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以太坊 PoS 與上海硬分叉總整理！

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大家好！今天我們要來探討 Ethereum 以太坊的 PoS（權益證明）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。

PoS 名詞解釋

在 PoS 中，有些名詞會和 PoW 稍微不同！

  • Block（區塊）的概念改為 Slot（插槽）與 Epoch（紀元），但 2 者均可共存不影響

    • 平均來說，每 12 秒會出一個 Slot，而每 32 個 Slot（= 12 秒 x 32 Slot = 6.4 分鐘）稱為一個 Epoch

  • Difficulty（挖礦難度）改為 Slot PrevRandao（或稱 Block Randomness 隨機數）

  • Miner（礦工）改為 Validator（驗證者）與負責出塊的 Slot Proposer（提議者）

    • 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 Data + 32 ETH 的交易打到 Deposit 合約中：

      • pubkey（48 Bytes）：Validator 公鑰，鏈上唯一識別用

      • withdrawal_credentials（32 Bytes）：將 Withdrawal 公鑰作 SHA256 後，將最左側 2 位元由 0x00（BLS WITHDRAWAL 前綴）替換而得

      • signature（96 Bytes）：由 Validator 私鑰向 (pubkey, withdrawal_credentials, deposit_amount) 資料進行簽名

      • deposit_data_root（32 Bytes）：由上述 pubkey、withdrawal_credentials、signature 建立 Hash Tree，並取得其 Hash Tree Root 而得

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Slot 與 Epoch、Validator 與 Proposer

成為 Slot Proposer 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，並讓其他 Validator 進行驗證及投票

    • 理想上，Slot Proposer 會在最新的區塊後面，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 網路延遲、惡意節點嘗試攻擊等，導致 Slot Proposer 未必能在最新的區塊後面建置下一個區塊，造成區塊鏈分岔。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（Slash）處罰（從質押的 ETH 中一次性罰款）並退出網路

  • 第 2 件事：提出一個隨機數種子 S，並公開 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 Slot Proposer 一同決定的 Randao 隨機數，用來選定下一個 Epoch 的 Slot Proposer 們

第 1 件與第 2 件事不斷重複，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 Slot Proposer，剩下 N - 1（N 是 16,000）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！

  • 投票 1：向支持的 Epoch（對應的 Checkpoint Slot）投票（或稱之為 Casper FFG 共識）

    • 支持的 Epoch 包含需同時選定 Target Epoch 及 Source Epoch（可參考下圖）

      • Target 為 Validator 認同當下所在的 Epoch

      • Source 為 Validator 認同最近的 Epoch（通常為上一個 Epoch）

    • 若某個 Target Epoch 結束，並得到超過 2 / 3 Validator（即 512,000 x 2 / 3 = 341,333）的票數，則此 Epoch 標示為 Justified

      • 故最快要等上 1 Epoch = 6.4 分鐘的時間

    • 承上，若此 Target 緊連的 Source Epoch 也得到 2 / 3 票數（通常 2 者為連續的 Epoch），則此 Source Epoch 標示為 Finalized

      • 所以，最快要等上 2 Epoch = 12.8 分鐘的時間

      • Epoch Finalized 之前的區塊規定不可再被更改

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Justified 與 Finalized 的 Epoch 判斷方式

  • 投票 2：向支持的區塊投票（或稱之為 LMD-GHOST Fork Choice Rule 共識）

    • 可對過去 1 Epoch 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（可能投票期間未同步至最新區塊所致）

      • 投票經常延遲或設備離線

        • 但如果網路出現 4 個 Epoch 都沒被 Finalized 的情況（進入 Inactivity Leak 期），則會有罰款

    • 如果 Validator 有以下行為會進行嚴重（Slash）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

    • 最後，如果被 Slash 處罰一次或因罰款導致餘額低於 16 ETH，則會被強制踢出網路

      • 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，約佔整體 Validator 的 0.045%

本節重點整理

  • PoS 是由鏈上所質押的 ETH 作擔保，來維持分散式共識（若伺服器停機、提交延遲、或提交錯誤共識內容則會有罰款），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 32 ETH，門檻過高

  • 對於僅有少量 ETH 卻又想參與 PoS 網路的散戶該怎辦？

    • 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 約佔總供應量約 14.66%

（2）2022 年 9 月 PoS 信標鏈與 PoW 以太坊完成合併

眾所期待的 PoS 以太坊終於在 2022 年 9 月 15 日完成合併（The Merge）！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 The Merge 升級後，以太坊節點已拆分成 Execution Layer（EL）執行層及 Consensus Layer（CL）共識層了

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以太坊節點區分 CL 及 EL 層

在 The Merge 後採用了 PoS 共識，雖然 PoW 機制被移除，但是 PoW 的 Excution Layer 卻合併到 Beacon Chain 中

  • Execution Layer（EL）執行層仍與 PoW 時一樣進行：

    • 執行 EVM 虛擬機

    • 但是，當區塊分岔時，取代 PoW 機制，會由 CL 層告知哪一個區塊是 Head Block

  • Consensus Layer（CL）共識層就負責：

    • 進行 Proof of Stake 共識

    • 當區塊分岔時，採 LMD-GHOST Fork Choice Rule 共識來決定

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The Merge 升級前，Execution Layer 的內容

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完成 The Merge 升級後，Execution Layer 的內容與過去 PoW 時期相同

然而， 對於執行以太坊節點的營運者，可以決定將 CL 節點（如：Lighthouse）、EL 節點（如：Geth）拆分建立，並使用元件所提供的 Engine API 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

本節重點整理

  • The Merge 合併之後，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：上海硬分岔

（3）2023 年第 2 季以太坊信標鏈進行上海硬分岔升級

以太坊 PoS 信標鏈於 The Merge 後另一項重大的升級：上海硬分岔，終於讓為數眾多的的 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（如：避免 Validator 數量驟減，影響共識安全及穩定等），每個 Epoch 可退出的 Validator 或 ETH 數量是有限制的！

質押退出機制

關於欲將已質押的 ETH 贖回，除了您需等待 2023 年第 2 季上海硬分岔升級完成外，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：

關於前置作業細節可參考 imToken 先前發佈的「上海升級，和你有關嗎？」文章！

  • 部份贖回（Partial Withdrawals）：將超過 32 ETH 的其他 ETH（不論是質押 or 獎勵）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 512,000 Validator 來計算，平均每個 Validiator 要等 4.44 天才能收到 ETH

  • 全部贖回（Full Withdrawals）並退出 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

      • 註：實際上，為避免一次大量 Validator 退出網路而導致安全性問題，所以每個 Epoch 可退出 Validator 數量會依照全網 Validator 總數來進行限制（可參考下方表格）

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

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

上線前需充份測試

另外，此次升級還需在各個測試網上進行充份測試，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 測試網的上海硬分岔升級

  • 2023/03 進行 Goerli 測試網的上海硬分岔升級

還有其他的提案

而且，這次升級除了 EIP-4895（允許驗證者提取質押的代幣）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：增加合約部署規範，避免部署程式碼過大佔用空間

  • 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

本節重點整理

  • 開放質押的 ETH 贖回，但基於安全理由，每個 Epoc（約 6.4 分鐘）只能退出 6 個驗證者（因此每天約有 1,350 個驗證者 or 43,200 ETH 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！

（4）結論

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。上海硬分岔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，並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！

5）參考資料