如:避免 Validator 数量骤减,影响共识安全及稳定等),每个 Epoch 可退出的 Validator 或 ETH 数量是有限制的!

质押退出机制

欲将已质押的 ETH 赎回,Validator 需将 EL/CL 节点升级、在 CL 节点上修改收益地址等前置作业,即可进行 ETH 赎回请求啦!分为 2 种形式:

部份赎回(Partial Withdrawals)

  • 将超过 32 ETH 的其他 ETH(不论是质押 or 奖励)给赎回。
  • 因目前一个 12 秒的 Slot 最多只能有 16 次的部份赎回额度,以全网有 512,000 Validator 来计算,平均每个 Validiator 要等 4.44 天才能收到 ETH。

全部赎回(Full Withdrawals)并退出 Validator 角色

  • 因目前一个 6.4 分钟的 Epoch 只能退出 6 名 Validator,所以会依照申请的顺序来进行全部赎回。
  • 注:实际上,为避免一次大量 Validator 退出网络而导致安全性问题,所以每个 Epoch 可退出 Validator 数量会依照全网 Validator 总数来进行限制(可参考下方表格)。

而以上无论是部份赎回,还是全部赎回,因为都在 CL 节点上广播请求,所以也均无需 Gas 费用。

△ 每个 Epoch 可退出 Validator 数量会依照全网 Validator 总数来进行限制

上线前需充分测试

另外,此次升级正式上线前,需要在各个测试网上进行充分测试。

  • 2023 年 2 月 7 日  Zhejiang 测试网上线
  • 2023 年 2 月 28 日 进行 Sepolia 测试网上海硬分叉升级
  • 2023 年 3 月 进行 Goerli 测试网的上海硬分叉升级

还有其他的提案

而且,这次升级除了 EIP - 4895(允许验证者提取质押的数字资产)是主要提案外,还会一同实现以下 EIP 提案:

  • EIP-3651 预热 COINBASE:启动「COINBASE」地址的预热功能,降低交易手续费消耗。
  • EIP-3855 增加 PUSH0 指令:将常用的「常数 0 推送」操作变成一个指令,将可减少合约程式码大小。
  • EIP-3860 限制和计价 initcode:增加合约部署规范,避免部署程式码过大占用空间。
  • EIP-6049 新增 SELFDESTRUCT 停用警告:更新 SELFDESTRUCT 指令的文件说明,警告使用者该指令未来将被停用。

本节重点整理

开放质押的 ETH 赎回,但基于安全理由,每个 Epoc(约 6.4 分钟)只能退出 6 个验证者(因此每天约有 1,350 个验证者或者 43,200 ETH 可退出。

若你刚好是以太坊信标链的 Validator,强烈建议在上海升级前阅读「上海升级,和你有关吗?」文章,来了解上海升级时你一定要做的几件事情!

复制链接到浏览器阅读:

https://support.token.im/hc/zh-cn/articles/17270818005401- 上海升级 - 和你有关吗 -

总 结

综观整个 PoS 演进史,以太坊始终保持着为用户提供最优秀的使用体验和开发环境的初衷。

PoW 到 PoS,不断的改变也带给了我们更加高效和环保的区块链世界,上海硬分叉升级将为以太坊带来更多的可能性。

在未来,随着这一系列 EIP 提案的引入,Ethereum 将越来越容易地融入日常生活中,并且让人们都可享受到区块链带来的安全性与方便性。让我们一起期待以太坊的更美好未来!

参考资料

  1. 以太坊 Safe Head 机制介紹(一)https://medium.com/imtoken/safe-head-part-1-14071f14016b
  2. Eth 2.0 的共识层和执行层分工及 The Merge 影响https://medium.com/taipei-ethereum-meetup/eth-2-0-cl-el-separation-and-impact-of-the-merge-dbeb6828c907
  3. Blocknative - A Staker's Guide to Ethereum Slashing & Other Penaltieshttps://www.blocknative.com/blog/an-ethereum-stakers-guide-to-slashing-other-penalties
  4. ETH Withdrawals FAQhttps://notes.ethereum.org/@launchpad/withdrawals-faq
  5. How does the NEW Ethereum work?https://www.preethikasireddy.com/post/how-does-the-new-ethereum-work
  6. Proof of Stake Rewards and Penaltieshttps://ethereum.org/en/developers/docs/consensus-mechanisms/pos/rewards-and-penalties/

END

评论

所有评论

推荐阅读

  • 特朗普称正考虑逐步降级对伊朗的军事行动

    Cointime 报道,3月21日,美国总统唐纳德·特朗普当地时间3月20日在其社交媒体“真实社交”发文表示,随着他们考虑逐步降级在中东针对伊朗政权所开展的各项重大军事行动,他们已非常接近实现既定目标:彻底削弱伊朗的导弹能力、发射装置及所有相关设施。摧毁伊朗的国防工业基础。消灭伊朗海空军力量,包括防空武器系统。绝不允许伊朗哪怕是接近拥有核能力;同时,美国必须始终保持一种态势,以便一旦出现此类情况,能够迅速且强有力地予以反击。以最高级别的力度,保护美国在中东的盟友,包括以色列、沙特阿拉伯、卡塔尔、阿拉伯联合酋长国、巴林、科威特及其他国家。 特朗普称,霍尔木兹海峡的守卫与巡航工作,应在必要时由其他使用该海峡的国家来承担,美国将不再承担此责任。若受邀协助,美国愿为这些国家在霍尔木兹海峡的行动提供支持,但一旦伊朗的威胁被彻底消除,此类协助便将不再必要。尤为重要的是,对于这些国家而言,这将是一次轻而易举的军事行动。 (央视新闻)

  • 灰度向美SEC提交Grayscale HYPE ETF的初始S-1文件

    Cointime 报道,灰度向美国证券交易委员会(SEC)提交了 Grayscale HYPE ETF(代码: GHYP)的初始 S-1 文件。并表示,“注册声明尚未生效。在注册声明生效之前,不得出售股份,也不得接受购买要约。

  • 分析:比特币跌破6.6万美元或引发10%-20%深度下跌

    3 月 21 日,持牌市场技术分析师(CMT)Aksel Kibar 表示,比特币潜在上升楔形形态的下边界支撑位位于 66,000 美元,若跌破可能引发熊市反转。上升楔形作为经典技术形态,通常在上涨趋势末期出现,预示价格动能衰竭,历史数据显示类似下跌突破确认后平均回调 10-20%。

  • 白宫称特朗普没有向伊朗派兵的计划

    3 月 20 日,一位白宫官员表示,尽管有新的部队调动以及可能封锁哈尔克岛的报道,特朗普「没有」向伊朗部署军队的计划。这位官员补充说,美军「随时可以夺取哈尔克岛」,但目前仍保留多种选择,不会透露具体战略。

  • 美国向伊朗增兵引发市场恐慌,金银、美股快速下跌,比特币跌破7万美元大关

    3 月 20 日,据 Bitget 行情信息,报道称美国将向中东增派兵力后,现货黄金向下触及 4550 美元/盎司,日内跌 2.19%。现货白银日内重挫 6.00%,现报 68.45 美元/盎司。美元指数 DXY 日内涨超 0.5%,报 99.76。此外,标普 500 指数跌幅扩大至 1%、纳斯达克指数现跌 1.36%。而短期利率期货价格显示,市场预计美联储很可能在 12 月加息。另据 HTX 行情信息,比特币跌破 7 万美元,现报 69761.56 美元。此前消息,美国正在向中东派遣三艘军舰,并向中东增派数千名海军陆战队员。

  • 伊朗最高领袖就伊朗新年发表书面贺词

    3 月 20 日,伊朗最高领袖穆杰塔巴·哈梅内伊刚刚就即将到来的伊朗传统节日诺鲁孜节(3 月 21 日),也就是伊朗传统新年发表书面贺词。穆杰塔巴表示,过去一年伊朗经历多轮「军事与安全冲突」,造成包括军方指挥官和民众在内的人员伤亡。他指责以色列在美国支持下对伊朗实施袭击,并称相关行动未能达到其预期目标。在谈及国内局势时,穆杰塔巴表示,外部势力试图通过经济压力和舆论手段影响伊朗社会稳定,但伊朗民众的动员能力和社会凝聚力有效挫败了相关企图。经济方面,穆杰塔巴强调,应通过发展「抵抗经济」、改善民生和基础设施建设来增强国家韧性。在外交层面,他表示伊朗将继续重视与邻国关系,呼吁包括巴基斯坦、阿富汗等在内的地区国家加强合作与团结。(CCTV 国际时讯)

  • 美CFTC发布加密资产与区块链业务FAQ,强化监管规则一致性

    3 月 20 日,美国商品期货交易委员会(CFTC)主席 Mike Selig 在 X 平台发文表示,该监管机构已发布关于加密资产及区块链相关业务的常见问题解答(FAQ),进一步明确注册机构及交易实体的合规指引。据悉,其中内容涉及围绕代币化抵押品及数字资产作为保证金等问题,补充解释了此前发布的两份员工函(代币化托管指引与数字资产保证金无行动豁免指引),为市场参与者提供更清晰的操作框架。Mike Selig 补充称,随着「Project Crypto」成为联合推进项目,与美国证券交易委员会(SEC)保持一致,也是推动加密监管规则清晰化与统一化的重要一步。

  • 特朗普:伊朗已经没有领导人可以对话

    3 月 20 日,特朗普表示,伊朗已经没有领导人可以对话了,也没人想再当伊朗领导人了。

  • Tom Lee支持的WLD财库公司Eightco增持价值4000万美元OpenAI股份

    3 月 20 日,据 The Block 报道,Eightco 宣布增持价值 4000 万美元 OpenAI 股份。由此,公司已向 OpenAI 投资了总计 9000 万美元。Eightco 最近任命 Bitmine 董事长 Tom Lee 为董事会成员,同时也是 WLD(由 Sam Altman 支持的加密项目 World 的原生代币)的最大公众持有者。3 月 12 日,Eightco Holdings 宣布获 1.25 亿美元融资承诺,BitMine 领投。

  • 标普500指数跌幅扩大至1%

    Cointime 报道,行情显示,标普500指数跌幅扩大至1%、纳斯达克指数现跌1.36%。