一、以太坊升级的历史

1.以太坊简史

自2015 年7 月公开主网（被称为家园Homestead）上线以来，以太坊一共经历了4 轮的升级。这4轮升级的顺序依次为：家园（Homestead，2016 年3 月），拜占庭（Metropolis Byzantium，2017 年10 月），君士坦丁堡（Metropolis Constantinople，2019 年2 月）和伊斯坦布尔（Istanbul， 2019 年12 月）。总的来说，这些升级改进了以太坊1.0 链的功能，同时也为以太坊2.0 奠定了基础。（更多以太坊简史可以参考：
https://consensys.net/blog/blockchain-explained/a-short-history-of-ethereum/）

2.以太坊升级有什么？

•PoS（权益证明）：PoS是PoW的升级版本，提升了安全性与可扩展性，且更加节能。不同于PoW 依靠矿工和电力，PoS依靠验证者（虚拟矿工）和存入ETH代币来构建新区块。
•分片链：分片链一种极大提升以太坊区块链吞吐量的可扩展性机制，并且更加节能。分片链通过将数据处理的任务分配给许多节点，来对以太坊进行“分解”。

3.以太坊升级前后的区别

•现有的以太坊使用工作量证明（PoW）的共识机制，而以太坊升级后将使用质押证明（PoS）机制，以下是PoW 和PoS 优缺点对比：

•以太坊升级前，网络每秒只能支持大约30笔交易，会导致延误和拥堵。而以太坊升级后承诺每秒最多10万笔交易，升级后是非常后面的事情， Layer2也有可能是作为分片存在，速度提升还是分片实现。

4.以太坊升级完成后有什么变化？对现有以太坊网络有什么影响？

以太坊升级将改进以太坊主网的可扩展性、吞吐量和安全性。以太坊合并和升级不会清除现有PoW链上任何的历史数据、交易记录、资产所有权。升级后，原来的链将继续运行和改进直至升级为以太坊升级后的一条分片链。

5.以太坊升级什么时候上线？

其实合并并不是一件容易的事情，从一开始的计划2021年就完成，但已经延误了好几次，这也是为什么它如此重要。
近年来，除了协议开发之外，一个细节转变是从去年开始很多以太坊开发者包括V神都开始使用“执行层”和“共识层”，尽量避开说“以太坊2.0”、“以太坊1.0”了。

• Eth1 → 执行层
• Eth2 → 共识层
• 执行层+共识层=以太坊

二、以太坊升级逻辑

了解完Ethereum升级的整个历史过程，接下来将详细介绍目前以太坊在转PoS的整个规划和进展情况（但因为整个规划牵扯面太广和开发难度大，已经造成计划间断性的延期)。了解整个以太坊网络更新升级的规划和模块，有助于帮助我们把握整个区块链网络发展趋势，同时也能发现在以太坊升级的各个阶段下诞生的一些潜在机会和新的需求。
以太坊是由一组升级组成，可提高网络的可扩展性、安全性和可持续性。尽管每个都在并行工作，但它们具有确定何时部署它们的某些依赖关系。总体而言，以太坊升级分为三组工作：信标链（The Beacon Chain）、合并（The Merge)、分片链(Shard Chains)。（官方页面最后的更新时间为2022年6月3日）

1.信标链~2020年12月1日：

信标链不会改变我们今天使用的以太坊的任何东西。
1)它将协调网络，作为共识层；
2)它为以太坊生态系统引入了权益证明；
3)当时被称为技术路线图上的“阶段 0”。
信标链将引导以太坊进入PoS，这是一种帮助确保以太坊安全的新方法。把它想象成一种公共物品，它将通过节点验证者质押32个ETH以激活验证器软件，参与网络共识，并在此过程中验证者因为参与网络共识与安全而赚取更多的ETH，它自创世以来就作为独立于主网（或“执行层”）的链而存在。

一方面，质押者不需要能源密集型的计算机来参与权益证明系统，只需一台家用计算机或智能手机。这将使以太坊适用更多的环境，质押和成为验证者比挖矿（网络当前的安全方式）更容易。另一方面，从长远来看，随着更多的 ETH 被质押，网络会变得更强大，因为它需要更多的 ETH 来控制网络的大部分。如果要成为威胁，你需要控制大多数验证者，这意味着你需要持有系统中的大部分 ETH（数量很多），这将有助于使以太坊更加安全。参与网络的人越多，它就会变得越去中心化和安全。

所以在PoS机制下，Staking网络的锁仓数量、验证节点数量和用户友好性等会极大促进以太坊网络的健康发展。截至6月30日，质押的ETH总量为13,610,817 个，验证者总数404,918 ，当前利率约为4.2%，网络的质押和验证者数量仍呈上升趋势。

质押方式上，节点和用户可以采取多种方式进行质押：单独质押（Solo home staking）、质押即服务（Staking as a service），池子质押（Pooled staking）亦或者是中心化交易所质押（Centralized exchanges）。

•单独质押方式：即在以太坊网络上单独质押，不需要任何中间的委托者或者中介，所以所有协议收益均归个人所有。原则上是去中心化程度最高，但也是操作难度最大的：除了自身至少需要32个ETH，还需要配套专用计算机执行客户端和保证节点持续运行。为此需要使用的工具有：Staking Launchpad开源应用程序，可帮助您成为质押者；节点工具：Rocket Pool CLI、Stereum、Vouch + Dirk、Vouch + Dirk、eth-docker、Ethereum on Arm、DAppNode；密钥生成器Key Generators：Ethdo、Wagyu Key Gen。

•质押即服务方式：将自己的 32 ETH 存入验证者，但将节点操作委托给第三方运营商，其主要目的是解除了自己操作硬件和运营的繁琐工作。目前支持此项业务的有Abyss Finance、BloxStaking、Allnodes等，他们同时也是第三种质押方式的各个项目的委托方或合作方。

•池子质押（Pooled staking）：因其便利性和满足普通用户质押需求，池子质押也是当前最受欢迎的质押方式，可以帮助那些没有或不愿意质押 32 ETH 的用户。其中许多选项包括所谓的“流动性质押（Liquity Staking)”，涉及代表您质押的 ETH 的 ERC-20 流动性代币。流动性质押使您可以随时随地轻松退出，并使质押像代币交换一样简单。此选项还允许用户在自己的以太坊钱包中保管他们的资产，比如：Lido、Rocket Pool、StakeWise
更加详细的关于Liquity Staking和它们的运行机制的可以阅读此篇文章：
https://medium.com/@ViaBTC_Capital/viabtc-capital-insight-liquid-staking-is-unleashing-the-assets-value-and-efficiency-3de47f5a894d

但是就去中心化程度和安全性而言，我们仍然需要警惕质押服务提供方的中心化程度风险，Lido占网络渗透率高达32.25%，中心化交易所Coinbase、Kraken、Binance占比高达27.96%，others未能确认的地址占比30%。

引用https://pools.invis.cloud/ 网站的信息，多客户端质押信标链上的验证者可以从多个不同的软件客户端中进行选择，但目前绝大多数都运行 Prysm。在 Prysm无故障运行时是很好，但如果发生错误或攻击，网络上的所有验证者都将成为Prysm的受害者，所以说将验证者集中在一个客户端上是单个验证者和整个以太坊的风险乘数。

同时根据ethsunshine.com数据显示，就当前以太坊发展的情况来看，共识客户端和执行客户端的多样性仍然有待提高，非托管验证者市场份额占比不是特别高（依赖云托管服务的节点会产生单点故障或攻击，可能会同时影响多个节点）。非矿池验证者市场份额还很低，仅占比30%。所以在维持以太坊去中心化健康状况方面，仍有很大的改进和增长空间。我们可以通过不断激励单独质押方式，或者在池质押方式上尽量选择去中心化质押池和分散到多个质押池等方式实现。我们希望随着越来越多的竞争者进入质押市场，在质押领域能够形成竞争市场而不是寡头垄断市场。

2. 合并（The Merge）~2022 年第三季度/第四季度

1)最终，当前的以太坊主网将与信标链权益证明系统“合并”；
2)这将标志着以太坊工作量证明的结束，以及向权益证明的全面过渡；
3)这是计划在分片链推出之前进行的；
4)我们以前将此称为“对接”(the docking)。
根据Vitalik Buterin在“ETH & 上海”峰会的演讲中得知，目前已经完成了在以太坊测试网络 Ropsten 上进行了“合并”，如果不出意外的话，主网“合并”应该会在 8 月份开始。不过，根据最新的测试和开发者会议得知，目前测试网合并后不出意料的出现了问题，主网上的“合并”也可能因此延期。
最新消息，Ropsten测试网合并 Merge已于6月9日正式完成。

合并后的Ropsten测试网交易区块演示：
(https://ropsten.beaconcha.in/block/65147#transactions)

以太坊主网将与信标链“合并”，成为自己的分片，使用PoS而不是PoW。主网将把运行智能合约的能力引入权益证明系统，以及保存以太坊的完整历史和当前状态，以确保所有 ETH 持有者和用户的过渡顺利。合并后也标志着以太坊PoW成为历史，耗电等问题得到有效解决。并随着Layer2不断优化和分片链等技术的升级，网络拥堵和磁盘空间等问题也将有所解决，向着实现其“提高可扩展性和安全性，同时保持去中心化”的伟大愿景而继续努力，实现这三个性能是一个被称为可扩展性三难困境的问题。

3. 合并后的影响

架构上，合并后，当前的 ETH1 和 ETH2 客户端分别成为以太坊的执行层和共识层（或引擎）。这意味着 ETH1 或信标链客户端的节点运营商将需要运行堆栈的“另一半”，即运行执行层客户端和共识层客户端，以获得完全验证的节点。

共识层：合并后，PoW块将不再存在于网络上，以前PoW块内容会成为在信标链上创建的块的组成部分，EIP-4399还为链上应用程序提供了一种评估合并是否发生的方法（https://eips.ethereum.org/EIPS/eip-4399），以便现有应用无缝对接。下图将显示他们之间的关系：

出块时间，合并将影响以太坊的平均出块时间。从PoW理论出块时间的13秒变为PoS机制下的12秒，这意味着网络上的平均阻塞时间减少了约 1 秒，在计算中假设特定平均出块时间的智能合约需要考虑到这一点。
安全头块（safe head)和最终块(Finalized Blocks)。应用程序无需像PoW机制，等待在新头顶上挖出几个区块，然后再进行确认或删除。
最终确定的区块是被 >2/3 的验证者接受为规范的区块。要创建一个冲突块，攻击者必须至少烧掉总Stake的 1/3。
对于节点和用户，只需要将客户端进行组合即可。现有的 DApps 仍将以几乎相同的方式进行交互，并且需要最少的更新。合并不会立即解决可扩展性挑战，但将为分片铺平道路，以提高数据可用性和带宽。分片到来前，L2和Rollup仍然是扩展和降低gas费的最佳出路。
最新进展，已为测试网 Ropsten 合并选择了 50000000000000000 的终端总难度 (TTD)。质押者和节点运营商必须在 2022 年 6 月 7 日之前手动覆盖其执行层和共识层客户端中的 TTD。目前已经完成 Ropsten 测试网的合并，关于$stETH, $BETH等流动性质押方式质押的ETH将在主网合并后一段时间开启提现功能。

4. 分片链~2023

1)分片是一种多阶段升级，旨在提高以太坊的可扩展性和容量；
2)分片链为应用程序和汇总提供额外的、更便宜的存储层来存储数据；
3)它们使第 2 层解决方案能够提供低交易费用，同时利用以太坊的安全性；
4)本次升级计划在主网与信标链合并之后进行。

分片是水平拆分数据库以分散负载的过程——这是计算机科学中的一个常见概念。在以太坊环境中，分片将通过创建称为“分片”的新链来减少网络拥塞并增加每秒交易量。
最初的计划是在合并之前研究分片链，意在解决以太坊的扩展性问题，但技术难度和开发周期过长，同时鉴于最近在Layer2扩展解决方案研究和开发方面取得的进展，这促使合并升级优先于分片链。
信标链包含保持分片安全和同步的所有逻辑。信标链将协调网络中的质押者，将他们分配给他们需要处理的分片，还将通过接收和存储其他可访问的分片交易数据来促进分片之间的通信。这将为分片提供以太坊状态的快照，以使所有内容保持最新。
Rollups 是当今存在的“第 2 层”技术。它们允许 DApp 将交易捆绑或“汇总”到链下的单个交易中，生成加密证明，然后将其提交到链上，这减少了交易所需的数据。将此与分片提供的所有额外数据相结合，用户每秒可获得 100,000 笔交易。Rollups并不是临时措施，也将作为扩容方案与分片长期共存。
根据目前的进展，EIP-4844（Proto-danksharding）可以说是在分片领域的一大突破。它是通过分片结合Layer2- Rollups处理巨量的交易来增加可扩展性而设计出来的方案。在过去，64 个分片就有 64 个提议者，然而在实践中，这会导致大量的重复确认，从而反过来导致市场中心化，但是在Danksharding 中，只有一个提议者选择进入该槽，来处理所有交易和所有数据。Arbitrum、Optimism、StarkNet、 Polygon、Rollups 这些项目都可以从 EIP-4844 中获得巨大进展。其缺点是还无法处理16M的数据，但可以处理 1M 数据，这是很大的进步。
更多关于Danksharding和EIP-4844协议的内容可以查看这里：https://www.eip4844.com/

5.合并后的ETH质押收入模型

1）Fee将成为重要因素
在合并后，以太坊矿工的收入结构由两部分组成：
•Rewards
•Fees
a) 首先来看看Reward的情况：
根据Ethereum官方github给出的schedule，在目前staked 12.8M的情况下，合理预估合并时质押量应该在 15M ETH 左右，此时可以推算出年化Reward 约等于 0.7M，APY = 4.7%

Source：https://docs.ethhub.io/ethereum-roadmap/ethereum-2.0/eth-2.0-economics/

b) 执行了EIP1559的 Fee将燃烧约70%，其余将给validator：

Source：https://twitter.com/808_Investor/status/1532874044181200896/photo/1

2）合并后Reward rate 将随着TVL下降
与横向网络相比，以太坊网络大概率将平衡在5%左右的收益率，在过去12个月平均手续费的情况下全网的质押比率将上升至27%，即约能容纳约32M的ETH质押量。

Source： https://stakingrewards.com/

我们假定5%是我们所需要期望收益率，ETH可质押的容量主要受到网络Fee和Reward的影响，因为Reward是可预测的，那么对Fee的合理期望是主要的追踪因子；从下图我们可以看出，在网络最为活跃的2021年中手续费收入将能容纳50M的ETH质押量，即当前的42%。

Source： https://twitter.com/808_Investor/status/1532874067539263488/photo/1

3）合并后通缩将成为大概率事件
根据以太坊github的测算，30M的质押量将一年发行近1M的奖励，根据过去12个月得到的数据即使是在网络活动最低的月份也实现近0.5M的净燃烧，即通缩约0.4%。与此同时如果回归到2021年中的网络活动量，将实现 > 1%的通缩率。

Source：https://twitter.com/808_Investor/status/1532874071746220032/photo/1

三、以太坊2.0升级过程中存在的需求点

如果今年年底前以太坊能顺利过渡到权益证明（PoS），明年将给以太坊网络带来根本性的变化。那有哪些可能改变游戏规则的应用类型可以关注呢？

1.质押池

以太坊合并后，网络上的质押者将开始收到质押收益。验证者需要 32 ETH 来质押才能获得资格，允许他们在获得质押收益的同时存入借贷协议或DEX做LP获取其他的收益，这将大大降低了 Staking 的机会成本。而 “质押池” 模式让许多小用户聚集在一起成为验证者并分配奖励。可关注项目：Lido Finance、Rocket Pool。

•Lido Finance（https://lido.fi/） ——目前第一大质押池
虽然目前遭受到了短期市场下跌带来的恐慌情绪，ETH-stETH出现了利差，但不可否认的是流动性质押仍然是PoS质押的有效激励手段。

•Rocket Pool（https://rocketpool.net/）——目前第二大质押池

R

ocket Pool 与Lido的解决方案还是有些区别的，其产品面向节点运营商、信标链、普通质押者。
Rocket pool 和 Lido Finance区别：1）Rocket 更去中心化；2）Rocket目前只支持ETH生态，Lido 并不完全局限于 ETH 生态，而是 POS 多链生态，包括 ETH2.0、LUNA、SOL、 KSM，很快也会上线 MATIC。
更加详细的内容可以通过我们之前的文章进行了解：
https://medium.com/@ViaBTC_Capital/viabtc-capital-insight-liquid-staking-is-unleashing-the-assets-value-and-efficiency-3de47f5a894d

2.跨 Rollup 架构

市场上跨链的项目不少，但是跨 Rollup 的工具呢？这是目前较少被关注到的领域，弥合 Optimistic Rollup 和 ZK-Rollup 之间沟壑的 DApp 将会有一个美好的未来。

•跨Rollup DEX——Hop Protocol（https://app.hop.exchange/#/send?token=ETH）

Hop Protocol是一个Rollup代币桥，Hop Exchange是在这个桥系统上创建的一个前端应用。原理: Hop 依赖于被称为 Bonders 的做市商，他们通过为他人提供流动性来赚取费用；这种自动做市商 (AMM) 风格让 Hop 用户可以快速发送跨链交易。这意味着提供流动性来跳转的人有机会赚取收益！

•去中心化跨 Rollup 桥——Orbiter Finance

Orbiter Finance 是一个解决L1 跨到L2 的方案，目前已支持ETH、ERC-20在zkSync、ETH主网、Arbitrum、Polygon上低成本、实时互转。DApp 主网链接：https://app.orbiter.finance/。其创新点是：跨链到跨环境，不仅支持Rollup之间跨，还支持从Rollup跨到Optimism。

•其他：Immutable X 将推出可跨多个L2/L3 ZK-Rollup的流动性解决方案

NFT Layer2协议Immutable X将与StarkNet合作，推出可跨多个L2/L3 ZK-Rollup的流动性解决方案Cross-rollup，该方案旨在为Web3游戏玩家带来NFT的可扩展性和可组合性。

3.中继服务

Rollups 使用了 Calldata。Calldata 很昂贵，以太坊网络上最昂贵的操作之一是写入存储。对于像 Arbitrum 和 Optimism 这样的 Rollup，支持捆绑 txs 的机器人网络将非常有助于降低成本。例如Argent、Zecrey。

•Argent（https://www.argent.xyz/）

Argent 是一款Layer2的钱包，优势在于可以轻松地把 Layer2 的资产转移到 Layer1，成本低，速度快。近期Argent钱包推出了新版本，相比于常规钱包，其主要特点有：
1）支持类似ENS的域名地址，统一是xxxxx.argent.xyz. 前缀自定义；
2）最新版本已经支持zkSync，已经不需要昂贵的激活手续费了；
3）支持zkSync下的swap，L2层进行swap手续费非常便宜。

•Zecrey (https://faucet.zecrey.com/)

Zecrey是一款集跨链、隐私、layer2 一身的钱包，跨了 ETH、BSC、Polygon、AVAX、Aurora 几条公链，具有以下功能：1）管理 L1 钱包中的多链资产；2）L2中具有隐私保护的交易；3）锁定和解锁多链资产获得收益；4）在 L2 AMM DEX 交换和添加、删除流动性；5）通过在 L1 和 L2 之间充提币转移资产。

4.流支付

Layer 2 的扩展将为Layer 2 本地 DApps 的真正增长奠定基础。像流支付这样的解决方案将会大放异彩,一旦它们被大规模采用，用户将涌向这些具有便捷、高效、低成本的UX 的解决方案。流支付协议不仅仅是一个工具，而是一个基础设施，通过它，开发人员可以构建出各种各样的DApp，将其应用在DeFi、IDO、NFT、AirDrop、DCA、Automatic Investment Plan、DAO、Web3等领域。例如Sablier.Finance。

•Sablier.Finance（https://sablier.finance/）

Sablier是一种支付流应用程序，它允许在多方之间实时或以很小的时间间隔(以秒计算)进行资金支取。其应用场景很多，一旦被大规模采用，将会给整个Web3世界带来质的变化。它可用于：工资实时支付、空投实时发放、代币实时归属、代币发行新模式、定投/平均成本法DCA（买入或卖出都行）、NFT持有者实时分红等。

5.多链治理

随着多链和 PoS 公链的不断发展，多链间的协同发展将会诞生非常好用的跨链 DAO 工具和协同工具，想象一下能否存在PoS网络的互操作性的项目，链接以太坊PoS网络和其他公链网络，多链发展并实现多链在以太坊上作为分片之一，协调以太坊主网。
诸如Layerzero/Axelar或许有更大的发展空间。详细内容可在这里了解
https://medium.com/@ViaBTC_Capital/viabtc-capital-insight-can-interoperability-protocols-change-the-cross-chain-market-7f79888abc30
我们认为说服人们接受这样的工作流程有很大难度，同时也需要结合零知识证明和区块链的组合，设计协调大家对工作成果的认可和确认，配合高效的DAO组织管理工具和其他加密工具，或许会很容易发展起来。例如Dework（https://dework.xyz/）作为Web3形式的Trello+Resume,贡献者经济的生产力管理。为贡献者创建赏金，让贡献者建立他们的 Web3 个人资料并使用您自己的 DAO 令牌付款。

6.隐私

以太坊联合创始人 Vitalik Buterin 经常说他希望看到以太坊上的私人交易，但到目前为止，最接近的事情是混合服务，用于使资金匿名，诸如Tornadocash。但这些并不是严格意义上的私人交易。由于以太坊主要关注扩展——它们不太可能很快出现在基础层（协议的基础），但或许可以通过智能合约优先在Layer2层实现私人交易达成真正意义上的隐私，比如Aztec.network，建立在PLONK之上，通用SNARK技术中较为完善的新标准，可以做到身份隐私、加密货币余额隐私、代码隐私。

7.反事实（Counterfactual）钱包

反事实钱包将使用户能够直接使用 ETH 到 L2，同时避免初始 L1 存款的高 Gas 成本这项技术将被顶级 CEX 和 DeFi 协议用于带来大量新用户。

8.跨链账户

许多权益证明区块链一直在悄悄致力于跨链的未来。跨链账户将允许不同的区块链轻松与以太坊上的所有智能合约进行交互，这将是一个数十亿资金的市场，例如Cosmos。
今年4月，Theta低调升级上线。此次升级标志着跨链账户的正式推出，该模块可能会有助于大幅增强区块链网络的互操作性、容量和可组合性。跨链账户授予区块链开放了其作为“API”，能够被另一条链自定义编写的原生功能的能力，然后通过跨链账户通道向这些端点执行写入状态，简单的说就是：一条链在另一个区块链上写入状态的能力。

9.多语言客户端

1）Lodestar：TypeScript 以太坊共识客户端

https://lodestar.chainsafe.io/
由 ChainSafe Systems 维护的开源以太坊共识 (Eth2) 客户端和 Typescript 生态系统，目前主要有三大功能供节点和客户端使用（测试阶段）：
•BLS注册机：生成或恢复 BLS 主密钥并派生验证器密钥。支持EIP-2333、EIP-2334和EIP-2335规范协议；用于从主 BLS 密钥派生子 BLS 密钥，然后将其加密并以可下载的格式捆绑在一起，以便在 Eth2 测试网中使用。

•简单序列化
序列化和反序列化常见的 ssz 类型：专门为以太坊共识创建的序列化和默克尔化标准。
•ENR 应用程序（以太坊节点记录）
EIP-778，该 EIP 定义了以太坊节点记录，这是一种用于 p2p 连接信息的开放格式。节点记录提高了加密敏捷性和协议升级的处理。

2）Prysmatic Labs 的 Prysm

https://prysmaticlabs.com/
Prysm是使用Go语言编写的以太坊权益证明协议的全功能客户端，也是目前使用量最大的客户端。它包含一个完整的信标节点以及一个用于参与区块链共识的验证器客户端。Prysm 使用顶级工具进行生产服务器和进程间通信。

3）Lighthouse

https://github.com/sigp/lighthouse
一个开源的以太坊共识客户端，用 Rust 编写,并在 Apache 2.0 许可下提供。由信息安全和软件工程公司 Sigma Prime 与以太坊基金会、Consensys 和个人共同资助 Lighthouse 构建。

4）Nimbus

Nimbus 是一个客户端，它力求在使用的资源方面尽可能地轻量级。这使其能够在嵌入式系统、资源受限的设备（包括 Raspberry Pi 和移动设备）以及多用途服务器上表现良好。资源受限的硬件并不是 Nimbus 的唯一优势。它的低资源消耗使得在您的服务器上与其他工作负载一起运行 Nimbus 变得容易，这对于希望降低其服务器实例成本的质押者特别有价值。
Nim是一种高效的通用系统编程语言，具有类似 Python 的语法，可编译为 C语言。