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以太坊 2.0 的未来蓝图及挑战

2019-11-16 区块律动BlockBeat 来源:区块链网络

原文标题:《以太坊 2.0 的未来蓝图及挑战》

原文作者:Frank Lee

原文翻译:以太坊爱好者




-Danny Ryan(来源: Crosslink 2019)-


十月底于中国台北矽谷会议中心举行的 Crosslink 2019 Taiwan,吸引了来自世界各地的区块链爱好者们齐聚一堂。第一天的议程,邀请到了以太坊基金会(Etherium Foundation, EF)的核心研究员 Danny Ryan,会中分享了以太坊 2.0(Ethereum 2.0)目前的研究方向以及遇到的挑战,演讲的内容主要包含了以太坊 2.0 的架构,新的分片提案,执行环境(Execution Environments, EE)以及双向桥接(Two-Way Bridge)等议题。

一、以太坊 2.0 的架构


-以太坊 2.0 架构(来源: Crosslink 2019)-

第零阶段(Phase 0)


在以太坊 1.0(Ethereum 1.0)中,使用工作证明(Proof of Work, PoW)作为共识机制(Consensus),并借此产生新的区块。为了要减少工作证明产生新区块时,所需要的大量算力,以及所花时间过长的问题,以太坊 2.0 将改为权益证明(Proof of Stake, PoS)作为产生新区块的共识机制。

第零阶段会建立信标链(Beacon Chain),信标链就是以太坊 2.0 系统层级的链,当从以太坊 1.0 移转到以太坊 2.0 时,信标链扮演着非常重要的角色,它是整个系统的基础。

一旦第零阶段完成,将会有两个使用中的以太坊链。以太坊 1.0 链(目前所使用的 PoW 主链)以及以太坊 2.0 链(新的信标链)。在这个阶段,使用者在 1.0 链把以太币锁到合约里以注册公钥,2.0 链会承认合约内注册的公钥。但是,他们无法将该以太币迁移回去以太坊 1.0 链上面,为了要执行信标链,你会需要一个信标链的客户端。目前,许多团队正在开发这些客户端。

第一阶段(Phase 1)


第一阶段会加入分片链(Shard Chains),在这个阶段主要专注于分片链的数据结构,以及其有效性(Validity)和共识性(Consensus),分片链在这阶段只当作数据链,并不会指定分片链状态执行(State Execution)或帐户余额(Account Balances)。这比较像是对分片结构进行测试,而不是尝试利用分片来对信标链进行扩展。在这阶段,信标链会把分片链的区块(Block),当作没有结构或意义的位元集合(Collections Of Bits)。以太坊 1.0 和以太坊 2.0 仍将同时存在,并且在以太坊 2.0 链上进行测试和迁移。

这个阶段分片链会与信标链交联(Crosslinks),每个分片的当前状态—「结合数据根(Combined Data Root)」,会定期记录在「信标链」区块中,作为交联。信标链区块完成后,相应的分片区块(Shard Block)将被视为已完成,其他分片知道它们可以依靠这些区块进行跨分片交易。

交联是委员会(Committee)的一组签名(Signatures),证明了分片链中的某个区块,可以包含在信标链中。交联是信标链「理解」分片链更新状态的主要方式。交联还用作异步跨分片通信的基础结构。

信标链在每个时段(Slot)中的每个分片,随机选择分片验证者(Shard Validators),分片验证者只是用来在每个区块的内容上达成一致,他们通过交联证明分片的内容和状态,分片中包含什么内容都没有关系,只要所有委员会都达成共识,并定期更新分片上的信标链即可。


二阶段(Phase 2)


第二阶段会将所有功能开始结合在一起,在第二阶段,会完成分片化,分片链从简单的数据容器过渡到结构化链状态,并将重新引入智能合约。每个分片将管理基于 eWASM(Ethereum flavored WebAssembly)的虚拟机。它会支援帐户(Accounts)、合约(Contracts)、状态(State),以及 Solidity 中我们熟悉的其他抽象化,预计在第二阶段之前或第二阶段开发时,大家熟悉的工具(例如 Truffle、Solc、Ganache)需要转换成支持 eWASM 的版本,以太坊 1.0 及以太坊 2.0 可借由双向桥接来互通,会有可扩展的 Layer 1 执行,借由无状态执行,来提高执行速度。

二、新的分片提案


-新的分片提案(来源: Crosslink 2019)-


以太坊 2.0 原提案所运作的机制,是以每个时期(Epoch)为单位,来进行交联的动作,每个链上有 1024 个片(Shards),当需要跨分链交易(Tx)时,由于是每个时期进行交联,会有较大的延迟时间;新提案更新为每个时段都进行交联的动作,并减少片(Shards)的数量为 32 个,来降低跨分片(Cross-Shard)交易时的延迟时间,每个时段都进行跨分片交易。

新提案的优点


对于以太坊 2.0 新提案的优点,首先新提案的片(Shards)数量由 1024 个降至 32 个,降低了运算的复杂度,因为跨分片时间,从一个 epoch 降到一个 slot,时间缩短的好处,是给 DApp 开发者及使用者更好的体验。在原本以太坊 2.0 的设计中,需要复杂的手续费市场模型与乐观(Optimistic)解决方案,来实现跨分片交易手续费(Cross-Shard Transaction Fee)。但新提案改变了执行环境的设计,使得原本的复杂模型可以被大幅简化。

新提案的交易


新提案只需要比之前的提案更少的片(Shards),就可以启动交易,可能会有更长的分片时段(12s),更大的分片区块(Shard Block),目前更新到第零阶段,第零阶段测试网(Testnets)的测试,可能会有所延迟,新提案减少了第零阶段发布所需的时间。

目前的想法


希望能给开发者及使用者更好的体验,使用较大的分片区块(Shard Block),来改进数据可用性,以及要降低开发延迟和第零阶段发布所需花费的时间。

三、执行环境



-以太坊 1.0 简易架构图(来源: Crosslink 2019)-


在之前设计的以太坊 2.0 和以太坊 1.0 中,状态在共识机制里,扮演着非常重要的角色,共识机制会随时去读写所有的状态,不管是执行的概念、交易的概念、帐户的概念、树状结构的概念、以及所有在数据结构中的概念,都深深地融入共识中。

上图是以太坊 1.0 的简易架构图,在图中我们可以看到共识机制及一条链,共识机制里包含了状态及一个执行引擎,状态里包含了状态树,在这里的执行引擎使用硬编码规则,里面包含了执行交易、帐户模型和帐户结构,我们可以看到图的右边有一条链,链上面有交易数据,在以太坊 1.0 中,我们会在交易数据上执行共识机制,去修改和更新状态。

执行环境是一个单独的虚拟机器,在以太坊 1.0 中,会有一个特定的帐户模型(Account Model),以及事先定义好的操作码(Opcodes),矿工机制(Gas Mechanisms)和状态根(State Root),以太坊虚拟机(Ethereum Virtual Machine, EVM)就是一种特定的执行环境。

如果遵循 EIP(Ethereum Improvement Proposals)的建议,开发者总是在要求新的操作码,或着是更改矿工成本(Gas Cost)来支援他们的应用,像是 Plasma 和 Zkrollup 这样的例子有很多,这样就会需要修改 EVM 1.0 的执行环境,才能支援到他们的应用程式(DApp)。

但是在以太坊 2.0 的第二阶段中,我们可以支持多个执行环境。也可以有多个状态根,不同的帐户模型等。举个例子,你可以定义一个脸书币执行环境(Libra EE),以便在以太坊 2.0 上运行 Libra。或者,您可以定义一个比特币执行环境(BitCoin EE),这样就可以在以太坊 2.0 上运行比特币



-以太坊 2.0 简易架构图(来源: Crosslink 2019)-


在以太坊 2.0 简易架构图中我们可以看到状态根,它可能是 32 Bytes 的 Blob,上面有 WASM 的执行码(Execution Code),可以在使用者层级中去做细部设定。图片右边有一个链,链上有一般的交易数据以及见证(Witnesses),见证实际上显示在数据库的区块中,你需要针对该状态而不是数据库执行该笔交易,而且还需要证明数据对于当前状态根是有效的。举个例子,如果我们要在帐户 A 和帐户 B 之间传递数值,假设从帐户 A 移动 5 以太币到帐户 B,我们不能直接说帐户和余额(Balance)是确实可用的,在过程中,我们需要加入见证数据(Witness Data),来证明两个帐户当前的状态,当执行码正在执行交易数据时,状态根可以修改和更新状态树。

执行环境并不是共识机制预先定义好的,他可以在使用者层级上去做新增,我们也可以把以太坊 1.0 复制一份到以太坊 2.0 的执行环境中,将现有的状态根放入 EVM 直译器,用默克尔见证验证器(Merkle Witness Verifier)来当作他的执行码。

在原先的提案中,状态和共识息息相关,且执行帐户和共识中包含了状态树结构;而在新的提案中,执行环境为无状态模型(Stateless Model),高度抽象化的,并且它的可扩展性,相较原先的提案高出非常多。

执行环境的优点


执行环境有许多优点,相较于旧系统,它也许可以更快地将产品推向市场,因为我们不必等到核心共识推出之后,才研究并发展这个概念,在 Layer 1 会有更少的阻碍,它可以在各种应用上,使用具高扩展性及数据可用性的执行引擎,所以未来会长期使用这个核心基础层。

执行环境的设计完成,让以太坊 1.0 到以太坊 2.0 的迁移,有了更清楚的方向,使用执行环境比较不会有技术随时间迁移而过时的问题产生。

执行环境交易


对于执行环境交易,开发者及使用者可能会觉得太抽象,对什么是执行环境感到困惑,像是这一层加了什么?应该在这一层做什么?谁应该写执行环境?而且相关的开发规范会趋向更严格的形式。

虚拟机可能会有潜在的碎片化问题,进而影响到交易速度。

目前的想法


目前所有的研究都是正向发展的,还有充裕的时间,尝试并更好地了解设计空间,未来会多花一些时间,在建立更好的执行环境通讯机制上面。整体来说,现阶段的进度,对于未来是重要的里程碑。

四、双向桥接


最后一个主题,主要讨论开发双向桥接是否是值得的?团队可能可以在什么时间点,来去做双向桥接?


-单向桥接示意图(来源: Crosslink 2019)-


讲者先前提过的提案中,以太坊 2.0 最初有一个单向桥接,所以你可以从以太坊 1.0 转换到以太坊 2.0,但是最初的架构不允许回传,这主要是出于几个原因,这需要我们将以太坊 1.0 的发展与以太坊 1.0 和以太坊 2.0 的硬分叉紧密结合,并把两个系统置于互相影响的风险之中,因此团队认为以太坊 2.0 在发布且稳定之前,将两边紧密耦合是不明智的。

单向桥接的问题


月初在日本大阪举行的 Devcon 5 上,桥接的问题受到了广泛的讨论,原提案的单向桥接(One-Way Bridge)模式,会有验证者流动性的问题,而且更重要的是,它可能会引发以太坊 1.0 和以太坊 2.0 之间的可替代性问题,如果我们允许以太坊 2.0 上的流动性,那么某种形式的转移机制,就会在将以太坊 1.0 分叉到以太坊 2.0 之前,或着是在双向桥接之前产生,交易所中很可能会同时有两个币,团队和整个验证者社区都很担心这个问题,目前正在找寻减轻这个问题的方法。

另外也希望鼓励大家,在这些早期阶段进行验证,但是在早期阶段进行验证,肯定会有很高的风险,因为存在未知的锁定期,因此也希望找到方法减轻这种风险。

双向桥接


-双向桥接示意图(来源: Crosslink 2019)-


双向桥接目前可能的路线有两条,一种是在以太坊 1.0 上面,建立以太坊 2.0 的轻节点;另一种是在以太坊 1.0 上运作以太坊 2.0 的全节点。

路线 A: 在以太坊 1.0 上,建立以太坊 2.0 轻节点


-路径 A 示意图(来源: Crosslink 2019)-


这个路线需要在实际的 EVM 中支援 BLS-12–381,会花费很多开发时间,而且它只提供轻量客户端(Light-Client)层级的安全性。当验证者在 2.0 链上产生提款交易的收据时,我们会拿到以太坊 2.0 的轻量客户端证明,一但收收据的区块在以太坊 2.0 上敲定了,你就可以在以太坊 1.0 的合约上提款。不过,这可能不是团队最终选择的路线。

路线 B:在以太坊 1.0 上,运行以太坊 2.0 的全节点


-路径 B 示意图(来源: Crosslink 2019)-


第二种路线,会在以太坊 1.0 的节点上,运行以太坊 2.0 的全节点,这个路线允许我们使用敲定性机制,因此,我们不仅可以使用这种机制,来促进以太坊 1.0 和以太坊 2.0 之间的转移,我们也可以利用验证者的安全性,来保护以太坊 1.0 链,我认为大家对此感到非常兴奋,这通常被称为「敲定性小工具提案(Finality Gadget Proposal)」。

但是还是需要一种机制,去输出以太坊 2.0 状态根在以太坊 1.0 上,所以有一些以太坊 2.0 社群的讨论,在研究如何实作它,可能会包含矿工机制。

输出以太坊 2.0 状态根的另一个优势,是以太坊 1.0 有稳固的机制可以实现它,以及同时拥有以太坊 2.0 的高扩展性及数据可用性,可以做一些有趣的应用,像是 ZK Rollup 和 Optimistic Rollup。

双向桥接的优点


如果你在交易所中,列出以太坊 1.0 以太币和以太坊 2.0 以太币,它们的价格应该一样。如果不一样,你可以用较低的价格买一个以太币,把他发送到桥上,然后以较高的价格获得另一种以太币,并把它出售。这种套利会使它们的价格保持不变,这样会让用户,验证者和开发人员感到困惑,双向桥接可以防止两边的货币借由套利的形式,来互相转换。

双向桥接的交易


但是还是有一些权衡在这里,尽管对以太坊 2.0 的设计非常有信心,团队还是希望在影响到以太坊 1.0 的安全性和风险状况之前,先在生产环境中得到验证。

双向桥接是一种紧密耦合的共识机制,对于两边链的攻击及产生的问题,都会影响到另一边的链,协定的开发势必会非常烦琐,我们需要考虑到每个协定的安全性,如果我们越早开发协议,那么我们实际上的进度就越少,当每个障碍随着时间发展,它们就会相互阻碍,这让以太坊 1.0 在这一点上的开发速度比以太坊 2.0 慢得多,因为实际用户群存在很多担忧,并且需要大量的协调,才能在我们的生产网络上获得硬分叉。

所以,如果我们越早将这些东西连在一起,就可能会减慢以太坊 2.0 的开发和分叉周期,并且这增加了一些额外的开销,换句话说,验证我们可以链接客户端的开销是相对的。

目前的想法


我们应该会在加入验证者流动性之前启用桥梁,但是会等到第一阶段的产品稳定之后再开放;同样的,有很多相关的研究都在同时进行,这可能会影响到,何时完成这个操作。



名词解释:
EIP(Ethereum Improvement Proposals):EIP 是以太坊平台的标准,其内容包含了核心协议的规范,客户端 API 以及合约标准。
epoch:在以太坊 2.0 中,epoch 指的是时长 6.4 分钟的时间单位,每个 epoch 包含 32 个 slots。
Slot(时段):每个时段为 12 秒,不一定每个时段都能产生区块,而 epoch 中最后一个 slot 称为边界时段(Boundary Slot),或称为检查点(C heckpoint)。
Solidity:Solidity 是一种合约导向的语言,主要用来开发智能合约。
Consensus(共识机制):共识机制是区块链为了在各节点间达成共识,所开发的演算法。
Validator 验证者:验证区块的节点,由信标链在每个时段(Slot)为每个片(Shards)随机产生。
Gas:交易所需的费用,当 Gas 消耗完时,智能合约会终止并进行 Rollback。
EVM(Ethereum Virtual Machine):EVM 中文为以太坊虚拟机,是一种轻量级的虚拟机环境,Eth 1.0 中智能合约的运行环境为 EVM。
Dapp(Decentralized App):在以太坊中,基于智能合约的应用都称为去中心化的应用程序,即 Dapp(Decentralized App)。
ether(以太币):以太坊的货币名称。
Finality(敲定性):「敲定性」是 Casper 中的概念,是一种透过验证者投票,在链上产生不可回朔(Rollback)的检查点的机制。
Libra:脸书提出的加密货币,预计于 2020 年发行。
Merkle Tree: Merkle Tree 由计算机科学家 Ralph Merkle 所提出,中译为默克尔树,因为是由哈希函数形成的树。


原文链接: https://medium.com/taipei-ethereum-meetup/eth2-0-roadmap-70e1c23f139f

原文翻译链接:https://ethfans.org/posts/crosslink-2019-taiwan-eth2-roadmap-and-challenges

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编译者/作者:区块律动BlockBeat

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