進擊的巨人：深入淺出，玩轉以太坊 PoS 合併 (The Merge)

研究員：Dazso#0947｜SnapFingers DAO 建設者
顧問：FibonacciSoup#5561 memeswap#8864

以太坊工作量證明（PoW）轉為權益證明（PoS）目前已經確認不延期，預計在 2022 年也就是本年度年末完成 PoS 的合併（The Merge）。截至目前，以太坊信標鏈 Beacon Chain 上的總質押量已經達到 1300 萬枚 Ether，驗證者數量也已經突破 35 萬。

可以說，今年是作為「公鏈之首」的以太坊的變革之年，與權益證明 (PoS) 的合併將是迄今為止對以太坊最深刻的技術升級，其重要性僅次於創世區塊的誕生。我們相信，PoS 通過更深入地將我們聯繫在一起和消除權力中心及其固有的缺點，將使 Web3 社會更加繁榮。

作為區塊鏈或者說 Web3 的參與者，無論是作為開發者、礦工還是科學家等等，都有必要深入的瞭解此次升級所帶來的影響，以及如何迅速融入升級後的 Yield & DeFi。本文將系統的闡述 ETH1.0 到 ETH2.0 轉型的始末，闡明 ETH2.0 所做出的改變內容，以及幫助參與者無縫過渡到 ETH2.0 生態中。

拂曉：ETH2.0 出現的始末

起因：為什麼要合併？

以太坊的目標是成為世界級計算機，但就目前而言，以太坊仍然面臨交易速度緩慢、手續費高昂、PoW 不環保等諸多問題。

首先老生常談的是上面提到的低擴展性。以太坊網絡支持數千個去中心化應用程序，每秒都需要處理大量交易，而採用 PoW 共識機制的以太坊 1.0，每秒只能處理約 10-50 筆交易，遠小於 PayPal、Visa 等中心化網絡，遠無法滿足用戶對於交易速度的需求。
2020 年，DeFi Summer 促使以太坊網絡上的交易量大幅增加，DappRadar 2020 Q3 Dapp 報告中指出，以太坊交易量在 2020 年第三季度猛增至 1195 億美元，與第二季度相比增長了近 1200%。但隨著而來的是網絡堵塞，交易費猛增。甚至一度平均交易費用達到 14 美元的高度，刷新曆史記錄。所以，手續費高昂一直是以太坊被詬病的一個重要的點。包括 EOS 創始人 BM 在內的不少人感嘆稱：對於大多數正常規模的交易來說，以太坊交易費用太高了。
同時被詬病更多的，是 PoW 的高能耗等問題。PoW 機制下，礦工需要購買礦機硬件、佈置礦池、消耗電力來獲得相應收益。根據以太坊基金會 2021 年 5 月 18 日對 Digiconomist 研究成果的援引，以太坊礦工目前每年消耗 44.49 太瓦時的電量，相當於一個小型國家一年的耗電量。

改變：合併可以帶來什麼？

此次以太坊的合併，是解決以太坊可擴展性問題第 0 階段，為後續可能到來的分片做鋪墊。所以，這次合併升級並不涉及擴容技術，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。在當前階段，將部署信標鏈，驗證者使用權益證明來創建區塊。

The Merge 後的以太坊，主要會增加以下三大特性：

1）更公平

以太坊基金會認為，PoW（工作量證明）機制下，算力投資等級越高，硬件維護能力越高，這讓大的資本相比散戶來說，擁有更高的資本回報和優勢；相比之下採用 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（要知道 PoW 礦工的投入要遠高於這個數字）。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。只需一台普通的筆記本電腦以及一個可靠的、保持在線的互聯網連接即可，所有質押者獲得的投資回報率更平等，也由於質押者的數量更多，更去中心化。

2）更安全

PoS 很容易從攻擊中恢復。V神在《為什麼要進行 PoS 》一文中論述到，在基於 GPU 挖礦的 PoW 中，攻擊網絡的成本僅僅是租用足夠的 GPU 趕超現有礦工的成本，只需要花費少量的成本和時間就可以進行攻擊工作。比如 ASIC 芯片挖礦需要 1/3 的持續成本(包括更新迭代硬件、維護、電力)和約 2/3 的資本成本。據計算，需要 487 美元左右。ASIC 以高昂的集中化成本提高安全級別，但這種高成本防範攻擊使得整個網絡趨於中心化，因為礦工加入的門檻也變高了。而在權益證明中，幾乎全部是資本成本，即運行節點的成本。隨著質押率的提高，攻擊成本預計非常高，V神個人預計這個數字最終會上升到 10000 美元左右。

在 PoW 網絡中，如果遭到 51% 攻擊，唯一的應對措施就是「等到攻擊者主動撤銷攻擊”。但這忽略了一種更危險的攻擊可能性，這種攻擊叫做產卵營攻擊(Pawn Camping Attack)，攻擊者一次又一次地進行攻擊，目的很明確，就是為了使整條鏈癱瘓。PoS 的情況會好很多。對於某些類型的 51% 攻擊(特別是回滾最終確定的區塊)，在權益證明中有一個內置的懲罰機制，通過這個機制，攻擊者的大部分質押(並不包括其他人的)將被自動銷毀。

同時，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，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。

3）更節能

PoW 機制下，礦工需要購買礦機硬件、電力和礦池，這導致了對於能源的較大消耗，轉化成 PoS 機制後，能夠節約超過 95% 的能源消耗，原因是以太坊給質押者的收益只需要消耗少量的網絡和電力費用。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。

深入：從礦工到驗證者

驗證者：ETH2.0 中的礦工

在 ETH2.0 中，「礦工」將被「驗證者」 (validators) 取代，這些驗證者需要將 ETH 存入某個以太坊智能合約中 (這一過程稱為「質押」(staking))。驗證者質押的 ETH 將作為抵押品，以激勵他們正確地完成驗證工作。不履行驗證工作 (比如因為離線) 或進行惡意行為的驗證者，將導致其質押的 ETH 的一部分被銷毀。另一方面，如果驗證者行為得當，那麼將會獲得 ETH 獎勵。

事實上，一個交易被敲定的過程要求驗證者進行的「證明」(attestations) 實際上要比上文闡述的要更複雜一些。有兩種類型的證明：一種是 LMD GHOST 投票，用於證明區塊鏈的鏈頭；第二種最為重要，是用於對兩個檢查點進行證明的 FFG 投票 (對區塊鏈進行合理化和最終敲定)。如果驗證者接收到的區塊是有效的，那麼驗證者將對區塊進行「證明」，實際上就是投票支持將該區塊添加到區塊鏈中。一個節點將不定期地被要求提議一個新區塊，其他驗證者將「證明」該區塊。當區塊鏈有多個分叉時，只有那條在其歷史上積累了最多「證明」的鏈才是正確的區塊鏈。

所有驗證者都會對每個檢查點進行 FFG 投票，而只有一個隨機選中的驗證者子集在每個 slot (將區塊添加到信標鏈的機會，每 12 秒出現一次)進行 LMD GHOST 投票。

此外，驗證者還將不定期地參與到某個同步委員會 (sync committee) 中，同步委員會是一個由隨機選擇的 512 名驗證者組成的小組，這些被隨機選中的驗證者將對區塊頭 (block headers) 進行簽名，這樣輕客戶端就可以檢索這些被驗證過的區塊，而無需訪問整條歷史鏈或整個驗證者集。

驗證者參與結果：質押獎勵、懲罰和罰沒

1）獎勵

驗證者需要質押的 ETH 用於作為「抵押品」，以激勵驗證者的誠實行為。隨著驗證者因為參與到保護網絡中而獲得獎勵，這些被質押的 ETH 將隨著時間的推移而增加。當確定驗證者的投票合法並有效、且與大多數其他驗證者一致時，那麼驗證者就會獲得證明獎勵。

當驗證者被選中作為「區塊提議者」(block proposer) 時，如果其提議的區塊被「敲定」，那麼該驗證者也將獲得獎勵。區塊提議者也可以通過將有關其他驗證者行為不當的證明打包進自己提議的區塊中，從而增加自己獲得的獎勵。

2）懲罰

驗證者可能受到的「懲罰」是以各種機制的形式來銷毀一部分驗證者質押的 ETH。當驗證者未能提交一個 FFG 投票、提交延遲了或者提交了錯誤的 FFG 投票時，都會受到證明懲罰 (attestation penalties)。驗證者餘額被削減的數額，等同於如果他們提交正確的證明而本可以獲得的獎勵數額。這意味著，一個誠實但「懶惰」的驗證者，他因為錯過了證明而遭受到的最大懲罰，就是損失他如果以完美的方式進行證明時本可以獲得的獎勵金額的 3/4。注意，如果不參與 LMD GHOST 驗證是不會受到懲罰的，只是無法得到相應的獎勵。

此外，當驗證者被分配至「同步委員會」(sync committee) 時，如果該驗證者未能簽名區塊，那麼其受到的懲罰將等同於如果他成功地簽名區塊時本可以獲得的 ETH 價值。

3）罰沒

罰沒 (slashing) 是一種更嚴重的行為，這會導致驗證者被強制從網絡中移除，並導致相關的 ETH 質押金損失。

如果檢測到嚴重的違規操作操作，驗證者就會罰沒。這意味著相當於其質押的 ETH 的 1/64 (最高可達 0.5 ETH) 將立即被銷毀，然後進行一個為期 36 天的移除。在此期間，驗證者的質押金將逐漸被削減；且在這段期間的中間點 (第18天)，該驗證者還將受到額外的懲罰，懲罰大小將與此次罰沒事件發生之前的 36 天內所有被罰沒的驗證者的 ETH 質押總額成比例。

這意味著，當更多的驗證者被罰沒時，此次罰沒的量級將會增加。最大的罰沒是所有被罰沒的驗證者的全部有效餘額 (比如，如果有大量驗證者被罰沒，那麼某個驗證者可能損失其全部的質押金)。

淺出：不同參與者如何玩轉 ETH2.0

對開發者：無縫過渡

在以太坊上工作的開發人員可以「高枕無憂」，因為用於合併前後架構的通用 API 以及對現有組件（如以太坊執行客戶端 Geth）的重用，將確保無縫過渡的不間斷開發體驗。這意味著現有應用程序的返工率很低甚至沒有。

PoW 和 PoS 接口的相似之處意味著無需更改 API。利用現有組件還可以確保無需重寫智能合約或 dapp 或遷移基礎設施。對於依賴隨機操作碼的 Dapp，可能需要更新一些基礎設施。如果您是以太坊開發人員並希望提前開始測試您的 Dapp 和基礎設施，鼓勵使用最近推出的 Kiln 測試網來進行。增加的客戶端選擇和靈活性將允許開發人員混合和匹配以滿足他們的需求，例如在執行層使用輕量級客戶端和在共識層使用重量級 Staking 客戶端。

遷移到 PoS 還意味著更可預測的區塊時間和費用，這將減少在設計 12 秒區塊時間和使用 EIP-1559 建立的 base 費用的高流量解決方案時的不確定性。

對普通 Web3 玩家：質押挖礦

在完全切換共識後，以太坊的增發率會低至 2% 以下，增發會遠低於目前。PoS 共識下的挖礦和理財比較相近，長期穩定下來的年化收益率預期在 10% 以下，傳統礦工一年回本、兩年翻倍的模式將不復存在。

可能很多玩家會說，質押 32 ETH 的門檻太高，會導致大部分 PoW 礦工無法參與其中。常言道，有求必有應，需求驅動供給的產生，諸如 Lido 等 Dapp 可以從門檻上進一步降低參與者的准入條件。如今 Lido 的 TVL 已達 195 億美元，在 DeFi 項目 TVL 總榜中穩居第二，僅次於 Curve。

總結

根據 Bankless 以太坊第一季度報告，僅在 EIP1559 燃燒情況下，ETH 通脹率從 1.10% 下降至 0.51%。按照目前的質押率，僅考慮轉換 PoS，通脹率為 0.5-1% 左右，低於比特幣的通脹率。兩者疊加，ETH 既有可能進入通縮狀態，將利好 ETH 價格。

合併過程或許不會一切順利。首先合併後 PoW 礦機節點將全部下線，許多礦工可能會在合併之前退出網絡，合併發生後也極有可能出現分叉。其次，如此重大的技術升級，也可能出現服務錯誤和黑客攻擊。

在過去幾年中，我們看到以太坊引領了 DeFi、NFT 等創新趨勢，同時以太坊在提升性能方面從未停止腳步，PoS 合併會是這一進程中的重要一步。在元宇宙敘事的 Web3.0 下，以太坊是否能保持龍頭公鏈的地位，建立一個更強壯的體驗與生態，引入更多用戶的參與，期待以太坊生態會有更好的表現。