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📜 [專欄新文章] Crosslink 2019 Taiwan｜以太坊 2.0 的未來藍圖及挑戰
✍️ Frank Lee
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Danny Ryan（source: Crosslink 2019 Taiwan）
十月底於台北矽谷會議中心舉行的 Crosslink 2019 Taiwan，吸引了來自世界各地的區塊鏈愛好者們齊聚一堂。第一天的議程，邀請到了以太坊基金會 (Etherium Foundation, EF) 的核心研究員 Danny Ryan，會中分享了以太坊 2.0 (Ethereum 2.0)目前的研究方向以及遇到的挑戰，演講的內容主要包含了以太坊 2.0 的架構，新的分片提案，執行環境 (Execution Environments, EE)以及雙向橋接 (Two-Way Bridge)等議題。
一、以太坊 2.0 的架構
以太坊 2.0 架構（source: Crosslink 2019 Taiwan）
第零階段(Phase 0)
在 以太坊 1.0 (Ethereum 1.0) 中，使用 工作證明(Proof of Work, PoW) 作為 共識機制 (Consensus)，並藉此產生新的區塊。為了要減少工作證明產生新區塊時，所需要的大量算力，以及所花時間過長的問題，以太坊 2.0 將改為 權益證明 (Proof of Stake, PoS) 作為產生新區塊的共識機制，以太坊 2.0 PoS 創世區塊 (Genesis Block) 預計會在 2020 年 1 月 3 日產生。
第零階段會建立信標鏈(Beacon Chain)，信標鏈就是以太坊 2.0 系統層級的鏈，當從以太坊 1.0 移轉到以太坊 2.0 時，信標鏈扮演著非常重要的角色，它是整個系統的基礎。
一旦第零階段完成，將會有兩個使用中的以太坊鏈。以太坊 1.0 鏈（目前所使用的 PoW 主鏈)以及以太坊 2.0 鏈(新的信標鏈)。在這個階段，使用者在 1.0 鏈把以太幣鎖到合約裡以註冊公鑰， 2.0 鏈會承認合約內註冊的公鑰。但是，他們無法將該以太幣遷移回去以太坊 1.0 鏈上面，為了要執行信標鏈，你會需要一個信標鏈的客戶端。目前，許多團隊正在開發這些客戶端。
第一階段(Phase 1)
第一階段會加入分片鏈(Shard Chains)，在這個階段主要專注於分片鏈的資料結構，以及其有效性(Validity)和共識性(Consensus)，分片鏈在這階段只當作資料鏈，並不會指定分片鏈狀態執行(State Execution) 或帳戶餘額(Account Balances)。這比較像是對分片結構進行測試，而不是嘗試利用分片來對信標鏈進行擴展。在這階段，信標鏈會把分片鏈的區塊(Block)， 當作沒有結構或意義的位元集合(Collections Of Bits)。以太坊 1.0 和以太坊 2.0 仍將同時存在，並且在以太坊 2.0 鏈上進行測試和遷移。
這個階段分片鏈會與信標鏈交聯(Crosslinks) ，每個分片的當前狀態 — “結合資料根(Combined Data Root)”，會定期記錄在“信標鏈”區塊中，作為交聯。信標鏈區塊完成後，相應的分片區塊(Shard Block)將被視為已完成，其他分片知道它們可以依靠這些區塊進行跨分片交易。
交聯是委員會(Committee)的一組簽名(Signatures)，證明了分片鏈中的某個區塊，可以包含在信標鏈中。交聯是信標鏈”理解”分片鏈更新狀態的主要方式。交聯還用作異步跨分片通信的基礎結構。
信標鏈在每個時段(Slot)中的每個分片，隨機選擇分片驗證者(Shard Validators) ，分片驗證者只是用來在每個區塊的內容上達成一致，他們通過交聯證明分片的內容和狀態，分片中包含什麼內容都沒有關係，只要所有委員會都達成共識，並定期更新分片上的信標鏈即可。
第二階段(Phase 2)
第二階段會將所有功能開始結合在一起，在第二階段，會完成分片化，分片鏈從簡單的數據容器過渡到結構化鏈狀態，並將重新引入智能合約。每個分片將管理基於 eWASM(Ethereum flavored WebAssembly) 的虛擬機。它會支援帳戶(Accounts)、合約(Contracts)、狀態(State)，以及 Solidity 中我們熟悉的其他抽象化，預計在第二階段之前或第二階段開發時，大家熟悉的工具（例如 Truffle, Solc, Ganache）需要轉換成支持 eWASM 的版本，以太坊 1.0 及以太坊 2.0 可藉由雙向橋接來互通，會有可擴展的 Layer 1 執行，藉由無狀態執行，來提高執行速度。
二、新的分片提案
新的分片提案（source: Crosslink 2019 Taiwan）
以太坊 2.0 原提案所運作的機制，是以每個時期 (Epoch) 為單位，來進行交聯的動作，每個鏈上有1024 個片 (Shards)，當需要跨分鏈交易(Tx)時，由於是每個時期進行交聯，會有較大的延遲時間；新提案更新為每個時段都進行交聯的動作，並減少片(Shards)的數量為 64個，來降低跨分片(Cross-Shard)交易時的延遲時間，每個時段都進行跨分片交易。
新提案的優點
對於以太坊 2.0 新提案的優點，首先新提案的片 (Shards)數量由 1024 個降至 64 個，降低了運算的複雜度，因為跨鏈時間從一個 epoch 降到一個 slot ，時間縮短第一個好處是給 DApp 開發者及使用者更好的體驗。第二個好處是以往需要手續費市場(Complex Fee Market) 及樂觀狀態(Optimistic State)這兩種複雜的跨鏈交易解決方案，現在不需要了。
新提案的交易
新提案只需要比之前的提案更少的片 (Shards)，就可以啟動交易，可能會有更長的分片時段(12s)，更大的分片區塊(Shard Block)，目前更新到第零階段 ，第零階段測試網(Testnets)的測試，可能會有所延遲 ，新提案減少了第零階段發布所需的時間。
目前的想法
希望能給開發者及使用者更好的體驗，使用較大的分片區塊(Shard Block)，來改進資料可用性，以及要降低開發延遲和第零階段發布所需花費的時間。
三、執行環境
以太坊 1.0 簡易架構圖（source: Crosslink 2019 Taiwan）
在之前設計的以太坊 2.0 和以太坊 1.0 中，狀態在共識機制裡，扮演著非常重要的角色，共識機制會隨時去讀寫所有的狀態，不管是執行的概念、交易的概念、帳戶的概念、樹狀結構的概念、以及所有在資料結構中的概念，都深深地融入共識中。
上圖是以太坊 1.0 的簡易架構圖，在圖中我們可以看到共識機制及一條鏈，共識機制裡包含了狀態及一個執行引擎，狀態裡包含了狀態樹，在這裡的執行引擎使用硬編碼規則，裡面包含了執行交易、帳戶模型和帳戶結構，我們可以看到圖的右邊有一條鏈，鏈上面有交易資料，在以太坊 1.0 中，我們會在交易資料上執行共識機制，去修改和更新狀態。
執行環境是一個單獨的虛擬機器，在以太坊 1.0 中，會有一個特定的帳戶模型(Account Model)，以及事先定義好的操作碼 (Opcodes)，礦工機制 (Gas Mechanisms)和狀態根(State Root)，以太坊虛擬機 (Ethereum Virtual Machine, EVM) 就是一種特定的執行環境。
如果遵循 EIP(Ethereum Improvement Proposals) 的建議，開發者總是在要求新的操作碼，或著是更改礦工成本(Gas Cost)來支援他們的應用，像是 Plasma 和 Zkrollup 這樣的例子有很多，這樣就會需要修改 EVM 1.0 的執行環境 ，才能支援到他們的應用程式(DApp)。
但是在以太坊 2.0 的第二階段中，我們可以支持多個執行環境。 也可以有多個狀態根，不同的帳戶模型等。舉個例子，你可以定義一個臉書幣執行環境 (Libra EE)，以便在以太坊 2.0 上運行 Libra。 或者，您可以定義一個比特幣執行環境 (BitCoin EE)，這樣就可以在以太坊 2.0 上運行比特幣。
以太坊 2.0 簡易架構圖（source: Crosslink 2019 Taiwan）
在以太坊 2.0 簡易架構圖中我們可以看到狀態根， 它可能是 32 Bytes 的 Blob，上面有 WASM 的執行碼 (Execution Code)，可以在使用者層級中去做細部設定。圖片右邊有一個鏈，鏈上有一般的交易資料以及見證(Witnesses)，見證實際上顯示在資料庫的區塊中，你需要針對該狀態而不是資料庫執行該筆交易，而且還需要證明資料對於當前狀態根是有效的。舉個例子，如果我們要在帳戶 A 和帳戶 B 之間傳遞數值，假設從帳戶 A 移動 5 以太幣 到帳戶 B ，我們不能直接說帳戶和餘額 (Balance) 是確實可用的，在過程中，我們需要加入見證資料(Witness Data)，來證明兩個帳戶當前的狀態，當執行碼正在執行交易資料時， 狀態根可以修改和更新狀態樹。
執行環境並不是共識機制預先定義好的，他可以在使用者層級上去做新增，我們也可以把以太坊 1.0 複製一份到以太坊 2.0 的執行環境中，將現有的狀態根放入EVM 直譯器，用梅克爾見證驗證器(Merkle Witness Verifier)來當作他的執行碼。
在原先的提案中，狀態和共識息息相關，且執行帳戶和共識中包含了狀態樹結構；而在新的提案中，執行環境為無狀態模型(Stateless Model)，高度抽象化的，並且它的可擴展性，相較原先的提案高出非常多。
執行環境的優點
執行環境有許多優點，相較於舊系統，它也許可以更快地將產品推向市場，因為我們不必等到核心共識推出之後，才研究並發展這個概念，在 Layer 1 會有更少的阻礙，它可以在各種應用上，使用具高擴展性及資料可用性的執行引擎，所以未來會長期使用這個核心基礎層。
執行環境的設計完成，讓以太坊 1.0 到以太坊 2.0 的遷移，有了更清楚的方向，使用執行環境比較不會有技術隨時間遷移而過時的問題產生。
執行環境交易
對於執行環境交易，開發者及使用者可能會覺得太抽象，對什麼是執行環境感到困惑，像是這一層加了什麼？應該在這一層做什麼？誰應該寫執行環境？而且相關的開發規範會趨向更嚴格的形式。
虛擬機可能會有潛在的碎片化問題，進而影響到交易速度。
目前的想法
目前所有的研究都是正向發展的，還有充裕的時間，嘗試並更好地了解設計空間，未來會多花一些時間，在建立更好的執行環境通訊機制上面。整體來說，現階段的進度，對於未來是重要的里程碑。
四、雙向橋接
最後一個主題，主要討論開發雙向橋接是否是值得的？團隊可能可以在什麼時間點，來去做雙向橋接？
單向橋接示意圖（source: Crosslink 2019 Taiwan）
講者先前提過的提案中，以太坊 2.0 最初有一個單向橋接，所以你可以從以太坊 1.0 轉換到 以太坊 2.0，但是最初的架構不允許回傳，這主要是出於幾個原因，這需要我們將以太坊 1.0 的發展 與 以太坊 1.0 和以太坊 2.0 的硬分叉緊密結合，並把兩個系統置於互相影響的風險之中，因此團隊認為以太坊 2.0 在發布且穩定之前，將兩邊緊密耦合是不明智的。
單向橋接的問題
月初在日本大阪舉行的 Devcon 5 上，橋接的問題受到了廣泛的討論，原提案的單向橋接(One-Way Bridge)模式，會有驗證者流動性的問題，而且更重要的是，它可能會引發以太坊 1.0 和以太坊 2.0 之間的可替代性問題，如果我們允許以太坊 2.0上的流動性，那麼某種形式的轉移機制，就會在將以太坊 1.0 分叉到以太坊 2.0 之前，或著是在雙向橋接之前產生，交易所中很可能會同時有兩個幣，團隊和整個驗證者社區都很擔心這個問題，目前正在找尋減輕這個問題的方法。
另外也希望鼓勵大家，在這些早期階段進行驗證，但是在早期階段進行驗證，肯定會有很高的風險，因為存在未知的鎖定期，因此也希望找到方法減輕這種風險。
雙向橋接
雙向橋接示意圖（source: Crosslink 2019 Taiwan）
雙向橋接目前可能的路線有兩條，一種是在以太坊 1.0 上面，建立以太坊 2.0 的輕節點；另一種是在以太坊 1.0 上運作以太坊 2.0 的全節點。
路線Ａ： 在以太坊 1.0 上，建立以太坊 2.0 輕節點
路徑Ａ示意圖（source: Crosslink 2019 Taiwan）
這個路線需要在實際的 EVM 中支援 BLS-12–381，會花費很多開發時間，而且它只提供輕量客戶端 (Light-Client) 層級的安全性。當驗證者在 2.0 鏈上產生提款交易的收據時，我們會拿到以太坊 2.0 的輕量客戶端證明，一但收收據的區塊在以太坊 2.0 上敲定了，你就可以在以太坊 1.0 的合約上提款。不過，這可能不是團隊最終選擇的路線。
路線Ｂ：在以太坊 1.0 上，運行以太坊 2.0 的全節點
路徑Ｂ示意圖（source: Crosslink 2019 Taiwan）
第二種路線，會在以太坊 1.0 的節點上，運行以太坊 2.0 的全節點，這個路線允許我們使用敲定性機制，因此，我們不僅可以使用這種機制，來促進以太坊 1.0 和以太坊 2.0 之間的轉移，我們也可以利用驗證者的安全性，來保護以太坊 1.0 鏈，我認為大家對此感到非常興奮，這通常被稱為“敲定性小工具提案(Finality Gadget Proposal)”。
但是還是需要一種機制，去輸出以太坊 2.0 狀態根在以太坊 1.0 上，所以有一些以太坊 2.0 社群的討論，在研究如何實作它，可能會包含礦工機制。
輸出以太坊 2.0 狀態根的另一個優勢，是以太坊 1.0 有穩固的機制可以實現它，以及同時擁有以太坊 2.0 的高擴展性及資料可用性，可以做一些有趣的應用，像是 ZK Rollup 和 Optimistic Rollup。
雙向橋接的優點
如果你在交易所中，列出以太坊 1.0 以太幣和以太坊 2.0 以太幣，它們的價格應該一樣。 如果不一樣，你可以用較低的價格買一個以太幣，把他發送到橋上，然後以較高的價格獲得另一種以太幣，並把它出售。 這種套利會使它們的價格保持不變，這樣會讓用戶，驗證者和開發人員感到困惑，雙向橋接可以防止兩邊的貨幣藉由套利的形式，來互相轉換。
雙向橋接的交易
但是還是有一些權衡在這裏，儘管對以太坊 2.0 的設計非常有信心，團隊還是希望在影響到以太坊 1.0 的安全性和風險狀況之前，先在生產環境中得到驗證。
雙向橋接是一種緊密耦合的共識機制，對於兩邊鏈的攻擊及產生的問題，都會影響到另一邊的鏈，協定的開發勢必會非常煩瑣，我們需要考慮到每個協定的安全性，如果我們越早開發協議，那麼我們實際上的進度就越少，當每個障礙隨著時間發展，它們就會相互阻礙，這讓以太坊 1.0 在這一點上的開發速度比以太坊 2.0 慢得多，因為實際用戶群存在很多擔憂，並且需要大量的協調，才能在我們的生產網絡上獲得硬分叉。
所以，如果我們越早將這些東西連在一起，就可能會減慢以太坊 2.0 的開發和分叉週期，並且這增加了一些額外的開銷，換句話說，驗證我們可以鏈接客戶端的開銷是相對的。
目前的想法
我們應該會在加入驗證人流動性之前啟用橋樑，但是會等到第一階段的產品穩定之後再開放；同樣的，有很多相關的研究都在同時進行，這可能會影響到，何時完成這個操作。
名詞解釋：
EIP(Ethereum Improvement Proposals)：EIP 是以太坊平台的標準，其內容包含了核心協議的規範，客戶端 API 以及合約標準。
epoch ：在以太坊 2.0 中，epoch 指的是時長 6.4 分鐘的時間單位，每個epoch 包含64個 slots。
Slot(時段)：每個時段為 6 秒，不一定每個時段都能產生區塊，而epoch 中最後一個 slot 稱為邊界時段 (Boundary Slot) ，或稱為檢查點 (Checkpoint)。
Solidity：Solidity 是一種合約導向的語言，主要用來開發智慧合約。
Consensus (共識機制)：共識機制是區塊鏈為了在各節點間達成共識，所開發的演算法。
Validator 驗證者：驗證區塊的節點，由信標鏈在每個時段(Slot)為每個 片 (Shards)隨機產生。
Gas：交易所需的費用，當 Gas 消耗完時，智慧合約會終止並進行 Rollback。
EVM(Ethereum Virtual Machine)：EVM 中文為以太坊虛擬機，是一種輕量級的虛擬機環境，Eth 1.0 中智能合約的運行環境為 EVM。
Dapp(Decentralized App)：在以太坊中，基於智能合約的應用都稱為去中心化的應用程序，即 Dapp(Decentralized App)。
ether(以太幣)：以太坊的貨幣名稱。
Finality(敲定性)：「敲定性」是 Casper 中的概念，是一種透過驗證者投票，在鏈上產生不可回朔（Rollback）的檢查點的機制。
Libra：臉書提出的加密貨幣，預計於 2020 年發行。
Merkle Tree：Merkle Tree 由計算機科學家 Ralph Merkle 所提出，中譯為雜湊樹，因為是由雜湊函式形成的樹。
Reference: [Ethereum Improvement Proposals](https://eips.ethereum.org/)
Reference: [Two-way bridges between eth1 and eth2](https://ethresear.ch/t/two-way-bridges-between-eth1-and-eth2/6286)
Reference: [Ethereum 2.0 (Serenity) Phases](https://docs.ethhub.io/ethereum-roadmap/ethereum-2.0/eth-2.0-phases/#phase-2-state-execution)
Reference: [ethfans](http://ethfans.org/)
Reference: [eth2 quick update](https://blog.ethereum.org/2019/10/23/eth2-quick-update/)
Thanks to Danny Ryan, Chih Cheng Liang, Juin Chiu, Yahsin Huang, and Jerry Ho
Crosslink 2019 Taiwan｜以太坊 2.0 的未來藍圖及挑戰 was originally published in Taipei Ethereum Meetup on Medium, where people are continuing the conversation by highlighting and responding to this story.
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