公鏈之首以太坊的“一舉一動”都受到整個加密圈的關注，以太坊升級自然是大家最關心的話題之一。以太坊計劃於2022年第二季度進行“合併”，即實現由PoW（工作量證明）轉向PoS（權益證明），此共識機制的轉變也成為近期討論的熱點。
PANews經研究以太坊官網後發現，以太坊升級路線圖已經做出更改，同時相關的部分術語也進行了調整，目前還有不少文章仍引用此前的舊信息，這將對用戶帶來誤導，本文將根據最新路線圖詳細介紹以太坊升級以解決目前困境的技術方案、此次合併升級的意義以及未來升級的相關內容等。
技術方案
在了解以太坊升級的具體內容之前，我們先簡單回顧下以太坊為什麼要升級。以太坊的願景是在保證去中心化的前提下，具有更好的可擴展性和安全性，以更好服務於現有的和潛在的用戶，同時支持可持續性發展。但目前以太坊正面臨著網絡擁堵、運行節點的門檻越來越高、PoW機制引起的能量損耗等諸多困境，其一系列升級正是為了解決這些問題，從2014年以來以太坊升級就已經成為一個研究和開發的活躍領域。
眾所周知，要想解決公鏈性能的“安全、去中心化和可擴展性”這三難困境，必定在設計上做一定的犧牲，比如有些自稱高性能公鏈的解決方案就是犧牲去中心化，而一旦特許節點們出現問題就會造成網絡宕機。以太坊開發團隊計劃通過以下技術方案來攻克這個三難問題：
- 利用分片鏈來解決可擴展性問題；
- 利用信標鏈隨機分配驗證者來保證安全；
- 利用PoS機制降低節點門檻，實現去中心化；
具體而言，分片鏈將通過減輕節點驗證者的工作量，以及支持以太坊同時創建多個區塊，來提高以太坊的可擴展性。信標鏈將為不同分片鏈隨機分配驗證者，作惡的概率低，以太坊網絡的安全性得以保證。 PoS機制能有效降低運行節點的門檻，支持更多普通用戶成為節點驗證者，以最大程度地實現去中心化。
最新路線圖
通過不同解決方案的協同作戰，理論上以太坊升級可以同時保證去中心化、可擴展性和安全性。了解了技術方案後，我們再看看以太坊升級的最新路線圖以及目前的進展情況。
從最新路線圖中可看出，以太坊升級的主要節點是信標鏈上線、合併以及分片鏈上線，目前信標鏈已於2020年底上線，最近大家討論的升級是指“合併”。與舊版路線圖不同，最初計劃是在合併之前處理分片鏈以解決擴容問題，新路線圖中將合併升級提前到擴容之前。這一改變的主要原因是Layer2技術（第二層解決方案）的快速發展，尤其是rollups，這給以太坊團隊解決可擴展性問題提供了另一種思路。將rollups作為安全可行的以太坊擴展方式的研究被證明是前景廣闊的，同時分片鏈上線還需要幾年時間才可以實現，難度大且不確定性高，所以優先事項轉向了通過合併實現PoW轉PoS。
除了路線圖更改外，部分術語也進行了調整，之前ETH1（現有工作量證明鏈）和ETH2（原計劃將用戶和應用程序遷往的權益證明鏈）的叫法已被棄用，從2021年底開始，核心開發人員已停止使用這些術語，分別以新術語“執行層”和“共識層”來代替。所以合併後現有以太坊主網將被視為一條具有執行交易和智能合約功能的分片鏈“Shard 0”，不會被棄用，應用程序和用戶也不會遷移至新的權益證明鏈。
合併的意義
此次PoW轉PoS的合併升級，只涉及到共識機制的改變，以太坊網絡的可擴展性問題還需要依靠Layer2技術或分片鏈上線來解決。所以，這次合併升級也不會降低以太坊主網高昂的Gas費，這個問題需要分片鏈與Layer2技術相結合才得以有效解決，即交易過程在便宜的第二層協議上執行，最終的狀態（交易數據庫）存儲在分片鏈中。
關於PoW和PoS的對比，業內已有非常多的資料，在此不再贅述。本文結合將以太坊願景和升級所涉及的技術方案來談談信標鍊為什麼要採用PoS機制。
1）支持分片鏈上線。分片鏈的安全性將影響著整個以太坊網絡，所以只有當安全性得到有效保障後，才能逐漸上線，此次合併升級也正是為最後的分片鏈上線做準備。分片鏈的驗證者將由信標鏈隨機分配，因為是隨機的，所以一條分片鏈上的驗證者難以進行串謀作惡，據以太坊團隊介紹，該作惡的可能性小於萬億分之一，分片鏈的安全得以保障。
分片鏈的這種保護機制，只有信標鏈在PoS共識下才能實現，PoW共識無法做到。 PoW共識下，只要礦機算力強，任何人都可以成為礦工，所以協議無法控制礦工。沒有掌控權，就無法隨機分配，而礦工有了自主權，可串謀選擇對同一條分片鏈作惡，自然分片鏈的安全性得不到保證。 PoS共識下，成為驗證者的前提條件是質押32枚ETH，通過這個准入門檻，協議可以控制驗證者，通俗來講就是“不聽從我的安排你就退出”。因為對驗證者有了掌控權，所以協議可以隨機分配驗證者到分片鏈上，通過隨機性來保證安全。
2）降低節點門檻以實現去中心化。 PoW機制下，成為驗證節點的門檻較高，需要專業礦機等硬件設備，隨著以太坊生態的發展和礦機的更新迭代，普通用戶更難進入，如目前BTC礦工的現狀。採用PoS機制，以太坊可以有效降低驗證節點的准入門檻，任何用戶只要質押32枚ETH即可加入驗證者隊伍。驗證者的工作包括創建新區塊（即礦工），以及檢驗新區塊（未成為礦工），是由信標鏈隨機分配的，不需要比拼算力，對硬件設備的要求大大降低，支持更多用戶參與。參與驗證的節點越多，以太坊網絡也更加去中心化和分散，面臨攻擊時將會更加安全。
3）支持可持續性發展。 PoW需要消耗電力資源，目前電力供應本身就不足，比如近年我國一直存在工業限電現象，同時目前發電主要還是依靠火力發電，對環境不太友好，環保型的水力發電、太陽能發電、風力發電等一直未成為主力軍。在全球減碳環保的大背景下，選擇不消耗任何能源的PoS機制更符合以太坊網絡可持續性發展的願景。
未來升級——分片鏈
區塊分片是水平分割數據庫以分散負載的過程，以太坊網絡致力於通過分片鏈技術來緩解網絡擁堵並增加每秒的交易處理量。通俗來講，分片就相當於把一個任務拆解成多個，每個小任務可以同時進行，這樣就能有效提升完成該任務的速度。此外，如果組織內的成員較多，一個任務分拆給多人後，還有部分人是空閒的，那麼組織就可以再派其它任務給剩下的人，達到多任務同步進行，所以分片鏈支持以太坊同時創建多個區塊。通過任務拆解和多任務同步進行，分片鏈成為以太坊擴容的關鍵一環，通過與rollups技術相結合，可使以太坊網絡的TPS達10萬左右。
除了提升以太坊TPS外，分片鏈也為其實現去中心化做出貢獻。現有以太坊主網的驗證者需要存儲和運行整個網絡的數據，而分片後，驗證者只需要管理他們負責驗證的分片鏈上的數據，這不僅加快驗證速度，也降低了對硬件設備的需求，讓更多用戶可以成為驗證節點，據官網介紹分片後將最終讓個人在筆記本或手機上運行以太坊。
關於分片鏈未來的最終版本，目前社區也沒有統一定論。一種是分片鏈只作為數據層，僅向網絡提供額外的數據，不具有處理交易或智能合約的功能，所以升級後只有現有的以太坊主網作為執行層。另一種是部分分片鏈變得智能，可以像現在的以太坊主網一樣執行智能合約和交易，對此社區仍在在辯論中，當然未來可以根據需要重新考慮分片鏈的相關決定。
小結
從2021年的公鏈大戰，到今年多鏈共存的火熱討論，以及Layer2技術的展望，關於基礎設施公鏈的討論就一直是圈內熱點話題。以太坊作為加密行業最成熟的公鏈，其地位不可言喻，能否有效實現升級將對整個行業產生一定影響。而主打高性能而崛起的新公鏈（如Solana、Avalanche等），將如何應對未來以太坊升級，屆時整個公鍊格局又會發生哪些變化？未來PANews還將持續關注以太坊升級的相關情況，歡迎下載APP，關注作者持續關注。
