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

  • 香港交易所:延长衍生产品收市后交易时段

    11月2日,香港交易所将延长衍生产品收市后交易时段。由2027年3月起,香港交易所衍生产品收市后交易时段的收市时间由现时凌晨3时延长至凌晨4时15分;将根据收市后交易时段延长后的市场发展,考虑是否于2027年11月将收市时间再延至凌晨5时15分。新安排下,收市后交易时段的收市时间将由凌晨3时延长至凌晨4时15分,让市场参与者可在香港日间交易时段以外,因应外围市况灵活管理风险。

  • ETH突破2300美元

    行情显示,ETH突破2300美元,现报2300.05美元,24小时涨幅达到1.35%,行情波动较大,请做好风险控制。

  • 本周重要事件与数据预告:美国中期选举、非农、中国外储

    11月2日,本周重要事件与数据预告如下: 1. 周一:①数据:中国10月RatingDog制造业PMI;瑞士9月实际零售销售年率;法国、德国、欧元区、英国10月制造业PMI终值;美国10月标普全球制造业PMI终值;美国10月ISM制造业PMI;美国9月营建支出月率;②事件:今日有1万亿隔夜逆回购、560亿元7天期逆回购到期。③财报:苹果(AAPL.O)、Palantir(PLTR.N)等。 2. 周二:①数据:澳大利亚至11月3日澳洲联储利率决定;瑞士10月CPI月率;美国9月JOLTs职位空缺;美国9月工厂订单月率;②事件:澳洲联储公布利率决议和货币政策声明,主席布洛克召开货币政策新闻发布会;2027年FOMC票委、芝加哥联储主席古尔斯比发表讲话;欧洲央行管委拉德夫、穆兰、科赫尔、多伦茨等发表讲话;2026年美国中期选举;③假期:日本东京证券交易所因文化日休市一日;④财报:辉瑞(PFE.N)、AMD(AMD.O)、BioNTech SE(BNTX.O)等。 3. 周三:①数据:美国当周API原油库存;中国10月RatingDog服务业PMI;法国、德国、欧元区、英国10月服务业PMI终值;欧元区10月CPI初值;美国10月ADP就业人数;美国9月贸易帐;美国10月标普全球服务业PMI终值;美国10月ISM非制造业PMI;美国当周EIA原油库存、当周EIA俄克拉荷马州库欣原油库存、当周EIA战略石油储备库存;②事件:欧洲央行管委内格尔、首席经济学家连恩发表讲话;美国财政部发布季度再融资公告;第二十四届中国半导体封装测试技术与市场年会于11月4日-6日在南京丰大国际大酒店举行;③财报:高通(QCOM.O)、Arm(ARM.O)、Uber(UBER.N)、麦当劳(MCD.N)等。 4. 周四:①数据:法国9月工业产出月率;瑞士10月季调后失业率;欧元区9月PPI月率;美国10月挑战者企业裁员人数;英国至11月5日央行利率决定;美国至10月31日当周初请失业金人数;美国10月全球供应链压力指数;美国当周EIA天然气库存;②事件:日本央行公布9月货币政策会议纪要;欧洲央行管委穆兰、执委施纳贝尔等发表讲话; 英国央行公布利率决议、会议纪要及货币政策报告,行长贝利召开货币政策新闻发布会;瑞士央行行长施莱格尔发表讲话;2026年FOMC票委、克利夫兰联储主席哈玛克就稳定币和避险货币汇率问题发表讲话;2027年FO

  • 伊朗外长披露“两天计划” 美方履约方能重启伊美谈判

    当地时间11月1日,伊朗外长阿拉格齐在接受媒体采访时表示,伊朗代表团访问卡塔尔是伊朗与卡塔尔、巴基斯坦等调解方持续沟通的延续。目前,摆在桌面的方案与伊朗此前提出的“七日计划”基本相同。卡塔尔和巴基斯坦等调解方也就此进行了多次磋商和讨论,并提出了比伊朗“七日计划”更具可行性和可操作性的建议。 阿拉格齐表示,卡塔尔提出的建议之一是“将七天期限缩短至五天甚至更短”。目前,伊朗同意一项“两天计划”,即:第一天,美国将采取一系列(履约)措施。第二天,霍尔木兹海峡将开放,海峡交通将恢复到之前的状态。 阿拉格齐指出,现在所有这些问题都摆在了桌面上,只要(美国)遵守伊朗这个为期两天的计划,就能为和平铺平道路,使霍尔木兹海峡恢复正常。在美国履行相关承诺、霍尔木兹海峡开放后,伊朗与美国恢复谈判的道路才会打开。据了解,伊朗提出的美国必须履约的条件包括:确定霍尔木兹海峡通航新航线、解冻伊朗资金、结束包括黎巴嫩在内的地区战争、解除海上封锁、伊朗出口石油豁免权、解除在《伊斯兰堡谅解备忘录》后美国实施的新制裁等。(央视)

  • 以媒:以色列已准备好与美国联手打击伊朗,但具体目标尚不明确

    11月2日,据《耶路撒冷邮报》报道,如果特朗普要求以色列国防军(IDF)在11月3日美国中期选举后参与美军空军对伊朗的军事行动,以军已做好打击准备,但目前局势仍笼罩在诸多不确定性之中。特朗普此前曾在今年8月、10月初及其他多个时点撤回对伊朗发动袭击的威胁,而如今袭击可能性再次上升,部分原因在于各方已尝试通过其他途径争取伊朗让步,特朗普团队中的部分成员也正重新转向支持军事打击。过去一周,超过10架美国军用运输机抵达以色列南部的内瓦提姆空军基地和乌夫达空军基地,似乎是在为一场重大军事行动做准备。另有报道称,美国正向以色列及其他阿拉伯盟友调运防空系统和拦截弹。不过,目前美国在该地区的兵力仍少于此前一些时期的部署规模。但这可能只是部署的开始。美国与以色列对于此类军事行动的具体目标仍存在分歧。(金十)

  • 币安:目前提现量已逐步趋于稳定,提款规模占资产管理规模的比例非常小

    11月2日,据官方消息,币安已于2026年11月1日14:00(东八区时间)起分阶段恢复提现服务。截至20:36(东八区时间),首批涵盖的全部15个网络与资产均已恢复提现。提现量在最初短暂激增后已回落,并如预期逐步趋于稳定,充值量则持续保持较高水平。 11月1日14:00至23:30(东八区时间)期间,我们共处理了46.49亿美元的提现及10.1亿美元的充值,净流出约36.4亿美元。根据截至2026年10月28日最新的储备证明数据,这相当于平台1,710亿美元资产管理总额(AUM)的2.1%。我们已于10月31日08:00(东八区时间)完成新一轮储备证明快照,并启动零知识证明(ZKP)计算。更新后的报告预计将于明日在储备金证明网页站公布。 我们的团队正继续对其余网络与资产进行严格测试。我们深知,安全、可靠地提取资金对您至关重要,并将尽快公布下一阶段的具体安排。请放心,目前市场状况稳定。

  • 币安:目前提现量已逐步趋于稳定,提款规模占资产管理规模的比例非常小

    11月2日,据官方消息,币安已于2026年11月1日14:00(东八区时间)起分阶段恢复提现服务。截至20:36(东八区时间),首批涵盖的全部15个网络与资产均已恢复提现。提现量在最初短暂激增后已回落,并如预期逐步趋于稳定,充值量则持续保持较高水平。 11月1日14:00至23:30(东八区时间)期间,我们共处理了46.49亿美元的提现及10.1亿美元的充值,净流出约36.4亿美元。根据截至2026年10月28日最新的储备证明数据,这相当于平台1,710亿美元资产管理总额(AUM)的2.1%。我们已于10月31日08:00(东八区时间)完成新一轮储备证明快照,并启动零知识证明(ZKP)计算。更新后的报告预计将于明日在储备金证明网页站公布。 我们的团队正继续对其余网络与资产进行严格测试。我们深知,安全、可靠地提取资金对您至关重要,并将尽快公布下一阶段的具体安排。请放心,目前市场状况稳定。

  • 币安:目前提现量已逐步趋于稳定,提款规模占资产管理规模的比例非常小

    11月2日,据官方消息,币安已于 2026 年 11 月 1 日 14:00(东八区时间)起分阶段恢复提现服务。截至 20:36(东八区时间),首批涵盖的全部 15 个网络与资产均已恢复提现。提现量在最初短暂激增后已回落,并如预期逐步趋于稳定,充值量则持续保持较高水平。 11 月 1 日 14:00 至 23:30(东八区时间)期间,我们共处理了 46.49 亿美元的提现及 10.1 亿美元的充值,净流出约 36.4 亿美元。根据截至 2026 年 10 月 28 日最新的储备证明数据,这相当于平台 1,710 亿美元资产管理总额(AUM)的 2.1%。我们已于 10 月 31 日 08:00(东八区时间)完成新一轮储备证明快照,并启动零知识证明(ZKP)计算。更新后的报告预计将于明日在储备金证明网页站公布。 我们的团队正继续对其余网络与资产进行严格测试。我们深知,安全、可靠地提取资金对您至关重要,并将尽快公布下一阶段的具体安排。请放心,目前市场状况稳定。

  • 币安恢复ETH、USDT、USDC、BNB 提现,后续资产逐步开放

    11月1日,币安在 X 平台发布提现更新公告,已恢复部分资产与网络的提现服务: - 以太坊网络:USDC、USDT、ETH - BNB 智能链(BSC):USDC、USDT、BNB 币安表示,完成安全检查之后,会分阶段继续开放更多资产与网络的提现,后续进展将通过币安官方渠道对外发布。

  • BTC突破78000美元

    行情显示,BTC突破78000美元,现报78000.01美元,24小时涨幅达到0.97%,行情波动较大,请做好风险控制。