前言
大家好！今天我们要来探讨 Ethereum 以太坊的 PoS（权益证明）演进史。以太坊为了提高区块链的效能以及更加地环保，不断推陈出新，让整个区块链世界产生了巨大的变革。随着技术的不断进步，以太坊也将开始向新的高度挑战。让我们一起来探讨这个让人感到振奋的演进过程！
因本文章有较深入的 PoS 介绍，建议已具备基础 PoW 知识的读者阅读。
2020 年 12 月 PoS 信标链上线
为了将耗能的 PoW 升级至节能的 PoS，以太坊在 2020 年 12 月 1 日时，上线了以 PoS 共识机制为主的以太坊信标链（Beacon Chain）！
PoS 名词解释
在 PoS 中，有些名词会和 PoW 稍微不同！
Block（区块）的概念改为 Slot（插槽）与 Epoch（纪元）。平均来说，每 12 秒会出一个 Slot，而每 32 个 Slot（= 12 秒 x 32 Slot = 6.4 分钟）称为一个 Epoch。
Difficulty（挖矿难度）改为 Slot PrevRandao（或称 Block Randomness 随机数）。
Miner（矿工）改为 Validator（验证者）与负责出块的 Slot Proposer（提议者）。
目前，若要成为 Validator，需使用 Validator 私钥及 Withdrawal 私钥来建置不停机的验证节点，接着将带有以下指定 Data + 32 ETH 的交易打到 Deposit 合约中：
pubkey（48 Bytes）：Validator 公钥，链上唯一识别用
withdrawal_credentials（32 Bytes）：将 Withdrawal 公钥作 SHA256 后，将最左侧 2 位元由 0x00（BLS WITHDRAWAL 前缀）替换而得
signature（96 Bytes）：由 Validator 私钥向 (pubkey, withdrawal_credentials, deposit_amount) 资料进行签名
deposit_data_root（32 Bytes）：由上述 pubkey、withdrawal_credentials、signature 建立 Hash Tree，并取得其 Hash Tree Root 而得
Slot 与 Epoch、Validator 与 Proposer
成为 Slot Proposer 要做的事
在下一个 Epoch 到来前，每个 Slot 会透过 Randao 随机数指定 1 位 Validator 成为此 Slot 的 Proposer，而他要完成 2 件事！
第 1 件事：建立区块，并让其他 Validator 进行验证及投票。
理想上，Slot Proposer 会在最新的区块后面，直接建置下一个区块，如同 PoW 时期以维持最长链原则。但实际上，可能会因 P2P 网络延迟、恶意节点尝试攻击等，导致 Slot Proposer 未必能在最新的区块后面建置下一个区块，造成区块链分叉。这时，需请其他的 Validator 进行区块投票，得票高者即可成为下一个区块。若恶意节点故意在同一个 Slot 时段内建立 2 个区块，则会被施以严重的大幅削减（Slash）处罚（从质押的 ETH 中一次性罚款）并退出网络。
第 2 件事：提出一个随机数种子 S，并公开 Hash(S) 结果。
因为少了过去 PoW 的算力竞争，但直接指定 Proposer 有违去中心化，所以需要一个由众多 Slot Proposer 一同决定的 Randao 随机数，用来选定下一个 Epoch 的 Slot Proposer 们
第 1 件与第 2 件事不断重复，使得区块链不断地产生新区块。
Slot 的 Validator 数量推算
在说明每个区块及 Epoch 需要多少票数前，先进行目前 Slot 的 Validator 数量推算！
回顾一下：每 12 秒为一个 Slot，而每 32 个 Slot 为 1 个 Epoch。由 Beaconscan 网站可得知，目前撰文时全球总共约有 512,000 名以太坊 Validator。
所以，每 1 个 Epoch 约会有 512,000 名 Validator 进行投票。平均下来，每 1 个 Slot 约会有 512,000 / 32 = 16,000 名 Validator 进行投票。
每个 Validator 要做的事
扣除负责出块的 Slot Proposer，剩下 N - 1（N 是 16,000）的 Validator 需在每个 Slot 中完成 Attestation 工作，即向支持的区块及 Epoch 来进行投票！
投票 1：向支持的 Epoch（对应的 Checkpoint Slot）投票，支持的 Epoch 包含需同时选定 Target Epoch 及 Source Epoch（可参考下图）。
- Target 为 Validator 认同当下所在的 Epoch
- Source 为 Validator 认同最近的 Epoch（通常为上一个 Epoch）
若某个 Target Epoch 结束，并得到超过 2 / 3 Validator（即 512,000 x 2 / 3 = 341,333）的票数，则此 Epoch 标示为 Justified，故最快要等上 1 Epoch = 6.4 分钟的时间。
承上，若此 Target 紧连的 Source Epoch 也得到 2 / 3 票数（通常 2 者为连续的 Epoch），则此 Source Epoch 标示为 Finalized。因此，最快要等上 2 Epoch = 12.8 分钟的时间
Epoch Finalized 之前的区块规定不可再被更改
Justified 与 Finalized 的 Epoch 判断方式
投票 2：向支持的区块投票（或称之为 LMD-GHOST Fork Choice Rule 共识）
可对过去 1 Epoch 内的 Slot 区块进行投票。
如果 Validator 有以下行为会无法拿到奖励
- 投给旧的、错误的区块（可能投票期间未同步至最新区块所致）
- 投票经常延迟或设备离线，但如果网络出现 4 个 Epoch 都没被 Finalized 的情况（进入 Inactivity Leak 期），则会有罚款
- 如果 Validator 有以下行为会进行严重（Slash）处罚，同个私钥同时存在两台不同机器上导致同一 Epoch 时间内有 2 次对区块的投票行为。将机器迁移时，没有将资料库也迁移，导致迁移的机器向同一区块重覆投票的行为
如果被 Slash 处罚一次或因罚款导致余额低于 16 ETH，则会被强制踢出网络。从 beaconcha 统计数据可得知，自信标链上线以来被 Slash 总共有 229 名 Validator，大多为非恶意的机器设置错误导致，约占整体 Validator 的 0.045%。
本节重点整理
PoS 是由链上所质押的 ETH 作担保，来维持分散式共识（若伺服器停机、提交延迟、或提交错误共识内容则会有罚款），好处是：环保，且质押的 ETH 平均有 4% 年化报酬。
但此时要自建 24 小时不停机节点 + 质押至少 32 ETH，门槛过高
对于仅有少量 ETH 却又想参与 PoS 网络的散户该怎办？所以，像是 Lido 等服务商，就有提供收取质押奖励的 10% 作为手续费，让散户进行小额质押。而且，更特别的是 Lido 还提供质押 ETH 兑换 stETH 代币，让散户可在二级市场进行 stETH 交易。
从 Dune 统计数据可得知，目前所有质押的 ETH 约占总供应量约 14.66%
2022 年 9 月 PoS 信标链与 PoW 以太坊完成合并
众所期待的 PoS 以太坊终于在 2022 年 9 月 15 日完成合并（The Merge）！此时，只能使用 Validator 进行质押挖矿，而使用显卡挖矿的矿工时代也真正地成为了过去！
虽然，一般使用者仍可按照过去 PoW 使用方式进行 ETH 转帐或合约交易；但实际上经过 The Merge 升级后，以太坊节点已拆分成 Execution Layer（EL）执行层及 Consensus Layer（CL）共识层了
以太坊节点区分 CL 及 EL 层
在 The Merge 后采用了 PoS 共识，虽然 PoW 机制被移除，但是 PoW 的 Excution Layer 却合并到 Beacon Chain 中。
Execution Layer（EL）执行层仍与 PoW 时一样进行：
- 执行 EVM 虚拟机
- 但是，当区块分叉时，取代 PoW 机制，会由 CL 层告知哪一个区块是 Head Block
Consensus Layer（CL）共识层就负责：
- 进行 Proof of Stake 共识
- 当区块分叉时，采 LMD-GHOST Fork Choice Rule 共识来决定
The Merge 升級前，Execution Layer 的內容
完成 The Merge 升级后，Execution Layer 的内容与过去 PoW 时期相同
然而， 对于执行以太坊节点的营运者，可以决定将 CL 节点（如：Lighthouse）、EL 节点（如：Geth）拆分建立，并使用元件所提供的 Engine API 来进行沟通。甚至可执行其中一个元件，另一个元件则与其他节点共用。
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The Merge 合并之后，将以 PoS 的取代 PoW 以太坊，无法使用显示卡挖矿。
但此时 Validator 们仍无法赎回已质押的以太币，所以才会有下一个重大的升级：上海硬分叉。
2023 年第 2 季以太坊信标链进行上海硬分叉升级
以太坊 PoS 信标链于 The Merge 后另一项重大的升级：上海硬分叉，终于让为数众多的的 Validator 开放让为数众多质押 ETH 的赎回申请，但考量到系统的稳定性（如：避免 Validator 数量骤减，影响共识安全及稳定等），每个 Epoch 可退出的 Validator 或 ETH 数量是有限制的！
质押退出机制
关于欲将已质押的 ETH 赎回，除了您需等待 2023 年第 2 季上海硬分叉升级完成外，Validator 还需将 EL／CL 节点升级、在 CL 节点上修改收益地址等前置作业，即可进行 ETH 赎回请求啦！分为 2 种形式：
关于前置作业细节可参考 imToken 先前发布的「上海升级，和你有关吗？」文章！
部份赎回（Partial Withdrawals）
- 将超过 32 ETH 的其他 ETH（不论是质押 or 奖励）给赎回
- 因目前一个 12 秒的 Slot 最多只能有 16 次的部份赎回额度，以全网有 512,000 Validator 来计算，平均每个 Validiator 要等 4.44 天才能收到 ETH。
全部赎回（Full Withdrawals）并退出 Validator 角色
- 因目前一个 6.4 分钟的 Epoch 只能退出 6 名 Validator，所以会依照申请的顺序来进行全部赎回
- 注：实际上，为避免一次大量 Validator 退出网络而导致安全性问题，所以每个 Epoch 可退出 Validator 数量会依照全网 Validator 总数来进行限制（可参考下方表格）
而以上无论是部份赎回，还是全部赎回，因为都在 CL 节点上广播请求，所以也均无需 Gas 费用。
每个 Epoch 可退出 Validator 数量会依照全网 Validator 总数来进行限制
上线前需充分测试
另外，此次升级还需在各个测试网上进行充分测试，才会正式上线！
- 2023/02/07 可提款的 Zhejiang 测试网上线
- 2023/02/28 进行 Sepolia 测试网的上海硬分叉升级
- 2023/03 进行 Goerli 测试网的上海硬分叉升级
还有其他的提案
而且，这次升级除了 EIP - 4895（允许验证者提取质押的代币）是主要提案外，还会一同实现以下 EIP 提案：
- EIP-3651 预热 COINBASE：启动「COINBASE」地址的预热功能，降低交易手续费消耗
- EIP-3855 增加 PUSH0 指令：将常用的「常数 0 推送」操作变成一个指令，将可减少合约程式码大小
- EIP-3860 限制和计价 initcode：增加合约部署规范，避免部署程式码过大占用空间
- EIP-6049 新增 SELFDESTRUCT 停用警告：更新 SELFDESTRUCT 指令的文件说明，警告使用者该指令未来将被停用
未来，本专刊将会为重要的 EIP 提案来撰写文章进行说明。
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开放质押的 ETH 赎回，但基于安全理由，每个 Epoc（约 6.4 分钟）只能退出 6 个验证者（因此每天约有 1,350 个验证者 or 43,200 ETH 可退出。
若您刚好是以太坊信标链的 Validator，强烈建议在上海升级前阅读「上海升级，和你有关吗？」文章，来了解这次上海升级时您一定要做的几件事情！
总结
综观整个 PoS 演进史，以太坊始终保持着为用户提供最优秀的使用体验和开发环境的初衷。 PoW 到 PoS，不断的改变也带给了我们更加高效和环保的区块链世界。上海硬分叉升级将为以太坊带来更多的可能性；在未来，随着这一系列 EIP 提案的引入，Ethereum 将越来越容易地融入日常生活中，并且让人们都可享受到区块链带来的安全性与方便性。让我们一起期待以太坊的更美好未来！
参考资料
- 中文
- 以太坊 Safe Head 機制介紹（一）
- Eth 2.0 的共識層和執行層分工及 The Merge 影響
- 英文
- Blocknative - A Staker's Guide to Ethereum Slashing & Other Penalties
- ETH Withdrawals FAQ
- How does the NEW Ethereum work?
- Proof of Stake Rewards and Penalties