區塊鏈

歐易研究院&BlockBeats聯合發布：以太坊2.0方案演進報告

BlockBeats 律動財經 2023-01-13 11:30

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前言：

近期，以太坊核心開發者會議中敲定「上海升級」硬分叉計劃於 2023 年 3 月進行，這次升級將釋放信標鏈質押的 ETH 提款，還伴隨有對 GAS 優化、EVM 優化的諸多 EIP 改進提案實施。此前信標鏈已於 2020 年 12 月上線開啟節點質押服務，為確保網路的穩定性，所有參與質押的 ETH 只能等「合併」結束後的「上海升級」開放提款。目前，信標鏈已擁有近 50 萬個節點，其鏈鎖定的存款額度超 1500 萬 ETH，開放提款將對以太坊網路節點數以及 ETH 市場價格帶來一定影響。

（信標鏈區塊數據，圖片來源於https://beaconscan.com/）

2022 年 8 月以太坊成功「合併」後，整個網路正式過渡到了 PoS 共識機制，這是以太坊 2.0 可擴展藍圖上的一個關鍵里程碑。伴隨著「上海升級」臨近，以太坊 2.0 的腳步又更進了一程。而在近日，V 神也公布了以太坊的最新路線圖，其最新的方案和進程再次成為大家熱切關注的話題。那麼以太坊 2.0 目前進展如何？現在面臨的主要問題是什麼？它最新方案是什麼？它的實現，又會為行業發展帶來哪些影響呢？歐易研究院將從以太坊主要問題及解決方案演進、分片擴容方案解析、最新方案解析、未來機會和風險四個部分對以太坊 2.0 展開詳細講解。本報告僅供參考，不構成任何投資建議。

註：以太坊基金會此前宣布，以太坊在升級協議的同時面臨着定位的轉變，在 2021 年底核心開發人員已經停止使用 ETH1.0、ETH2.0 術語，分別使用「執行層」和「共識層」來替代。但改名未影響以太坊的既定的升級路線，因以太坊 2.0 稱謂已深入人心，本文仍將沿用「以太坊 2.0」這一名稱。

一. 以太坊主要問題及解決方案演進

1.1 以太坊的主要問題——擴容

以太坊成立至今占據着第一公鏈的美名，其擁有著全球最大的開發者社群，DAPP 數量將其他公鏈遠遠甩在身後。但定位於「世界計算機」的以太坊，目前每秒只能處理大約 20 筆交易，甚至難以支持一個普通規模的商業應用，頻頻發生的鏈上擁堵和高 Gas 費更是讓用戶的體驗變得很差，這在很大程度上限制了以太坊的發展。對於用戶來說，以太坊當前最為迫切的需要是提高可擴展性。

目前有兩大類區塊鏈擴容方案：一類是鏈上擴容，即所謂的 Layer1 方案，通過對區塊鏈本身進行改造，比如增加區塊容量、隔離見證、DAG 技術、更改共識機制、分片等改善核心區塊鏈的性能；第二類是鏈下擴容，通過將數據的交易執行和處理放在鏈下，主鏈僅僅驗證交易的有效性提供安全保證，也是目前較為主流的擴容方式。相當於建立在主網上建立「高架橋」，來解決主網擁堵、交易手續費貴的問題。

而我們常聽到的 Layer2 也可以歸類到鏈下擴容分類中。Layer2 在此文特指以太坊主網的二層網路, 其本質是將大量的交易在 Layer2 進行，只把最終結算過程放到 Layer1 上。

（擴容方案概述，圖片來源於分片技術研究報告）

1.2 解決方案演進順序

想要解決以太坊網路性能瓶頸難題，不可避免的要面對「不可能三角」問題，即如何同時滿足區塊鏈的去中心化、安全性和可擴展性三項特徵的問題。人們不斷探索各種可能性，當然，這並非易事，以太坊 2.0 的細節方案在摸索中推進，歷經了幾次調整。

（不可能三角，圖片來源於網路）

最初以太坊是想要通過狀態分片來實現自身的擴容，它能在不提高節點硬體要求且沒降低去中心化程度的情況下，實現網路性能和容量的大幅提升。

簡單來說，就是將區塊里的任務分配給多組分片節點並行處理，從而提升整個網路的處理速度。為保證鏈的安全性，方案引入了信標鏈作為系統的中樞管理所有獨立並行的分片鏈。另外，以太坊也由 PoW 轉為 PoS 共識。分片、信標鏈、PoW 轉 PoS，共同構成了初版以太坊 2.0 方案的核心。

但分片方案又帶來了新的問題，比如跨分片通信的過載問題、每個周期後驗證者輪換導致的大範圍的網路節點數據同步需求難實現問題。這些問題對鏈的效率、安全影響重大，但難以找到好的解決方案。

此後以太坊重新調整思路，將自己定位為結算層和數據可用層，把真正的計算性能提升任務交給了 Layer2。以太坊做好去中心化和安全，做到底層鏈的絕對可靠、可信任，做到全球共識，並且以經濟激勵的方式將信任傳遞到 Layer2；而 Layer2 則要提高效率、降低成本，以滿足各類商業場景的業務需求。

對應的 Layer2 擴容方案 Danksharding 於 2021 年末被提出，引發了以太坊社區的討論熱潮。此後，Vitalik2022 年 7 月 19 日在以太坊會議 ETHCC 上闡述了 Layer2 擴容思路下的以太坊 2.0 路線圖，其分為五個關鍵發展階段：The Merge、The Surge、The Verge、The Purge、The Splurge，並聲稱在完成 5 個關鍵階段之後，以太坊將每秒能夠處理 100,000 筆交易。2022 年 11 月 5 日，V 神又公布了以太坊的最新路線圖，在此前五大關鍵路線的基礎上, 新增了以解決 MEV 風險為目標的 The Scourge。至此，以太坊未來的發展進化將主要分為六大關鍵路線，且這六大關鍵路線在同時推進。

二、以太坊 2.0 分片擴容方案

2.1 分片擴容方案解析

最初，以太坊計劃通過分片、共識機制轉 PoS、信標鏈、Casper 治理機制結合，解決不可能三角問題，實現擴容的目標。目前，除分片外，其它已基本實現（以太坊已於 2020 年 12 月上線信標鏈，2022 年 8 月實現「Merge」升級徹底由 PoW 轉為 PoS 挖礦）。

具體來看：

（

以太坊

2.0 解決不可能三角問題的分片方案，圖片來源於歐易研究院）

2.1.1 可擴展性——分片（Shards）

分片是區塊鏈擴容最佳方案，它能在沒有提高節點硬體要求且沒降低去中心化程度的情況下，實現網路性能和容量的大幅提升。具體可分為網路分片、交易分片、狀態分片，以太坊希望實現的狀態分片實現難度最大。

物理空間上，分片是將公鏈網路中的所有節點劃分為不同的分組，每一個分組叫做一個分片。原本公鏈中所有節點都要執行同樣計算，現在將區塊里的任務分組後分配給不同的分片處理，單個分片內的節點僅需承擔全網的部分工作，於是各個分片可以並行工作，從而提升整個網路的性能。

2.1.2 去中心化——共識機制 PoW 轉 PoS

PoW 機制下，成為驗證節點的門檻較高，需要購買昂貴的專業礦機進行算力競爭，也造成了大量的能源浪費。以太坊決心採用 PoS 共識解決能源浪費的問題。

參與驗證的節點越多，以太坊網路也更加去中心化和分散，面臨攻擊時將會更加安全，以太坊也在想辦法降低網路節點對硬體設備的要求以支持更多用戶參與。它通過質押 32 枚 ETH 的要求降低了驗證節點的准入門檻，任何用戶質押 32 枚 ETH 就有機會由信標鏈隨機算法選為驗證者委員會成員和區塊提議者，不需要比拼算力。

2.1.3 安全性——信標鏈、Casper 共識機制

分片和 PoS 共識機制的引入，為以太坊增加了新的安全性的挑戰。比如由分片導致的單分片 51% 攻擊問題、分片間雙花攻擊問題，以及 PoS 共識機制導致的無利害攻擊問題、長程攻擊、簡單攻擊問題。以太坊通過信標鏈和共識機制 Casper 來彌合這兩類風險，解決安全性問題。

1）信標鏈——為系統隨機分配驗證者，確保鏈的最終確定性

與普通區塊鏈不同，信標鏈是以 Slot 和 Epoch 作為基本時間單位的。它們的主要作用是控制信標鏈出塊節奏，其中 Slot 是完成一次區塊確認的時間，目前為 12 秒, Epoch 是進行一輪驗證者洗牌的周期，目前是 32 Slot。

(Slot 和 Epoch 圖示，圖片來源於《區塊的產出和確認》)

為系統隨機分配驗證者

區塊鏈系統出塊的隨機性至關重要。對於公鏈來說，在將全網任務劃分到不同分片的同時，也就把算力劃分到了相應分片中。單個分片只能得到原來 1/n 的算力保證，此時對單個分片發起 51% 攻擊的難度也會降到原來的 1/n，這會導致分片更容易被惡意礦工掌控。因此對於一個分片系統來講，需要很好的隨機性來防止特定分片被單獨攻擊，而信標鏈就是通過 RANDAO 隨機數向系統提供這種隨機性的。

在每個 Epoch 開始階段，信標鏈利用 RANDAO 隨機數從驗證者中為每個 Slot 選出區塊提議者，並將全網所有驗證者隨機分組成驗證者委員會，進而把這些驗證者委員會分配到具體的 slot 中。提議者負責打包交易提議區塊，驗證者委員會負責對提議的區塊進行簽名投票（兩者範圍並不互斥，一個驗證者可能既是一個 slot 的區塊提議者，也在這個 slot 上分配的驗證者委員會中）。在完成一個 Epoch 的出塊和驗證任務後，信標鏈會將所有的驗證節點重新洗牌，再進行下一輪隨機分配。驗證節點的選舉過程在 RANDAO 隨機數生成算法的幫助下，從根本上避免了驗證節點間的勾結串通，提高了協議的安全性。

（節點出塊過程，圖片來源於歐易研究院）

通過跨分片通信，解決分片間雙花攻擊問題

雙花攻擊是指將同一筆資金分別發給兩個人或者多個人。在分片中攻擊者完全可以嘗試將同一筆資金髮送給不同分片中的帳戶來實施雙花攻擊，這就需要做好跨分片通信來避免雙花攻擊。

跨分片通信需要藉助信標鏈來完成，信標鏈同步更新所有分片的區塊頭作為驗證的資訊，不同的分片就能通過信標鏈通信, 信標鏈作為樞紐能夠記錄所有分片的狀態和資訊，避免出現雙花問題。

具體來看：當分片 1 向分片 2 發出消息時，分片 1 會將相關資訊打包到它的區塊頭中。等待信標鏈將分片 1 的區塊頭打包到新的區塊中，信標鏈完成區塊共識後，分片 2 會接收到信標鏈廣播的包含分片 1 區塊頭的資訊。在此之後，分片 2 會驗證關於分片 1 的資訊然後開始執行相關操作，並將執行完成的區塊資訊發送給信標鏈。

（跨分片通信過程，圖片來源於歐易研究院）

確保鏈的最終確定性

所謂鏈的最終確定性，是指此間區塊能被確認安全且不可被顛覆。BTC 是採用最長鏈原則，一般需要等 6 個區塊之後交易才能確認安全狀態。事實上，這只是現階段 BTC 算力條件下 6 個區塊後該區塊被篡改的可能性很低可以忽略不計的隱形確定性。而在 PoS 鏈中，攻擊者可以短時間內讓重寫歷史的鏈追趕上原本的主鏈，根據最長鏈原則來決定的話，很有可能出現真正的主鏈被篡位的情況，於是以太坊引入了顯式的最終確定性。

以太坊通過每 Epoch 周期一個的檢查點來確認鏈的最終確定性，具體來看，它把每個 Epoch 內的第一個區塊設置為檢查點，參與共識的驗證節點們會對上一個確定性檢查點到這個檢查點的區塊內容進行投票，當這個檢查點收到了超過 2/3 的確認投票，那麼它就也變成了確定性檢查點，這段區塊就成為不可更改的。最終，確定性檢查點之前的所有區塊都是被確認了的，後續的礦工無需再為已經確認的區塊增加安全性。

（檢查點，圖片來源於歐易研究院）

2）共識機制 Casper——以獎懲機制規範節點行為

Casper 是以太坊 2.0 的核心共識協議，負責管理系統節點，對驗證者施行獎勵和懲罰，解決 PoS 鏈存在的無利害攻擊、長程攻擊、簡單攻擊問題，以獎懲機制規範節點行為。

由於 PoS 存在「無利害攻擊」問題，即在 PoS 機制下，惡意的節點驗證者可以在沒有任何損失的情況下把自己的幣押在分叉鏈上推動硬分叉。因此在持幣者需要向信標鏈抵押一定數量的 ETH 申請成為節點。

同時信標鏈也會跟蹤和管理驗證節點。節點們每成功打包一個區塊，就會獲得一個與他們所持有的 Token 成比例的以太坊獎勵。節點負責出塊、驗證區塊，還需要一直在線完成系統分配給它們的任務。如果大多數驗證者拒絕他們所建立的區塊，節點將面臨失去抵押 Token 的風險，如果驗證者沒有履行對區塊投票的責任，則他們質押的 ETH 也會被罰沒。因此，Casper 迫使驗證者誠實行事，並通過獎懲制度遵守共識規則。

2.2 分片帶來的難題

上文說到，分片、信標鏈、PoW 轉 PoS，共同構成了初版以太坊 2.0 方案的核心，但分片方案不僅實現起來難度太大，也帶來了新的問題。具體來看：

2.2.1 跨分片通信的過載問題

引入分片解決性能問題，從宏觀上來講，並沒有降低原來總的工作量，而是將原來的工作量分配到了各個分片當中，通過增加原來系統的並行能力來提升整體性能。相反地，分片的引入，從總工作量上來講，在原來的基礎上還增加了跨分片的驗證和交易等工作量。考慮一種極端情況:系統內的交易全部為跨分片交易，在這種情況下，分片系統的性能是遠低於未分片前的系統的。

2.2.2 分片後大範圍網路節點數據同步需求難實現問題

在完成一個 Epoch 的出塊和驗證任務後，信標鏈會將所有的驗證者重新洗牌，每個驗證者會被重新安排所負責的分片鏈。然而，處理新的分片鏈，需要擁有新分片鏈的狀態和對應的交易數據，這需要進行大範圍的網路節點數據同步。這實現起來相當複雜，很難保證驗證者們能夠在規定時間節點完成同步，會因此導致網路延遲。

三、以太坊 2.0 最新方案解析

3.1 Layer2 擴容方案

由於分片方案實現難度大且帶來的諸多新難題，在多方面權衡下，以太坊 2.0 最終轉向了 Layer2 擴容。

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以太坊

2.0 解決不可能三角問題的 Layer2 方案，圖片來源於歐易研究院）

Layer2 擴容的關鍵在於：將數據的計算和儲存遷移至二層，減輕以太坊的數據計算壓力的同時，只把最終結算過程放到以太坊鏈上確保資產的安全性。

其多種方案並存，包括了狀態通道、側鏈、Plasma、Rollup 及 Validum 幾類。目前最主流方案是 Rollup，通過確保二層網路資產安全和共識實現方式的不同，又可以將其分為欺詐證明機制項目還是零知識證明機制項目。現在，欺詐證明機制項目因為容易實現且兼容 EVM，已經吸引了很多項目接入；零知識證明機制更安全，但實現難度更大，還在探索發展階段。

各類 Layer2 擴容方案在數據和共識機制的不同選擇，實際上是在安全性、性能、可用性、擴展性方面做了不同的取捨，從而也決定了各類 Layer2 擴容方案適合不同的應用場景。

（當前 Layer2 方案區別，圖片來源於https://l2beat.com/）

3.2 現階段以太坊要解決的主要問題

在轉為 Layer2 擴容之後，現階段以太坊主要需要解決的是 MEV、狀態膨脹問題，以及為 Layer2 鋪平道路，使其接入後運轉更加便捷高效。

3.2.1 為 Layer2 鋪平道路

以太坊最新路線圖，擴容方案已經採用以 Rollups 方案為主，近期、中期目標，甚至是長期目標，都會圍繞 Rollups 進行優化。

Layer2 運行過程要將交易在以太坊主鏈外執行，執行完後將執行結果和交易數據壓縮後發回到 Layer1 上，以便其他人去驗證交易結果的正確性，也就是驗證數據可用性。

現在用 Rollup 進行一筆交易，主要有三類費用：執行費用（網路中所有節點執行交易並且驗證其有效性的費用）、儲存/狀態費用（更新新狀態的費用）、數據可用性費用（將數據發布到 Layer1 的費用），其中數據可用性費用占大頭。因此，Rollup 面臨的主要問題是往 Layer1 上提交數據的手續費成本高的問題。

3.2.2 PoS 驗證中排序和出塊角色一體導致的 MEV 加重問題

MEV（Miner/Maximum Extractable Value）是「礦工/最大可提取價值」的簡稱。因為以礦工為代表的記賬權獲得方、區塊交易寫入者對鏈上交易有篩選、排序的權利，生態中的參與者，如套利機器人、攻擊者，甚至礦工自身，則利用這種權利獲得額外的收入。

對普通用戶來說，這不僅會導致 Gas 費被拉高、網路擁堵，體驗變差，也讓鏈上交易不再公平。目前 MEV 現象在以太坊生態中非常普遍，據 Flashbots 數據顯示，自 2020 年以來，通過 MEV 抓取的價值已近 7 億美元，並且有逐步增長之勢。如果不加以控制，將對以太坊構成巨大威脅。

（累積提取 MEV，圖片來源於 Explore.flashbots.net）

在工作量證明中，礦工掌握了交易的包含、排除和順序等角色能力，套利者可以提高 gas 費誘使礦工優先打包他的交易。以太坊轉 PoS 後，每輪 Epoch 信標鏈會隨機從驗證者中為每個 Slot 選出區塊提議者，它負責給區塊內交易排序及提議區塊。事先被選出來的區塊提議者因為能看到用戶的交易，從而可以針對性的提出自己的交易，直接通過控制交易排序讓自己獲利。這加重了以太坊的 MEV 問題。

Layer2 方案中，Layer2 對交易進行處理後僅將證明結果發送到以太坊。這在一定程度上降低了以太坊鏈上的交易權重，可以隱藏部分套利者和礦工獲得 MEV 的機會。不過，PoS 驗證中排序和出塊都由區塊提議者執行導致的 MEV 加重問題也很需要解決。

3.2.3 狀態膨脹問題

狀態，就是系統在特定時間的具體外部展示，包括帳戶餘額、合約代碼的哈希值或儲存數據。以太坊採用帳戶模式，每個帳戶由用戶狀態和合約狀態組成，完整的以太坊狀態記錄了所有帳戶和相關帳戶餘額，以及所有在 EVM 中部署和執行的智能合約的歷史記錄。沒有某個帳戶的最新狀態，你就不知道這個帳戶里的真實情況。

產生區塊的節點需要訪問和檢查系統的當前狀態，執行後記錄新的狀態，並與網路中的其他節點同步。其他客戶節點需要驗證並執行區塊內的交易，以確保網路中始終存在共識。而系統的狀態會隨著新區塊的確認而繼續變化。

隨著以太坊性能的大幅提升，會有更多新用戶進入以太坊生態上，將產生更多的新數據，帳戶的狀態數據便會持續的膨脹。這必然要求節點擁有更大的儲存空間和更強的性能，這就增加了節點的門檻，進而造成網路節點數量的減少及集中化，降低網路的去中心化程度。

3.3 以太坊 2.0 最新路線圖

（

以太坊

最新路線圖，圖片來源於 ETHereum.cn）

Vitalik 發布的以太坊最新路線圖將以太坊未來的發展進化分為六大關鍵路線，分別是：The Merge、The Surge、The Scourge、The Verge、The Purge、The Splurge。圖中綠色部分代表推進的進度，可以看到除了要解決現階段以太坊面臨的主要問題，還有大量圍繞性能、安全隱患、隱私、帳戶體系 AA 的目標已經找到實現路徑。具體來看：

The Merge（合併）——實現理想、簡單、健壯、去中心化的 PoS 共識

以太坊目前已經成功切換為 PoS，接下來主要是針對網路驗證者安全以及零星功能的修修補補，主要是：

信標鏈取款功能的激活：準備於上海升級時部署。

Distributed Validators（DV）：分布式驗證者技術，旨在將以太坊驗證者的工作分布到一組分布式節點中的技術，與目前在一台機器上運行驗證者客戶單的傳統技術相比，更加能夠提高安全性、在線彈性等。

Single Secret Leader Election（SSLE）：單一秘密領導者選舉，目前信標鏈每個 Slot 所選出的提議者會提前公開，這導致他們容易受到 DoS 攻擊。最新方案將這一過程加密隱藏，只有提議者知道自己的身份，能夠有效緩解潛在風險。

Single Slot Finality（SSF）：單 Slot 最終性，當前以太坊區塊需要 64 到 95 個 slot（約 15 分鐘）才能實現最終確定性，Vitalik 認為有充分的理由把最終確定性時間縮短為一個 slot，從而實現更好的用戶體驗。

The Surge（起飛）——推動以 Layer2 Rollup 為基本技術路線的擴容，實現每秒 10 萬+的 TPS

關鍵階段：

Proto-Danksharding 實現 Rollup 的初步擴容：EIP-4844 向以太坊引入一種新的交易類型，這種交易類型攜帶短暫存在的 blob 數據，將使得 Rollup 的開銷降低 10-100 倍，同時結合初步的 OP Rollup 欺詐證明以及 ZK-EVMs 的輔助，實現初步擴容，這將非常大的優化以太坊 Layer2 的用戶體驗。

實現 Rollup 的完全擴容：在前者基礎優化完善的同時，重點着手數據可用性 DA 方面的優化，如數據可用性抽樣的客戶端、P2P 設計等。

The Scourge（解決隱患）——確保可靠可信中立的交易納入區塊，避免 MEV 帶來的中心化以及其他協議上的風險

關鍵階段：

這其中的關鍵里程碑是 PBS（ProPoSer-Builder Separation），在協議層面實現區塊提議者與構建者分離，能緩解 MEV 問題。

在實現 PBS 之後，進一步的還有以太坊開發者提出的 Smoothing MEV 方案，旨在減少每個驗證者之間捕獲的 MEV 的差距，最終目標是使每個驗證者的獎勵分布儘可能接近均勻，從而保證協議共識的穩定，同時還考慮潛在的 MEV 銷毀可能。

The Verge（邊界）——降低驗證區塊的門檻

關鍵階段：

Verkle Trees：圍繞 Verkle 樹設計對 Merkle 樹進行優化，使得驗證者無需儲存所有狀態也能參與由交易驗證成為可能。

Fully SNARKed：將 SNARK 全面引入到以太坊協議，如 EVM、Verkle 證明以及共識狀態轉換等，即使到了量子計算時代，也可切換到量子安全的 STARKs。

The Purge（清除工作）——簡化協議、清除技術債務，通過清除歷史數據，限制驗證者參與網路的成本

主要是通過清除歷史數據，減少節點的儲存需求，甚至不再需要儲存全節點數據。這其中主要包含兩大關鍵目標歷史數據過期和狀態數據過期。

The Splurge（狂歡）——持續的優化修復

該路線主要是一些零碎的優化修復，如帳戶抽象、EVM 優化以及隨機數方案 VDF 等。

其主要思路如下：

（路線圖重點，圖片來源於歐易研究院）

3.4 關鍵方案解析

上文 3.2 章節提到的現階段以太坊要解決的主要問題是 MEV、狀態膨脹問題以及為 Layer2 鋪平道路，以太坊提出了以下關鍵方案解決：

3.4.1 EIP-4844 引入」blob「交易類型，降低 Rollup 費用

受限於以太坊當前的架構，Layer2 向 Layer1 的傳輸的數據，是儲存在交易的 Calldata 裡面的。然而，Calldata 作為一個函數調用的參數是所有節點必須同步下載的數據。它默認可能被 Layer1 執行，需要全網的節點進行同步，這是造成當前 Layer2 費用高的主要因素。另外，如果 Calldata 膨脹，將會造成以太坊網路節點的高負載。

EIP-4844 引入了」攜帶 blob 的交易「這一新的交易類型，這種數據類型無需做全網的同步，只需要滿足能在一定時間內被有需要的其他人所訪問下載即可，因此它由共識層的節點進行儲存，不會寫入執行層的新區塊裡面，這便減少了此前這部分數據被主鏈智能合約讀取的費用消耗。此外，其每個區塊容量由幾十 KB 擴大到了每個區塊最多 2M。另外，Blob 存在共識層節點的內容會在 30 天後刪除，這也緩解了節點的儲存壓力。

（數據對比，圖片來源於歐易研究院）

在用戶體驗層面，用戶最直觀的感知就是 Layer2 費用的大幅降低，這個底層的重要改進，將為 Layer2 以及其應用層的爆發提供重要基礎。

3.4.2 數據可用性抽樣（DAS）——減輕節點驗證數據可用性的負擔

數據可用性抽樣（DAS，Data Availability Sampling）是配套的驗證數據可用性的方案，它的主要思想是通過一定的數學設計，讓驗證節點只需要檢查部分數據碎片，就可以從機率上證明一個大數據塊的可用性，而不需要驗證節點去檢查全量的數據。這樣，對驗證節點的性能要求就大大降低了，從而保證驗證節點的充分去中心化。

3.4.3 PBS——出塊過程角色分離，弱化 MEV

PBS（ProPoSer-builder Separation）即出塊者和交易排序者分離。這是為了進一步解決 MEV 問題提出的方案。

PBS 方案里，把出塊和交易排序做了分離：原先的節點若想參與區塊打包，配置要求將進一步提高，轉變為「打包者」；它們通過競價的方式，來爭取下一個區塊的打包記賬權。在出塊時，會先由驗證者們列一個可用交易列表，打包者從中選取一些交易生成區塊，然後競價爭取下一個區塊的打包記賬權。系統從中根據「價高者得」原則選出最終出塊的選手，並獲得「打包者」的競價作為收益。打包者完成打包以後的區塊，依然需要全體驗證者來進行驗證，以決定其是否合法、有效。

如此一來，PBS 削弱了節點的權力，讓報價公開化，且套利者進行 MEV 的賄賂鏈條就變長了，能緩解 MEV 問題。但這並不能從根本上解決 MEV 問題。

3.4.4 Verkle Tree——優化以太坊底層數據結構，使驗證速度更快、性能更好

Verkle Tree 的作用與以太坊現在使用的 Merkle Tree（默克爾樹）一樣，它可以儲存大量的數據，並為任意一個或一組數據對象生成一個短小的證據（Proof），只要知道了這棵樹結構的根節點，就可以驗證這些證據，驗證這些數據確實儲存在這棵樹上。

在默克爾樹上，一個值的證據是所有姐妹節點的完整集合：從根節點到目標節點會形成一條路徑，所有與該路徑上的節點共享父節點的節點都必須包含其中。如下圖所示：

（Merkle Tree 結構，圖片來源於網路）

而在 Verkle Tree 上，你不需要提供姐妹節點，只需要提供路徑，再加一些額外的數據作為證據。如下圖：

（Verkle Tree 結構，圖片來源於網路）

只此一點，就可以讓 Proof 的大小縮小數倍。對於規模在十億級別的數據對象，在傳統的默克爾樹上，一個 Proof 的大小大概是 1 kb，但如果是 Verkle Tree，則只需不到 150 字節。此外，沒有了姐妹節點的干擾，每層樹的分支數量也可以大大增加，這樣可以讓樹的層級更少，驗證路徑更短。這樣大的節約效果，能讓其驗證速度更快，性能更好。

（Merkle、Verkle Tree 數據對比, 圖片來源於歐易研究院）

3.4.5 EIP-4444——修剪儲存數據

針對以太坊的狀態膨脹問題，EIP-4444 提議在 PoS 以太坊里執行層客戶端修剪超過 1 年的數據，不再在 p2p 網路上提供超過一年的區塊頭、區塊主體和收據的數據，客戶端可以在本地修剪這些歷史數據。這會大大降低節點們的儲存門檻，也能緩解以太坊未來的狀態膨脹問題。

四、以太坊 2.0 的機會、風險和展望

4.1 機會

4.1.1 Staking 質押挖礦崛起

以太坊由 P0W 轉 PoS 挖礦，用戶們參與挖礦的門檻將會降低，只需要質押 32 枚 ETH 就可以申請成為驗證節點參與挖礦，參與驗證交易的同時也將能有資格獲得獎勵。但要成為節點不僅要面臨較高的設備和網路要求，需要對鏈本身運行機制的知識儲備且具備運維能力。但對於大多數持幣者而言，他們沒有時間精力與專業知識去運行節點。於是一些機構成為 Staking 服務商，給普通用戶提供代理質押的服務。

由於中心化交易所天然沉澱了各類 PoS 鏈資產, 且具有比較專業的知識儲備和設備資源，在質押營運服務上占據優勢。加之交易所可以直接開通質押衍生品的交易對服務釋放出流動性，因此目前行業的主流中心化交易所大都是 ETH2.0 自運行節點質押服務商。歐易 OKX 就有提供 ETH2.0 鎖倉挖礦節點營運商的服務，其承擔所有 ETH2.0 節點的搭建和維護成本，用戶 0.1 ETH 即可參與，且鏈上收益 100% 發放給用戶。ETH2.0 挖礦收益根據鏈上鎖倉量動態調整，預計年化殖利率在 4%-20% 之間；平台 1:1 發行挖礦憑證 BETH，當 ETH2.0 開放提款後，可以根據持有的 BETH 數量 1:1 兌換回 ETH；且平台開放了 BETH/USDT 和 BETH/ETH 交易對當不想持有 BETH 了也可以隨時賣出，靈活性高。

（歐易 ETH2.0 鎖倉挖礦頁）

4.1. 2 Layer2 賽道項目及相關基礎設施起飛

在以太坊 2.0 轉為 Layer2 路線後，Layer2 便成為 2.0 方案不可或缺且極為重要的一環，承擔着計算性能提升、提高效率、降低成本的重任。Layer2 賽道項目及相關基礎設施也會因此獲得快速發展。

Layer2 頭部項目

Layer2 擴容的發展現狀是多種擴容方案並存，各類 Layer2 擴容方案在數據和共識機制的不同選擇，實際上是在安全性、性能、可用性、擴展性方面做了不同的取捨，從而也決定了各類 Layer2 擴容方案適合不同的應用場景。不同區塊鏈項目需要根據具體業務的實際需求，選擇最合適的 Layer2 擴容方案。未來該賽道內會成長出幾個頭部項目。

此外，各類專用型 Layer2 網路可能會逐步形成。Dapp 與 Dapp 之間有強關聯和弱關聯之分，強關聯的 Dapp 可能會自發聚集在最適合該類應用的某個鏈上，從而逐步將該鏈發展成為專用型的。

跨 Layer2 協議

鑒於單個鏈不可能承接以太坊生態的所有應用，但不同 Layer2 之間沒有互操作性，這便會對不同 Layer2 鏈上 DAPP 的可組合性產生限制。二層網路之間需要保持互操作性，實現 Layer2 協議之間的互聯互通，保證 Layer2 協議的可組合性和流動性的跨 Layer2 橋接網路協議將會有較大市場需求。

ZK 挖礦

Layer2 的 ZK 方案中，如何提高 ZK Proof 的生成速度將是決定 ZK Rollup 未來發展的重大問題。目前看來，定製高性能的 ZK 加速晶片、推出激勵機制促使 Prover 節點間展開競爭，將是縮短 ZK Proof 生成時間的最有效方式。ZK 挖礦很有可能複製比特幣挖礦的老路，挖礦設備會不斷的更新迭代，組織形式將以礦池為主，而 ZK Rollup 本身也將大幅受益於這種變遷。不過，ZK 挖礦是一個尚處於構想期的 ZK Rollup 伴生賽道，其發展速度、市場上線存在著高度不確定性。

4.2 風險

4.2.1 落地風險

以太坊 2.0 開發難度較大，雖然以太坊的框架已經確定了下來，但很多細節還在持續討論和修改中，存在落地風險。由架構圖可以看出，完成以太坊 2.0 需要有幾個大的技術創新，以太坊作為一個發展幾年的平台，代碼結構已經變得非常複雜，底層重則修改難，對於原有架構的修改牽一髮則動全身，需要考慮很多因素。

4.2.2 競爭風險

根據公鏈 TVL 對比數據，雖然左邊餅圖中以太坊公鏈依然是以 59% 占比位居第一位，但右圖面積圖能清晰反映出以太坊上的 TVL 比例正在不斷下降且被其他公鏈蠶食。

（公鏈 TVL 圖，圖片來源於 defillama）

許多公鏈致力於解決以太坊當前面臨的擴展與性能問題，它們大都會在智能合約層兼容以太坊代碼，可以最快速、最方便的讓開發者能轉移到自己的公鏈上來，所以以太坊面臨的競爭壓力是非常大的，如果以太坊不能及時的完成升級，將會給其他公有鏈超越的機會。高性能公鏈賽道里，留給以太坊 2.0 的時間是緊迫的。

4.2.3 節點中心化風險

Staking 服務也存在規模效應，在蛋糕有限的情況下，市場占有率更高的項目更容易通過規模優勢提高 Staking 分成比例，從而進一步提升其市場占有率。據 Dune 數據顯示，以太坊質押實體分布中 Lido 占比最高，占據了 29.2% 的市場市佔率，且前 5 營運商占比總和為 84.2%，這也引來業內人士對於以太坊 PoS 挖礦是否足夠去中心化的擔憂。