2018年以太坊协议发展回顾

本文来自 medium，原作者：Ben Edgington，ConsenSys 区块链协议工程师。

翻译 | 莫尼

编辑| 陆晓明

对于以太坊来说，刚刚过去的2018年可以说是“网络扩张之年”。 让我们来看看以太坊区块链到底发生了什么，以及“以太坊2.0”之路取得了哪些进展。

扩大，扩大，扩大

事实上，从去年年初开始，以太坊社区就将年度主题定为“扩容”。

2018年1月2日，以太坊基金会宣布向致力于提升网络交易处理能力的开发人员和研究人员提供数百万美元的津贴，希望帮助他们尽快获得资金支持相关的扩展开发工作。

2018年3月4日，在题为“The Road Ahead for 2018”的主题发布会上，以太坊创始人、“V神”Vitalik Buterin在演讲中表示，扩容将是2018年最关心的事情。

那么，“以太坊扩容年”发生了什么？

根据以太坊基金会对扩容升级需求的描述，他们认为提升系统处理能力有两种备选方案。 第一层是“链上”协议层，永远跟不上以太坊区块链容量的增加； 第二层提倡“链下”的解决方案，大部分交易不会记录在区块链上，但底层区块链可以保证第二层系统的安全。

本文将首先介绍第一层协议的最新进展，第二层扩展的研发将在《以太坊2.0协议核心信标链详解》一文中详细阐述。

以太坊需要解决的一个问题：交易速度太慢

到目前为止，我们还没有看到任何区块链项目能够在如此短的时间内取得与以太坊相当的成就。 下图显示了以太坊自成立以来平均区块利用率的变化。 我们发现，经过前几年的低容量运行，2018年大部分时间区块利用率都超过了80%，有几天平均区块利用率超过96%。 （注：2016年夏天对以太坊的网络垃圾邮件攻击和之前的DAO黑客事件导致以太坊区块使用率出现短期峰值。）

以太坊的容量问题会导致极差的用户体验。 比如链上交易需要等待很长时间才能确认，交易手续费（gas price）也会变得很不稳定。

以太坊必须大规模扩展，因为用户需要能够每秒处理数千笔交易，而不是当前每秒 15 笔交易的区块链。 当然，扩容也是以太坊长期计划的一部分，“分片”方案也已经推出。 现阶段，以太坊网络与市场上其他区块链平台一样。 每笔交易都必须经过所有节点的处理和验证。 这种模式显然给交易速度带来了巨大的限制。 在分片网络中，与交易相关的交易处理和存储（交易状态）会被拆分成独立的分片（shards），因此每个节点只需要处理一小部分系统负载，速度也会得到提升. 所有这一切听起来似乎很简单，但实际上并非如此——真正的挑战是如何使整个以太坊网络安全并同时做到这一点。 网络攻击容易 1000 倍？

2018 年 3 月，中国台北：构建分片网络

事实上，早在2018年初，分片以太坊协议规范就已经出现，并稳定运行了一段时间。 根据规范中的约定，2018 年 3 月在中国台北举办了一次研讨会，期间汇集了计划在不同以太坊客户端实施分片技术的各方。 随着本次研讨会时间的临近，分片技术的研究步伐也在不断加快。 就在研讨会召开前三天，以太坊社区发布了新的规范大纲。 新思路，期待其未来的发展。

此次全球分片技术社区的首次聚会吸引了众多业界大咖，包括来自PegaSys/ConsenSys的Nicolas Liochon，他也是从欧洲长途飞行到台北。 下图是在台北举行的第一届以太坊分片研讨会的参与者合影：

第一个为期三天的以太坊分片技术全球研讨会探讨了广泛的问题，包括分片结构和其他更广泛的技术创新，主要参与者包括：

在正式实施分片之前，与会者就新规范中的概念进行了深入的讨论。 事实上，当前以太坊网络中的每个节点都需要负责三个不同的功能：

(1) 参与排序交易共识；

(2) 执行这些交易并更新状态；

(3) 确保这些交易和更新的状态对网络的其余部分可用（数据可用性）。

在分片网络中，这些功能可以分布在不同的网络参与者之间，从而可以优化网络中的各种功能，如下所示：

(1) 提案节点负责将交易封装到区块中，其提案将作为规范历史；

(2) 收集人节点将检查提议节点提供的区块中的数据是否可用，然后将其添加到分片区块链；

(3) 执行节点负责根据需要更新客户端的区块链状态（如客户端的账户余额）。 执行节点采用所谓的“惰性评估”方式，只执行实际需要的数据计算以太坊怎么发展起来的，这种方式也可以用于“替代执行引擎”——一种创新的并发执行引擎以太坊怎么发展起来的，使交易能够在并行，同时利用以太坊网络结构的优化，即侧链计算资源的方式来提升网络性能。

分片网络与目前的以太坊主网完全不同，但如果要在以太坊网络中平衡效率和安全性，对分片技术进行优化是非常有必要的。 毕竟，并不是以太坊区块链网络中的每个节点都可以成为分片客户端。 为了保持网络效率，提案节点和执行节点可以与少量分片保持同步，但为了保持网络安全，校对节点（即实际写入区块链的节点）可以在分片之间移动非常频繁，并且还可以防止网络中的少数参与者成为分片接管者。

在台北举行的第一届以太坊分片技术全球研讨会上，我们还讨论了许多其他问题，包括完成所有相关工作所需的各种基础设施、分片管理器合约、无状态客户端和对等网络层等。

显然，除了致力于建设以太坊扩容基础设施外，社区对以太坊网络的创新也有很大的需求。 这些需求与扩张无关，而是因为种种原因被压抑了下来。 也许，分片的实施将成为以太坊引入其他重大创新的机会。 因此在以太坊分片全球研讨会上，与会者还花了一些时间深入探讨其他话题，从有争议的用 eWasm 取代以太坊虚拟机 (EVM) 的想法，到账户抽象和存储租金等常见问题。

2018 年 6 月，德国柏林：当 Sharding 遇上“Stake Certification”

在中国台北举行的第一届以太坊分片技术全球研讨会上，与会者讨论了一些新的概念，因此在会议结束后，许多概念需要进一步评估，而在接下来的几周内，研究人员和开发人员似乎已经发现，确实有问题：

第一，在中国台北举办的首届以太坊分片技术全球研讨会上所讨论的提案的具体细节存在一些不足（具体不足可参见文章“Exploring the proposer/collat​​or split”）；

其次，开发人员和研究人员在其他领域看到了一些非常有趣的新发现，尤其是在加密方面，这允许在不损失效率和安全性的情况下对以太坊分片模型进行大规模重构。

随着新开发项目的推进，各种问题需要进一步深入讨论，因此以太坊分片社区决定是时候再举办一次分片研讨会了。 这一次，开发人员和研究人员决定将会议安排在 2018 年 6 月，恰逢 Status 正在组织开发者大会，因此以太坊 Sharding Workshop 决定利用这个机会在柏林举办。

就在Casper FFG（Proof of Stake）团队出人意料地参加这次以太坊分片技术全球研讨会前三到四个星期，社区提出了分片规范的另一项重大变更：为什么我们不能在同一个平台上一起构建分片和Casper平台？

事实上，根据目前被放弃的以太坊改进提案 EIP-1011，一些新的分片设计选择与计划中的独立 Casper FFG 工作有很多共性，例如：

鉴于这些共性，有人建议分片和 Casper 都可以构建在相同的基础设施上，即信标链。 此外，在同一个平台上构建分片和Casper的另一个好处是可以在现有的以太坊主网上运行Casper和分片，这样就不会给网络带来额外的负载。

在柏林举办的本次以太坊分片技术全球研讨会上，开发者和研究人员最终达成共识，同意在同一个平台上构建和实施sharding和Casper两个项目，相信这将是一种积极的、切实可行的方法。

除了探索该项目的未来计划外，以太坊分片全球研讨会还讨论了其他各种新想法：

迈向以太坊 2.0

时间来到2018年8月，以太坊的扩容又向前迈进了一步。

事实上，虽然在某些方面还存在一些问题，但对以太坊区块链扩容的研究在2018年上半年已经取得了很大进展，总体方向已经非常明确——分片和“权益证明”将是将在一个全新的区块链平台（即以太坊 2.0）上进行，该平台将连接到当前的以太坊主链（Main Chain），但主链将继续按原样运行。

基于这样一个全新的平台，Beacon Chain 可以突破当前以太坊主网的容量限制，进而不受限制地尝试和引入更多的创新。 更重要的是，该方案不需要在当前运行的网络上“下刀”，实施时间安排也更容易推测：Beacon Chain（包括Casper FFG在内的协调层）预计在2019年正式上线实施，而Shard Chain（数据层）将在2020年实现，执行层的实现时间可能在2021年。

毫无疑问，未来以太坊区块链将会有更多的创新，开发者和研究人员将更深入地讨论这些创新。 但总的来说，目前对于以太坊 2.0，我们仍在积极寻找新的共识机制、新的加密经济模型、新的执行引擎（比如 eWASM，甚至可能延迟执行）、新的加密原语（primitives）。

（注：原语是指操作系统在执行过程中不能被打断的基本操作，你可以理解为一段在执行过程中不能被打断的代码（在多道程序中，进程之间的切换，也可能有打断，以及它们经常被打断。像原子一样，它们具有不可分割的特性，所以它们被称为原语，像原子一样的语句。）

最后，让我们以以太坊联合创始人、“V神”Vitalik Buterin在中国台北举办的第一届全球以太坊分片技术研讨会上的一句话作为结尾——

“以太坊1.0是一群充满斗志的人试图建立一个‘世界计算机’（World Computer）；以太坊2.0将使这个‘世界计算机’成为现实。”