imToken Labs：以太坊 PoS 演進史_ALI:TOR

前言

大家好！今天我們要來探討Ethereum以太坊的PoS演進史。以太坊為了提高區塊鏈的效能以及更加地環保，不斷推陳出新，讓整個區塊鏈世界產生了巨大的變革。隨著技術的不斷進步，以太坊也將開始向新的高度挑戰。讓我們一起來探討這個讓人感到振奮的演進過程！

因本文章有較深入的PoS介紹，建議已具備基礎PoW知識的讀者閱讀。

2020年12月PoS信標鏈上線

為了將耗能的PoW升級至節能的PoS，以太坊在2020年12月1日時，上線了以PoS共識機制為主的以太坊信標鏈！

PoS名詞解釋

在PoS中，有些名詞會和PoW稍微不同！

Block的概念改為Slot與Epoch。平均來說，每12秒會出一個Slot，而每32個Slot稱為一個Epoch。

Difficulty改為SlotPrevRandao。

Miner改為Validator與負責出塊的SlotProposer。

目前，若要成為Validator，需使用Validator私鑰及Withdrawal私鑰來建置不停機的驗證節點，接著將帶有以下指定Data32ETH的交易打到Deposit合約中：

pubkey：Validator公鑰，鏈上唯一識別用

withdrawal_credentials：將Withdrawal公鑰作SHA256后，將最左側2位元由0x00替換而得

signature：由Validator私鑰向(pubkey,withdrawal_credentials,deposit_amount)資料進行簽名

Amber Group與imToken正式達成戰略合作:據官方消息，近日，港全球化加密金融智能服務提供商Amber Group與知名去中心化數字資產錢包imToken宣布達成戰略合作，雙方將在CeFi與DeFi的業務融合方面開展深入合作。

Amber Group聯合創始人兼CEO Michael Wu表示：“CeFi與DeFi在未來將成為長期并存的兩股重要力量。雖然Amber Group自創立至今的服務都是以安全、可靠、穩定的中心化方式為全球用戶提供行業入口，但是我們一直以非常開放的心態看待DeFi，并且有很前沿的布局。此次與imToken的合作，就是旨在于推動CeFi與DeFi更好的融合，幫助建設更全面、靈活、健康的加密金融生態。[2020/11/12 12:22:05]

deposit_data_root：由上述pubkey、withdrawal_credentials、signature建立HashTree，并取得其HashTreeRoot而得

Slot與Epoch、Validator與Proposer

成為SlotProposer要做的事

在下一個Epoch到來前，每個Slot會透過Randao隨機數指定1位Validator成為此Slot的Proposer，而他要完成2件事！

第1件事：建立區塊，并讓其他Validator進行驗證及投票。

理想上，SlotProposer會在最新的區塊后面，直接建置下一個區塊，如同PoW時期以維持最長鏈原則。但實際上，可能會因P2P網絡延遲、惡意節點嘗試攻擊等，導致SlotProposer未必能在最新的區塊后面建置下一個區塊，造成區塊鏈分叉。這時，需請其他的Validator進行區塊投票，得票高者即可成為下一個區塊。若惡意節點故意在同一個Slot時段內建立2個區塊，則會被施以嚴重的大幅削減處罰并退出網絡。

聲音 | imToken創始人何斌：錢包和交易所的界限會越來越模糊:5月16日，在“2019杭州區塊鏈周”主題為《區塊鏈布道者：共識之火可以燎原》圓桌論壇上中，imToken創始人兼CEO何斌表示，未來錢包和交易所的界限會越來越模糊，交易所會做錢包，錢包也要拓展交易所業務，“當下整個大環境還處在中心化交易所占主導的現狀，我覺得未來在這個方向上，其實大家可能會走到一塊。”[2019/5/16]

第2件事：提出一個隨機數種子S，并公開Hash(S)結果。

因為少了過去PoW的算力競爭，但直接指定Proposer有違去中心化，所以需要一個由眾多SlotProposer一同決定的Randao隨機數，用來選定下一個Epoch的SlotProposer們

第1件與第2件事不斷重復，使得區塊鏈不斷地產生新區塊。

Slot的Validator數量推算

在說明每個區塊及Epoch需要多少票數前，先進行目前Slot的Validator數量推算！

回顧一下：每12秒為一個Slot，而每32個Slot為1個Epoch。由Beaconscan網站可得知，目前撰文時全球總共約有512,000名以太坊Validator。

所以，每1個Epoch約會有512,000名Validator進行投票。平均下來，每1個Slot約會有512,000/32=16,000名Validator進行投票。

每個Validator要做的事

扣除負責出塊的SlotProposer，剩下N-1的Validator需在每個Slot中完成Attestation工作，即向支持的區塊及Epoch來進行投票！

公告 | imToken現已正式支持 USDT:據官方消息，imToken已經正式支持 USDT ，方便用戶出入于法幣和加密貨幣。市場中多數穩定幣都基于以太坊發行，imToken 天然支持。至此，imToken已完成對各類流行穩定幣的一站式管理。[2019/4/24]

投票1：向支持的Epoch投票，支持的Epoch包含需同時選定TargetEpoch及SourceEpoch。

Target為Validator認同當下所在的EpochSource為Validator認同最近的Epoch若某個TargetEpoch結束，并得到超過2/3Validator的票數，則此Epoch標示為Justified，故最快要等上1Epoch=6.4分鐘的時間。

承上，若此Target緊連的SourceEpoch也得到2/3票數，則此SourceEpoch標示為Finalized。因此，最快要等上2Epoch=12.8分鐘的時間

EpochFinalized之前的區塊規定不可再被更改

Justified與Finalized的Epoch判斷方式

投票2：向支持的區塊投票

可對過去1Epoch內的Slot區塊進行投票。

如果Validator有以下行為會無法拿到獎勵

投給舊的、錯誤的區塊投票經常延遲或設備離線，但如果網絡出現4個Epoch都沒被Finalized的情況，則會有罰款如果Validator有以下行為會進行嚴重處罰，同個私鑰同時存在兩臺不同機器上導致同一Epoch時間內有2次對區塊的投票行為。將機器遷移時，沒有將資料庫也遷移，導致遷移的機器向同一區塊重覆投票的行為如果被Slash處罰一次或因罰款導致余額低于16ETH，則會被強制踢出網絡。從beaconcha統計數據可得知，自信標鏈上線以來被Slash總共有229名Validator，大多為非惡意的機器設置錯誤導致，約占整體Validator的0.045%。

imToken服務器遭受DDoS攻擊，聯通線路暫時中斷:imToken剛剛發布公告稱，由于受到DDoS攻擊，聯通線路流量超過防護上限被封停。轉賬超時不代表失敗，避免重復轉賬。[2018/1/26]

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PoS是由鏈上所質押的ETH作擔保，來維持分散式共識，好處是：環保，且質押的ETH平均有4%年化報酬。

但此時要自建24小時不停機節點質押至少32ETH，門檻過高

對于僅有少量ETH卻又想參與PoS網絡的散戶該怎辦？所以，像是Lido等服務商，就有提供收取質押獎勵的10%作為手續費，讓散戶進行小額質押。而且，更特別的是Lido還提供質押ETH兌換stETH代幣，讓散戶可在二級市場進行stETH交易。

從Dune統計數據可得知，目前所有質押的ETH約占總供應量約14.66%

2022年9月PoS信標鏈與PoW以太坊完成合并

眾所期待的PoS以太坊終于在2022年9月15日完成合并！此時，只能使用Validator進行質押挖礦，而使用顯卡挖礦的礦工時代也真正地成為了過去！

雖然，一般使用者仍可按照過去PoW使用方式進行ETH轉帳或合約交易；但實際上經過TheMerge升級后，以太坊節點已拆分成ExecutionLayer執行層及ConsensusLayer共識層了

以太坊節點區分CL及EL層

在TheMerge后采用了PoS共識，雖然PoW機制被移除，但是PoW的ExcutionLayer卻合并到BeaconChain中。

ExecutionLayer執行層仍與PoW時一樣進行：

Kyber Netwok將與imToken合作即時交易服務平臺:Kyber Network是一個提供即時轉換和具有流動性保證的去中心化和無需信任的加密資產交易協議，它將于imToken錢包整合在一起，共同建立即時交易服務平臺，保證了imToken用戶的流動性，并使用戶能夠無縫管理各種數字資產。[2017/12/4]

執行EVM虛擬機但是，當區塊分叉時，取代PoW機制，會由CL層告知哪一個區塊是HeadBlockConsensusLayer共識層就負責：

進行ProofofStake共識當區塊分叉時，采LMD-GHOSTForkChoiceRule共識來決定

TheMerge升級前，ExecutionLayer的內容

完成TheMerge升級后，ExecutionLayer的內容與過去PoW時期相同

然而，對于執行以太坊節點的營運者，可以決定將CL節點、EL節點拆分建立，并使用元件所提供的EngineAPI來進行溝通。甚至可執行其中一個元件，另一個元件則與其他節點共用。

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TheMerge合并之后，將以PoS的取代PoW以太坊，無法使用顯示卡挖礦。

但此時Validator們仍無法贖回已質押的以太幣，所以才會有下一個重大的升級：上海硬分叉。

2023年第2季以太坊信標鏈進行上海硬分叉升級

以太坊PoS信標鏈于TheMerge后另一項重大的升級：上海硬分叉，終于讓為數眾多的的Validator開放讓為數眾多質押ETH的贖回申請，但考量到系統的穩定性，每個Epoch可退出的Validator或ETH數量是有限制的！

質押退出機制

關于欲將已質押的ETH贖回，除了您需等待2023年第2季上海硬分叉升級完成外，Validator還需將EL／CL節點升級、在CL節點上修改收益地址等前置作業，即可進行ETH贖回請求啦！分為2種形式：

關于前置作業細節可參考imToken先前發布的「上海升級，和你有關嗎？」文章！

部份贖回

將超過32ETH的其他ETH給贖回因目前一個12秒的Slot最多只能有16次的部份贖回額度，以全網有512,000Validator來計算，平均每個Validiator要等4.44天才能收到ETH。全部贖回并退出Validator角色

因目前一個6.4分鐘的Epoch只能退出6名Validator，所以會依照申請的順序來進行全部贖回注：實際上，為避免一次大量Validator退出網絡而導致安全性問題，所以每個Epoch可退出Validator數量會依照全網Validator總數來進行限制而以上無論是部份贖回，還是全部贖回，因為都在CL節點上廣播請求，所以也均無需Gas費用

每個Epoch可退出Validator數量會依照全網Validator總數來進行限制

上線前需充分測試

另外，此次升級還需在各個測試網上進行充分測試，才會正式上線！

2023/02/07可提款的Zhejiang測試網上線2023/02/28進行Sepolia測試網的上海硬分叉升級2023/03進行Goerli測試網的上海硬分叉升級還有其他的提案

而且，這次升級除了EIP-4895是主要提案外，還會一同實現以下EIP提案：

EIP-3651預熱COINBASE：啟動「COINBASE」地址的預熱功能，降低交易手續費消耗EIP-3855增加PUSH0指令：將常用的「常數0推送」操作變成一個指令，將可減少合約程式碼大小EIP-3860限制和計價initcode：增加合約部署規范，避免部署程式碼過大占用空間EIP-6049新增SELFDESTRUCT停用警告：更新SELFDESTRUCT指令的文件說明，警告使用者該指令未來將被停用未來，本專刊將會為重要的EIP提案來撰寫文章進行說明。

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開放質押的ETH贖回，但基于安全理由，每個Epoc只能退出6個驗證者（因此每天約有1,350個驗證者or43,200ETH可退出。

若您剛好是以太坊信標鏈的Validator，強烈建議在上海升級前閱讀「上海升級，和你有關嗎？」文章，來了解這次上海升級時您一定要做的幾件事情！

總結

綜觀整個PoS演進史，以太坊始終保持著為用戶提供最優秀的使用體驗和開發環境的初衷。PoW到PoS，不斷的改變也帶給了我們更加高效和環保的區塊鏈世界。上海硬分叉升級將為以太坊帶來更多的可能性；在未來，隨著這一系列EIP提案的引入，Ethereum將越來越容易地融入日常生活中，并且讓人們都可享受到區塊鏈帶來的安全性與方便性。讓我們一起期待以太坊的更美好未來！

參考資料

中文以太坊SafeHead機制介紹https://medium.com/imtoken/safe-head-part-1-14071f14016bEth2.0的共識層和執行層分工及TheMerge影響https://medium.com/taipei-ethereum-meetup/eth-2-0-cl-el-separation-and-impact-of-the-merge-dbeb6828c907英文Blocknative-AStaker'sGuidetoEthereumSlashing&OtherPenaltieshttps://www.blocknative.com/blog/an-ethereum-stakers-guide-to-slashing-other-penaltiesETHWithdrawalsFAQhttps://notes.ethereum.org/@launchpad/withdrawals-faqHowdoestheNEWEthereumwork?https://www.preethikasireddy.com/post/how-does-the-new-ethereum-workProofofStakeRewardsandPenaltieshttps://ethereum.org/en/developers/docs/consensus-mechanisms/pos/rewards-and-penalties/

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