Ethereum 2.0

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Blockchain
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Introduction

最近这段时间区块链内比较大的消息就是 Ethereum 2.0 的 The Merge 了。本文将介绍一下
Ethereum 2.0。

Ethereum 2.0，即 Ethereum 的升级版，其主要目的主要有两个：

  1. 降低能源消耗，即共识从 PoW 转为 PoS；
  2. 扩容，也称为分片（sharding），即提高 Ethereum 的 TPS（Transactions Per Second）。

目前（2022-09-15），The Merge 完成了第一个目标，第二个目标预计是在 2023 年完成。

The Beacon Chain

The Beacon Chain 于 2020 年 12 月 01 日上线，简单的来说就是 Ethereum 2.0 的先行网，
PoW 转 PoS 以及 sharding 都先在 Beacon Chain 上测试，最终于 2022 年 09 月 15 日和
Ethereum 主网合并，即 The Merge。

The Merge

北京时间 2022 年 09 月 15 日下午 03:00，Ethereum 合并成功， 即 Beacon Chain 和之前的
PoW 的 Ethereum 合并成功，Ethereum 正式从 PoW 转为了 PoS。这就是 The Merge 带来的
改变，Ethereum 不再需要消耗比较多的的能源来进行挖矿了，由 PoW 共识转为了 PoS 共识，大概减少
了 99.95% 的能源消耗。

这次升级，除了降低了挖矿的能源消耗，还带来了以下两个改变：

  1. ETH token 开始进入通缩
  2. 节点架构改变

ETH 通缩

在 The Merge 前，每天 PoW（Ethereum Mainnet）上大概可以挖出 13,000 ETH，PoS（Beacon
Chain）大概可以挖出 1,600 ETH。 Merge 之后，PoW 去除，只保留了 PoS 上的奖励，即每天 ETH
的新增量变为原来的 $\frac{1600}{13000 + 16000} \approx 10.96%$， 减少了
$\frac{13000}{13000 + 16000} \approx 89.04%$。而 London Upgrade 之后，即
EIP-1159 之后，每个 tx 都会销毁一定数量的 ETH。假设 gas 的平均价格最低为
16 gwei，那么一天销毁的 gas 会大于或等于 1,600 ETH，即每天销毁的 ETH 会大于或等于新增的
ETH。所以 The Merge 之后 ETH 会进入通缩的阶段，如果 gas 的平均价格超过 16 gwei 的话，
那么ETH 的通缩就会加速。

P.S 通过 https://ultrasound.money/#burn 的数据来看，在 gas 的平均价格为 11 gwei
时，每分钟会销毁大概 0.80 ETH，即一天大概会销毁 0.80 * 60 * 24 = 1,152 ETH。如果 gas
的平均价格为 16 gwei 的话，则 ETH 一天的销毁量大概为：1,152 * (16 / 11) = 1,675。

具体详细的数据都可以在 https://ultrasound.money 这个网站上查看。

节点架构改变

因为共识机制的改变，所以节点架构也就不得不变了。The Merge 前只需要执行一个程序，就能进行挖矿。
The Merge 后需要执行两个程序：一个执行层，一个共识层。其中执行层的是原有的 PoW 的软件的，
用来执行验证 tx，公式层是新增的，用来出块的。如下图：

eth2-node.png

以下是对应的节点的软件：

各个软件的使用占比参考：https://clientdiversity.org/#distribution

NOTE：如果自己不想跑节点的话，可以直接使用第三方的节点，比较知名的有三个：
Infura，Alchemy 和 QuickNode。其中 Infura
支持主网和所有的测试网，但 Alchemy 只支持主网和 Goerli 测试网。更多三方的节点供应商可到
https://ethereumnodes.com/ 查看。

如果想自己跑节点的话，现在也有集成的环境，DappNode 和 Avado。
其中 DappNode 可以自己安装，也可以直接购买预装好的硬件，Avado 是软硬件一体化，只能购买，
不能自己安装配置。

开发者须知

既然共识变了，block 也会做出对应的改变。The Merge 后区块主要有三个变化：block 结构，OPCODE
和区块的出块时间与状态。

Block 结构

The Merge 后，区块结构变得更复杂了，增加了以共识层的一些字段，同时对于原有的共识层（现在的
执行层）的一些字段做了一些改变。下图是 The Merge 之后一个区块的结构图：

eth2-block

在 PoW 的共识中，是有一定的概率出现叔块（ommer/uncle block）的，所以之前的区块结构中会有
ommer block 的相关字段。但是在 PoS 中，出块是确定的，不可能出现 ommer block，因此 The
Merge 之后区块执行层生成的区块的中 ommers 为空数组 []，封装成 tx 就是：
RLP([]) = 0xc0，即 ommers 字段的值为 0xc0。因此 ommersHash 的值为
0x1dcc4de8dec75d7aab85b567b6ccd41ad312451b948a7413f0a142fd40d49347
（Keccak256(RLP([]))）。

同时，PoW 中最关键的两个字段 difficulty 和 nonce 也都设置为零，即 difficulty
的值为 0，nonce 的值为 0x0000000000000000（nonce 类型为uint64，8 bytes）。
汇总起来如下表：

FIELD CONSTANT VALUE COMMENT
ommers []/ 0xc0 RPL([]) = 0xc0
ommersHash 0x1dcc4de8dec75d7aab85b567b6ccd41ad312451b948a7413f0a142fd40d49347 = Keccak256(RLP([]))
difficulty 0
nonce 0x0000000000000000

又因为出块由共识层出，所以在 PoW 中用来验证是否具有出块权的 mixHash 字段用来存储上一个
出块者选出的这一轮的出块者，用来证明自己有出块权，并命名为 prevRandao。prevRandao
是根据 slot number 算出来的随机数。具体的可参见：EIP-4399 及其讨论
EIP-4399: Supplant DIFFICULTY opcode with RANDOM
和 EIP-4788。

注：Ethereum 2.0 中 slot 可对应 1.0 中的 block，但严格来说 slot 是 block 的超集，
因为 slot 可以包含 block，也可以没有 block。32Slots = 1Epoch，这是在为后续的sharding
做准备。

OPCODEs

The Merge 只改动了两个 OPCODE：

  • BLOCKHASH(0x40)：准备弃用，虽然还可以正常执行，但是其安全程度变得很低，因为不是由 PoW
    来算 Hash 了。
  • DIFFICULTY(0x44)：改名为 PREVRANDAO，可以用来获取随机数。

Block Time and states

因为 PoS 出块时就是由一个质押者（Staker）来出，所以时间 PoW 的更具有确定性，PoS 每 12s
出一个块，PoW 是平均 13s 出一个块。

同时 PoS 中没有 PoW 的 confirm 状态，而是将区块分为四种：

  • head，就是刚出的块，状态为 unfinalized
  • safe head，出块一段时间后，有超过 2/3 的验证者验证过，状态为 safe
  • confirmed，由 safe 状态转为 finalized 过渡类型，在被其他的节点添加到链上
  • finalized，有超过 2/3 的验证者将这个区块添加到链上，状态变为 finalized

状态为 finalized 的区块被视为可信任区块，即对应 PoW 中的 confirmed 的区块。

常见误区

  • Ethereum 2.0 的 token 为 ETH2：错。不论是 PoW 的 Ethereum 和 PoS 的 Ethereum，其
    token 都是 ETH，从来都没有 ETH2 的 token，ETHW 也不是 Ethereum 之前的 token，而是
    有人在 The Merge 时进行分叉，利用大量矿工手里的显卡。在术语中，eth1 指代的是 Ethereum
    中的执行层（execution layer），eth2 指代的是 Ethereum 中的共识层（consensus
    layer）。
  • 运行一个节点需要质押 32 ETH：错。不质押 ETH 也可以运行一个节点，只是没有出块权。
  • The Merge 降低了 gas fee：错。The Merge 是共识的替换，并没有降低 gas fee。
  • The Merge 提高了 TPS：错。The Merge 后 Ethereum 的 TPS 并没有显著的提高，出块的速度
    只是从原来的平均 13s 一个块到每 12s 一个块。提高 TPS 是 sharding的目标，而不是 The
    Merge 的目标。
  • The Merge enabled staking withdrawal：错。取消质押需要等 Shanghai Upgrade 后才能
    操作。The Merge 时 Shanghai Upgrade 还没完成，所以 The Merge 后不能马上取消质押。
  • 验证者不能收到出块奖励直到 Shanghai Upgrade：错。只要出块，就能得到出块奖励。
  • 如果可以取消质押，所以的质押者（验证者）会同时取消质押：错。每个 epoch（6.4 mins）内最多
    允许 6 个质押者退出，如果退出者过多，会动态调节每个 epoch 的最大退出数，同时还在质押的人
    的 APR 提高，以吸引更多的人进行质押。

Sharding

Sharding，称为分片，即在水平方向拆分数据库，分散数据库的负载，以达到扩容的目的。Ethereum 2.0
的 sharding 和 Layer 2 一起来分摊负载，这样就可以减少网络拥堵，提高 Ethereum 的 TPS。

Sharding 的特性可以让运行 Ethereum 节点的门槛降低，让更多的人运行节点，构建更稳定的共识
网络。

Sharding 的实现分两步：

  1. Data availability
  2. Code execution

Data availability 是在提高 TPS 的同时，保证之前的数据（即 state）是可用的；Code
execution 是在 state 都可用的情况下执行执行智能合约（Smart Contract），这一步需要引入
zk-snarks（零知识证明）。

Conclusion

总的来说，这次 Ethereum 的 Merge 并没有完全的升级为 Ethereum 2.0，最多算是 Ethereum
1.5，毕竟目前 Ethereum 或者说整个区块链都在突破“不可能三角”^impossible-triangle，
其中已经有其他的公链走在 Ethereum 前面。但是只能说 Ethereum 在前期积累了较多的 dapp 和
用户，形成了聚集效应，但是 Ethereum 能否赶在其他新的公链之前突破这个三角，这个没人能预测。
从这次 Merge 来看，我们能知道的是 ETH 的供应有通缩的趋势，同时 PoW 转为 PoS 变成了有钱的
更有钱，没钱的会更没钱，会逐渐形成两极分化。而且因为 PoS，运行节点的矿工会减少，虽然有机制
来保证质押者不会一次性大量撤出，但是没有质押的人不太会去维护一个节点。

Anyway，去中心化是一种趋势，最终谁能胜出，让我们拭目以待吧。

Reference

  1. The Beacon Chain. https://ethereum.org/en/upgrades/beacon-chain/
  2. The Merge. https://ethereum.org/en/upgrades/merge/
  3. How The Merge impacts ETH supply. https://ethereum.org/en/upgrades/merge/issuance/
  4. Tim Beiko. 2021. How The Merge Impacts Ethereum’s Application Layer. https://blog.ethereum.org/2021/11/29/how-the-merge-impacts-app-layer
  5. Tim Beiko. 2022. Shanghai Planning. https://github.com/ethereum/pm/issues/450
  6. Wackerow. 2022. SPIN UP YOUR OWN ETHERUM NODE. https://ethereum.org/en/developers/docs/nodes-and-clients/run-a-node/
  7. Ethereum 2.0 Knowledge Base. https://kb.beaconcha.in/glossary

Appendix

Appendix A. Shanghai Upgrade

Shanghai Upgrade 需要实现以下的 EIP：

  • EIP-1153: Transient storage opcodes
  • EIP-2537: Precompile for BLS12-381 curve operations
  • EIP-2935: Save historical block hashes in state
  • EIP-3651: Warm COINBASE
  • EIP-3540: EVM Object Format (EOF) v1 + EIP-3670, EIP-3690, EIP-4200
  • EIP-3855: PUSH0 instruction
  • EIP-3860: Limit and meter initcode
  • EIP-4396: Time-Aware Base Fee Calculation
  • EIP-4444: Bound Historical Data in Execution Clients
  • EIP-4488: Transaction calldata gas cost reduction with total calldata limit
  • Statelessness gas cost changes (Verkle Tree HF1) and the groundwork necessary for it (unhashed state + sync)