全新 Ethereum 升級 (2.0)

注意：本文內容已過時。自撰寫以來，Ethereum 已成功完成「The Merge」，轉換為使用 Beacon Chain 提供的 Proof-of-Stake 共識機制。分片主網的計畫已轉向以 layer-2 為中心的路線圖，由 danksharding 及模組化設計原則驅動。

當 Ethereum 最初為去中心化新世界奠定基礎時，它憑藉對智慧合約與去中心化應用程式的原生支援吸引了使用者。然而，數百萬人的採用需要消耗大量能源，並造成極高的 gas 費用、網路壅塞、交易時間過長，以及區塊鏈規模過大等問題——這些問題在 Ethereum 所採用的共識機制 proof of work 中並不罕見。

什麼是 Ethereum 2.0？

Ethereum 最初將這次新升級稱為 Ethereum 2.0 或 Eth2。但自 2022 年 1 月 24 日起，由於使用者間存在誤解，這個名稱已被淘汰。Ethereum 現在偏好使用「execution layer」（Eth1）與「consensus layer」（Eth2）這兩個術語。

這次 Ethereum 升級從來就不是要取代 execution layer，而是要補充它。因此並不存在所謂的 Eth2，只有一個更好、更進化的 Ethereum。

這次升級也被稱為 Serenity，目的是透過提升永續性、可擴展性與安全性，解決 Ethereum 的一些結構性問題。

Ethereum 即將加入兩項關鍵升級：Proof of Stake（PoS）與 Sharding。

將共識機制從 proof of work（PoW）切換為 proof of stake（PoS）

Proof of stake 與 proof of work 被稱為共識機制。這些機制讓某個加密貨幣網路的所有電腦能就哪些交易有效達成共識。

PoS 是一種共識機制，其中交易由一群「質押」自己 ETH 的驗證者網路來確認，而非由礦工進行 PoW 運算。透過脫離運算密集的 PoW 流程，Ethereum 未來的能源消耗將大幅降低。

加入 Sharding

在 sharding 中，區塊鏈被分割成多個區段，分散網路負載。過去節點必須處理整條區塊鏈的交易，但有了 sharding 之後，節點將只需維護自己所屬 shard 的交易。

轉換為 proof of stake

Ethereum 計畫中的轉換，正值 Algorand 與 Solana 等新區塊鏈日益普及之際，部分原因在於它們相較於 Ethereum 的 PoS 優勢。這些優勢通常能帶來更低的交易費用與更快的最終確認時間（速度）。

許多人認為 proof of stake 及類似的共識機制將成為未來的標準，包括 Ethereum 創辦人 Vitalik Buterin，他認為大多數區塊鏈最終都會採用 proof of stake。

Proof of stake 與 proof of work 有何不同？

Ethereum 目前使用的是最初由 Bitcoin 開創的 PoW。PoW 由礦工（通常組成所謂的礦池）競相解出複雜的數學問題所構成。在此過程中，礦工競相計算出符合 Bitcoin 目前目標值的雜湊值。第一個找到正確雜湊值的礦工，最終會將新驗證的交易更新至區塊鏈，並獲得該鏈代幣作為獎勵。

雖然 PoW 是一種經過驗證且安全的共識方法，但隨著區塊鏈網路規模擴大，它已變得越來越不切實際且耗能。像 Ethereum 這類支援智慧合約的網路可能產生龐大的交易量。使用 PoW 驗證這些交易需要龐大的運算能力。

PoS 透過以質押機制取代挖礦來解決這個問題，該機制要求驗證者存入一定數量的鏈上代幣作為擔保，才能以驗證者身份參與網路。與 PoW 不同，PoS 所需的運算能力大幅降低，因為系統並非讓所有驗證者同時競爭，而是隨機選出一位驗證者。

當某位驗證者被選中時，即獲得將資訊寫入區塊鏈的權利，該資訊隨後由網路中其餘節點透過稱為「attestation」的流程進行驗證。作為回報，驗證者會獲得該鏈代幣的獎勵。若被選中的驗證者提出錯誤或惡意的區塊，將會失去其質押金，此過程稱為「slashing」。要在升級後的 Ethereum 上運行驗證節點，必須質押最少 32 ETH。

什麼是 Sharding？

Sharding 是電腦科學中常見的概念，指的是將資料庫拆分以分散負載的做法。對 Ethereum 而言，這代表將網路拆分成 64 條稱為「shard」的鏈。與目前的 Ethereum Mainnet 類似，每個 shard 最終都將擁有自己的一組帳戶餘額與智慧合約。

透過將區塊鏈拆分成多個部分，驗證者將不再需要負責處理 Ethereum 網路上廣播的每一筆交易。驗證者將改為驗證自己所屬 shard 上的新區塊，再由「committee」（128 位隨機選出的驗證者）進行確認。一旦某個 shard 區塊獲得足夠的 attestation，就會與 Beacon Chain 建立「cross-link」，以確認整個網路的交易。

The Beacon Chain 是各 shard 的主要協調機制，負責在各 shard 之間中繼 shard 狀態資訊，並管理驗證者流程。Beacon Chain 將產生亂數，用以指派 staker 驗證各 shard 鏈。

這對永續性有何影響？

由於 PoS 依賴的是質押貨幣而非像 PoW 那樣依賴運算能力，因此其耗能顯著降低。這對 Ethereum 而言是重要的改善，因為目前估計該網路年耗電量高達 112.9 TWh，大致相當於荷蘭全國（人口 1740 萬）的年耗電量。

Ethereum 開發團隊估計，這次轉換可以將能源消耗降低 99.95%。

這對可擴展性有何影響？

除了能源方面的效益之外，PoS 與 sharding 也將大幅提升 Ethereum 的容量。

目前 Ethereum 網路僅能支援每秒 15 筆交易。隨著數百萬使用者加入及新應用程式每日推出，這個交易上限已明顯限制了 Ethereum 的實用性。此外，現行的共識機制要求每個節點保存整個網路的資料，而這些資料量已超過 1TB。隨著網路規模擴大，這種不斷增加的硬碟空間需求並不可持續，也限制了誰能運行節點。

有了 PoS，運行節點將不再需要在硬體與能源上進行如此龐大的投資，這些成本也不會隨網路規模擴大而增加。

此外，加入 sharding 最終將能為網路解壅，因為可同時處理更多交易，且儲存需求也會降低。根據 Ethereum 開發團隊的說法，這些變更可讓吞吐量達到每秒 100,000 筆交易。

這對安全性有何影響？

PoS 的另一項優勢是能提升去中心化程度並改善安全性。硬體需求降低，因此也降低了更多節點加入網路的門檻。升級完成後，Ethereum 將至少擁有 16,384 位驗證者，相較於目前的 2,700 位。

轉換為 PoS 也進一步降低了潛在攻擊的誘因。首先，若驗證者嘗試發動攻擊，協議可能會銷毀該驗證者的質押 ETH，此過程稱為「slashing」。其次，諸如51% 攻擊或 Sybil 攻擊等攻擊行為，現在將需要攻擊者持有 51% 的質押 ETH，而非控制網路 51% 的挖礦算力。這不僅是一個不切實際的金額（以目前計算約為 150 億美元），還很可能導致 ETH 大幅貶值，從而抑制此類攻擊發生。

我們目前處於 Ethereum 開發時程的哪個階段？

升級之前

2015 年，Vitalik Buterin 意識到需要進行 PoS 升級。這次升級不僅對該平台而言意義重大，也實現了 Buterin 長久以來對 Ethereum 的願景，這也是核心 Ethereum Foundation 團隊多年來努力的方向。

「你可以把 Ethereum 1.0 想成是一個原型。我們必須先發布一個我們知道無法擴展的東西，以證明可以建構去中心化應用程式。」——Joe Lubin，Ethereum 共同創辦人。

Beacon Chain

2020 年 12 月 1 日，這次新升級的第一部分 Beacon Chain 正式上線。目前，Beacon Chain 與 Ethereum Mainnet 是以平行鏈的形式存在，我們使用原本 Ethereum 鏈的方式並未有任何改變。

Beacon Chain 更新為 Ethereum 引入了 PoS。使用者現在可以透過存款合約將自己的 ETH 從 Mainnet 轉移到 Beacon Chain，藉此質押 ETH 並進一步保護 Beacon Chain 的安全。然而，在 Ethereum Mainnet 與 Beacon Chain 於下一次更新（即「Merge」）中「對接」之前，將無法提領。這代表質押 ETH 的人必須再等一段時間才能領取獎勵。目前約有 1,000 萬 ETH 被質押，佔總供應量約 1.2 億的一部分。

一開始，驗證者只會將新區塊加入 Beacon Chain。但一旦「Merge」發生，這些驗證者將開始為 Ethereum 主網貢獻區塊。

在建置 PoS 的過程中，Beacon Chain 為 sharding 的實現提供了必要的基礎設施。最終，Beacon Chain 將負責隨機指派 shard 鏈的驗證者，這是提供安全 sharding 所必需的。Sharding 預計將在「Merge」之後的升級中加入。

The Merge

Merge 原訂於 2021 年第四季進行，現已改為預計在 2022 年第二季進行。完成後，Ethereum Mainnet 將成為 Beacon Chain 內的一個 shard，PoS 也將成為正式的共識機制。Ethereum Mainnet 這個 shard 將使用 PoS，從而終結 Ethereum 的 PoW 與挖礦。

透過加入 Mainnet，這個新的 PoS Ethereum 現在將具備執行智慧合約的能力，並擁有 Ethereum 完整的歷史與狀態。

值得注意的是，諸如提領質押 ETH 等功能，在 Merge 完成後不會立即支援，而是預計在其後的第一次硬分叉中推出。

Shard 鏈

預計於 2023 年推出的 shard 鏈，將分兩次更新完成。

版本一：資料可用性

Shard 鏈最初僅會為 Ethereum 網路提供額外的資料，新增 63 條鏈（總計 64 條）。在推出時，這些鏈尚不支援交易或智慧合約。然而，這些新增的鏈與 rollups 結合後，將大幅提升交易容量並降低 gas 費用，為每秒數萬筆交易鋪路。

Rollups 是一種 layer 2 解決方案，它在主 Ethereum 鏈（layer 1）之外執行交易，然後將完成的交易資料發布至 layer 1。這種將交易「rolling up」為單一鏈下交易的流程，具有顯著的可擴展性效益。

版本二：程式碼執行

這次升級的最後一部分，將使各 shard 更接近目前的 Ethereum Mainnet，使其能夠處理交易並執行智慧合約。各 shard 之間也將能夠互相通訊，實現跨 shard 交易。

這一步驟是否有其必要，在 Ethereum 社群中仍有爭論。許多人認為「版本一：資料可用性」所帶來的每秒交易數提升已經足夠，因此不需要更「智慧」的 shard。

Execution shard 究竟在多大程度上能加快交付速度，仍有待觀察。

Ethereum 升級的更廣泛影響

一旦 Ethereum 升級實現，Ethereum 或許能解決其整體區塊鏈生態系統面臨的許多瓶頸。撰寫本文時，gas 價格輕易超過 80 Gwei（約 30 美元），使得小額轉帳變得不切實際，進而限制了使用者群體。此外，這種壅塞也導致交易時間過長，許多情況下需要數小時，這進一步限制了 Ethereum 目前的實用性。

隨著 Ethereum 在永續性、可擴展性與安全性方面的新進展，許多這類瓶頸都將獲得改善，為 Ethereum 更廣泛的採用及更多應用場景鋪路。

雖然整個 Web3 領域無疑都將受惠於這次升級帶來的技術提升，但 DeFi 中如借貸與 yield farming 等部分領域可能會面臨更激烈的競爭，因為質押可能成為這些投資策略的替代方案。然而，至少在短期內，這可能是不必要的擔憂，因為 DeFi 收益率通常仍高於升級後 Ethereum 的質押獎勵。

應用程式需要多久才能轉移至這項新技術，仍是個未知數。Skale 網路創建者、Skale Labs 執行長 Jack O'Holleran 認為，大多數應用程式會等到 Merge 完成後，並可能會在「自己方便的時候」再進行轉移。雖然目前仍不清楚這次升級究竟何時會完成或被完全採用，但可以確定的是，一旦完成，它將為整個生態系統帶來全面改善的可能性。