以太坊2.0技术分享

1月11号20：00，BlockMania AMA直播第41期暨BlockMania「201技术AMA」第3期继续进行，本期主题为「以太坊2.0技术分享」，本期活动由著名技术社区Comunion主办，BlockMania协办，分享嘉宾为《深入了解以太坊》作者、星链科技技术负责人王欣。

以下为本次AMA整理回顾

01.以太坊的发展之路

这是一张2019年的以太坊路线图，我们看到从2013年底，以太坊创始人Vitalik Buterin发布了以太坊初版白皮书，启动了项目，到现在已经不知不觉走过了6个年头。

2014年7月24日起，以太坊进行了为期42天的以太币预售。到9月份，以太坊通过预售一共募集到 31,531 个比特币，根据当时的比特币价格，以太坊成功募集到了超过 1800 万美元，根据 CoinTelegraph 的报道，以太坊「作为最成功的众筹项目之一，将会被载入史册」。

到了2015年7月30日，以太坊Frontier网络发布。开发者们开始在Frontier网络上开发去中心化应用，矿工开始加入网络进行挖矿。矿工自身通过挖矿得到代币奖励，另一方面也提升了整网的算力，降低被黑客攻击的风险。

Frontier是以太坊发展过程中的第一个里程碑，它虽然在开发者心目中的定位是beta版本，但在稳定性和性能方面的表现远远超出了任何人的期望，从而吸引更多的开发者加入构建以太坊生态的行列。

2016年3月14日（π日），以太坊平台的第二个主要版本Homestead对外发布，同时也是以太坊发布的第一个正式版本。

2017年9月18日，以太坊开发团队开始测试「大都会」（Metropolis）版本的第一阶段：拜占庭分叉。2017年10月16日，主网在4,370,000区块高度成功完成拜占庭分叉。

此次硬分叉将为智能合约的开发者提供灵活的参数；同时，为后期大都会升级引入zkSnarks零知识证明等技术做了准备；延迟引爆难度炸弹，将冰河期推迟1年；挖矿难度显著降低，因此以太坊平台的交易速度会明显提高，对应的矿工们挖矿的收益从每区块5个以太币降低到3个。

2019年6月，「君士坦丁堡」硬分叉在 7080000 区块高度完成，升级中包括五项改进方案：

1）为数据存储的变更引入更公平的定价方法；

2）使智能合约开发商受益；

3）更良好的促进基于状态通道和链下交易的特定可扩展性解决方案；

4）随着更多事物被转移到第二层；

5）将块采矿奖励从 3 ETH减少到 2 ETH，以及延迟以太坊的难度炸弹 12 个月。

就在上个月，以太坊正式完成了「伊斯坦布尔」分叉，包含六个以太坊改进提案（EIP），解决的主要问题是：拒绝服务（DDoS）攻击弹性，降低Gas成本，增加基于zcash的Equihash工作量证明。

我们看到以太坊作为区块链2.0技术的代表，不断发展，不断创新，成为了业界数一数二的明星项目。

这张图可以看到，以太坊的项目资产规模稳居第2的位置，远远超过其他加密货币项目。这与以太坊技术的高度有着非常密切的关系。以太坊背后的开发者也是非常具有极客精神的一群人。

02.以太坊核心技术

回到技术层面，我们可以看到以太坊的技术架构也是一种分层架构。从上到下，依次是应用层，合约层，协议层。协议层包含了EVM虚拟机，区块管理，KV数据库，共识算法，P2P网络等基本组件。

其中智能合约是以太坊最最核心的技术，它的实现基于以太坊内部的EVM虚拟机，智能合约可以完成任何代码逻辑，从而支持多样化的商业流程，以太坊中使用solidity语言编写智能合约。

智能合约构建了以太坊丰富的DApp生态，让区块链更加落地，更加能与各行各业相结合，更加方便与物联网、大数据、人工智能、云计算这些技术相结合。

这也是以太坊区别于比特币即区块链1.0系统的最大魅力所在。

03.企业以太坊

大家知道以太坊是一个公链项目，那么和我们的日常生活，还有我们开发者有什么关系呢？

我们怎样利用好以太坊这个技术资源，用到自己的项目上，或者做一些传统行业的创新？这一直是困扰行业从业者最大的问题。

目前可能最成功的应用还是围绕着数字资产的金融生态，比如交易所。但是在资产交易之外，人们的探索也一直没有停止。

早在2017年，以摩根大通、芝加哥交易所集团、纽约梅隆银行、汤森路透、微软、英特尔、埃森哲等20多家全球顶尖金融机构和科技公司成立的企业以太坊联盟。

这是企业以太坊的协议栈，我们看到比以太坊公链多了不少内容，它也更偏向一种企业架构，更加符合联盟链的定义，在隐私保护、跨链通信、共识算法方面做了改进和优化。

04.技术改进方向

我本人也是2017年和企业以太坊EEA有过一些交流，参加过他们组织的电话讨论会议。但是由于联盟是一个松散的组织，缺少明确的发展目标和合作机制，直到今天也没有什么实质性的进展。

用他们自己的话说，就是组织内有太多的politics。其实这个联盟还是以摩根大通的贡献为主，他们推出了Quorum技术框架，就是以太坊在企业应用的比较好的原型。

蚂蚁区块链的BaaS平台，微软云都是支持Quorum框架的。

那么，现在区块链的技术也遇到了瓶颈，也就是以太坊2.0概念被提出的原因。

主要的优化集中在三个方向：性能、隐私和手续费。

05.以太坊2.0

ETH 2.0将分三个阶段实现：

阶段0

信标链，涉及核心部分、网络、签名方案和随机性。它在 Prysm Labs 创建的 Sapphire 测试网上运行。如果你有 Goerli ETH，则可以加入该测试网，质押gETH。

阶段1

是面向64条独立运行分片链的协议实现。每个分片都可以运行网络的一种状态。例如，你可以将 Maker 放在一个分片上，将其他 DeFi 应用放在另一个分片上，将 Eth1 链放在另一个分片上，将 Crypto Kitties 放在另一个分片上，依此类推……

阶段2

支持执行引擎，实现整个空间的交易和帐户模型。执行引擎使系统的复杂度最小。

不知道是否还会推出更多的后续阶段。尽管研究人员希望看到更多的 Eth2.0 分片链开发规划，但这一切仍处于发展的早期。

这个是以太坊2.0的分层框架，主要变化是增加了Beacon Chain和Shard Chain。Shard翻译为分片，类似于分布式操作系统，不同分片内的交易可以并行处理。

经过一段时间的开放讨论，以太坊的2.0技术也逐渐开始收敛：分片数量从之前的 1024 减少到 64，分片区块大小从（目标值 16，上限值 64）kB增加到（目标值 128，上限值 512）kB。分片总容量为 1.3-2.7 MB/s，具体值取决于时隙（slot time）。

如果需要的话，分片数量和区块大小可随时间的推移而增加，比方说 10 年后最终达到 1024 个分片，以及 1 MB 区块。

在 L1 和 L2 层实施了诸多简化方案：

1）所需的分片链逻辑更少；

2）因为 「原生的」 跨分片通信可以在 1 个时隙内完成，所以无需通过 Layer-2 为跨分片通信加速；

3）无需通过去中心化交易所来促进跨分片交易费手续的支付；

4）执行环境能够进一步简化；

5）无需再混合序列化和哈希。

当然，这也引入了一些问题：

1）信标链的开销更大；

2）分片区块产生时间更长；

3）对 「突增性」 带宽需求更高，但对 「平均」 带宽的需求更低。

TPS一直是区块链被关注的重要瓶颈，我们知道比特币和以太坊都采用了PoW共识算法，TPS也就10左右。

最近以太坊2.0研究中引入了zk-rollup技术，它理论上可以将交易提高到3000TPS。

接近中心化系统的性能，大家知道，Visa 网络目前平均TPS为2000。

这是使用zk-rollup技术的以太坊理论性能对比

每个批次（一个批次就是一个 zkRollup 区块）包含 2048 笔（简单的以太坊）交易和一个 zk 证明。但是，由于实施了 EIP 1108 和 EIP 2028 这两个提案，交易和证明的 gas 成本现在都发生了变化：每笔交易为8.125字节。

当前每笔交易只需耗费16个gas /字节，因此每笔交易 gas 花费为 8.125*16=130 gas。由于每批次有2048笔交易，因此每批次的交易成本为130 * 2048 = 266,240 gas。

如果将15个批次插入以太坊区块，由于每个批次可容纳 2048 笔交易，这意味着我们可以让每个区块打包15 * 2048 = 30,720笔交易。

30,720个交易/ 15秒=每秒2048笔交易。

当然以上知识理论推导，还存在一些实际问题需要解决：每个 zkRollup 批次都需要简短的加密证明（zk-SNARK），以证明该批次中交易的完整性。事实证明，生成此证明的计算费用十分昂贵。这才是达到理论吞吐量限制的主要瓶颈。

目前使用一个 CPU 和三个 GPU，需要几分钟时间才能生成一个这样的证明。尽管通过并行计算可以显着改善性能，但是将证明生成时间从几分钟减少到几秒钟，同时保持合理的成本，仍然是一个重要的挑战。

最后，再讲一下零知识证明，它被用于保护区块链上的数据隐私，非常适合用于医疗行业的电子病历（HDR）场景。

理解零知识证明，大家可以回顾一下阿里巴巴和四十大盗的故事：

当强盗向阿里巴巴拷问打开山洞石门的咒语时，他对强盗说：「你们在离开我一箭远的地方，用弓箭指着我，当你们举起右手我就念咒语打开石门，举起左手我就念咒语关上石门，如果我做不到或逃跑，你们就用弓箭射死我。」

阿里巴巴证明了他知道咒语，同时也没有泄漏咒语的具体内容。

zk-SNARKs, Zk-STARKs和 BulletProofs（防弹证明）是零知识证明用于区块链隐私技术的3种主要技术。对比来看：

1、Bulletproofs 和 Zk-STARKs 不需要可信设置，zk-SNARKs则需要可信设置；zk-STARKs：通过证明者与验证者之间的交互来执行，以一种有效的数学方法，使得验证者通过验证每一个步骤，最终确信证明者确实知道某个信息或者拥有某种权益。

其特点是：证明快、验证快，但证明体积大 SNARK指无需双方交互，证明人单方出具即可，不需要反复在双方之间传递信息。其特点是：证明慢、验证快，证明体积小。

2、证明速度对比：Zk-STARKs > zk-SNARKs > Bulletproofs

3、文件大小：zk-SNARKs < Bulletproofs <Zk-STARKs

简单一句话：Zk-STARKs 太大，bulletproofs太慢，优点是不用预装，zk-SNARKs最优。

目前已经有相当成熟的第三方库，可以用于零知识证明的开发和研究。

这一领域也是学术界研究的热点，最近几个月宣布了很多 zk-SNARK 构造相关的新突破。新的发现是臭名昭著的「可信设置」目前来看是多余的，意味着可以使用通用计算。然而，很难找到关于这些新构造的可以理解的信息。

新的零知识证明构造解决了设置过程的限制，这意味着像智能合约这样的任意代码都可以作为 zk-SNARKs 运行。通常有两种做法：

透明设置：设置过程创建一个参考字符串，是公共的，但是并不会产生有毒废料。这类似于 zk-STARK 工作方式。Fractal、Halo 和 SuperSonic-CG 都使用了透明设置方式。这种方法的缺点是证明大小通常很大。Factal 和 zk-STARK 证明可能高达250kB大小，这对于区块链应用来说是不切实际的。

Fractal 团队告诉我，他们正在努力缩小证明的大小。Halo 和 SuperSonic 具有10kB甚至更小的证明尺寸。（注意：zk-STARK 是特定的零知识证明的名称，类似于 Groth16 或 Fractal）

通用设置：设置过程创建结构化字符串（structured reference string），会产生有毒废料，但创建不再局限于单一电路。相反，一个参考字符串可以与无限数量（具有一定上限）的任意电路一起使用。例如 Marlin、SuperSonic-RSA 和 Plonk。

仪式结束后，可以更新这三个构造的参考字符串以提高安全性：如果当前的有毒废料泄漏，则只需更新建立过程来再次保护系统。（一些通用的 zk-SNARK，例如 AuroraLight 和 Libra 使用静态不可升级的通用设置。我们不会在本篇博客中讨论这些内容）。

表中是一些zksnark算法的性能对比。在证明方方面，为每一个 zk-SNARK 构造创建证明需要O(n log n) 的时间。差异主要是证明的大小、验证时间和参考字符串的大小。

综上所述，我们主要考察了以太坊2.0的三个技术点：sharding，zkrollup和zksnark。

涉及到比较多的理论知识和算法，需要花点时间才能理解。不过重点还是建议放在这些算法有什么用途，以及如何使用上面。

Q&A

Q1：以太坊完成了分叉，那么会对后续产生什么主要影响吗？

答：以太坊的分叉，就是一种软件升级。以太坊的升级方向，就是以太坊社区希望发展的方向，所以随着一次次升级，网络会更加安全，更加高效，也更加符合社区治理的思想。

这个我们平时软件开发的快速迭代是一个道理。唯一不同的是，以太坊是一个承载了千亿资产的金融系统，每次升级资产的安全性和服务的连续性没有收到丝毫的影响。这也是这个项目值得关注的原因。

Q2：方便简单介绍一下 solidity 语言吗？

答：solidity是一种语法非常类似javascript的以太坊特有的脚本语言。它有高级语言的大多数特性，最常用的操作就是对以太坊的账户，账户中的余额进行操作。

solidity非常适合用于实现数字资产，比如ERC20，ERC721，ERC777都是非常常用的数字资产类型。

之前非常热闹的币圈项目资产都是围绕ERC20在做文章，以以太猫为代表的区块链游戏则是利用了ERC721标准。

Q3：区块链平台的迭代，受到公众性的影响，不能太快太激进，比如会有分叉的问题，老师觉得这个问题未来能够解决吗？在软件平台上，通常会出现马太效应，也就是胜者通吃，现在以太坊位居平台第一，是否其他平台就没有机会了呢？非中心化，也就是DAO的理论，好像是从以太坊开始才渗透的，但实际上权力的集中会带来效率，这个问题怎么看呢？

答：首先，明确一点，区块链项目的成功不仅仅取决于技术。V神发文也提到，社区远比代码重要。代码只是实现社区治理和规则的工具。

在解决一些基本问题上，并不会用到很高深的技术。反倒是区块链中的智能合约和通证机制，是组织改进非常核心的内容。

区块链平台的迭代，现在可以说满足不少的应用场景了。但是以太坊是为全球用户服务，所以技术难度会更大。

我们研究区块链，还是更多放在如何将区块链技术落地，改造一个行业，或者解决一些核心社会问题，比如：医疗、教育等。

以太坊的DAO是非常好的思路，去中心化也是相对的，也就是多中心化。PoS的思想就是，干系人关系越大，投票的权重也越大。不是每人都可以投票。

Q4：请问王老师, 接下来以太坊生态中，对于普通的个人开发者，最大的机会在哪里呢？

答：我们面向的未来是一个可编程的社会，有大量的商业规则和逻辑需要转化为智能合约，人工智能解决了生产力的问题，区块链能够更加有效和公平地治理这些生产力。咱们开发者了解这些原理，就可以在具体的某个场景中，帮助实现这些逻辑，贡献社会价值。

当然区块链的底层也有很多技术挑战，但是这更加适合有一定学术研究基础的同学了。

技术参与建议还是放在区块链应用方向，区块链底层不太适合大多数人。

比如做区块链的工具就是很好的思路，像imtoken类似的引用。比如：etherscan这类。

Q5：DApp方向有什么好的建议吗？

答：广义上讲，我觉得有几个方向吧，一个是金融类，一个是个人信息类。金融就是数字资产的交易，投资，增值等，因为这个领域也越来越合规了，监管已经进来。个人信息的隐私保护，越来越被看重，个人信用、健康档案，个人消费画像，越来越需要恢复主权。

Comunion的DAO，这是一个非公司，但超越公司的组织。不同背景，不同角度的思想在一起碰撞，会产生非同一般的效果。

DAO的财务和人员管理，都是非常需要DApp这类工具帮助的。

BlockMania是区块链咨询智库，旨在将区块链行业最深度的认知和思考带给行业与公众。如同区块链一样，我们认为每一个idea都有成为连接另外的idea而成为节点的可能性，因此我们要搭建一个将idea从点连接成线，从线汇聚成网络的平台。

在过去的一年里，围绕区块链市场、技术、应用等话题已举办多场高质量线上AMA活动，欢迎关注。

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编译者/作者：BlockManai

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