合併不僅僅是為了響應降低全球碳排放的號召，也是為包括分片在內的未來升級奠定基礎。
目錄：
摘要
1. 什麼是合併？
2. 為什麼要合併？
2.1 POS有利於分片管理
2.2 POS是能源友好型
3. 合併後的變化
3.1 區塊結構
3.2 網絡結構
3.3 共識機制
3.4 狀態
4. 合併的特點
4.1 產生新區塊所需時間的確定性
4.2 降低客戶端的門檻
4.3 無縫過渡到POS
5.可能的影響
5.1 通縮
5.2 節省能源
5.3 對L1層公鏈的競爭狀況的影響
6. 合併的風險
6.1 會不會出現硬分叉？
6.2 中心化的程度是否會加強？
6.3 MEV會被取消嗎？
摘要
目前的以太坊主網將通過與信標鏈的合併完成從工作量證明到權益證明的過渡，同時保留合約執行功能和當前用戶狀態的完整歷史數據。合併不僅僅是為了響應降低全球碳排放的號召，也是為包括分片在內的未來升級奠定基礎。
合併後，網絡結構、區塊結構、共識機制和狀態都將出現變化。新的區塊將攜帶Beacon區塊的外部以及來自以太坊的工作量證明（POW）的內容。網絡將採用共識層和執行層（執行引擎）形式的架構來產生和同步區塊。新系統將採用權益證明（POS）共識機制，由驗證委員會執行提議和投票的功能，以形成對某些區塊的共識。共識層和執行層將被連接起來，同時無狀態性也將被引入，這不僅有助於保持去中心化的程度，也有助於未來的分片。
合併後，ETH可能進入通貨緊縮狀態，網絡將更加節能。在此基礎上，L1層鏈的競爭狀況將在合併後一定程度上重新定義。以前的ETH礦工將湧向其他網絡，在那裡額外哈希率可能會提高相應代幣的價格；同時，合併後的以太坊網絡將主要通過分片進行升級；其他POS L1層生態系統可能會遭遇困境。
憑藉其科學的技術路線圖和雄心勃勃的願景，以太坊的表現在合併後將逐步改善，以維持其整體發展。之前的POW網絡由於難度炸彈而不得不中止，即使礦工們建立了一個孿生網絡但仍然是無效的：在缺乏有價值資產的情況下，它將是不穩定的，所以硬分叉幾乎不是問題。以太坊的POS不能解決”富者愈富”的問題，但由於門檻比POW低，所以去中心化的程度沒有被破壞，同時最大可提取價值（MEV）在合併後仍然存在。即使在合併過程中出現了一些技術問題，但仍在可控範圍內，資產安全也能夠得到保障。
6月9日，以太坊Ropsten測試網完成了合併，這是首次基於測試網的合併實踐。 Ropsten轉型後，Goerli和Sepolia也將轉型為POS。備受關注的以太坊主網和信標鏈的合併已經在9月15日完成。合併後，ETH的通貨膨脹率將從4%下降到-2%左右。信標鏈的贖回預計將在第一次硬分叉後立即進行（可能在合併後6個月）。
許多資料都提到了合併，但很少有人能提供全面的看法。在這篇文章中，將從合併的意義、實施的技術原理、對行業的影響和可能的風險等方面給出系統全面的看法。
1.什麼是合併
目前的以太坊有兩個網絡：一個是我們的老朋友——以太坊區塊鍊網絡，由POW提供技術支持；另一個是信標鏈（Beacon Chain，早期也叫ETH 2.0），由POS執行。 Beacon Chain在推出後一直保持著自己的地位，智能合約中的ETH質押數量穩步增長，目前數量已達1300萬個。
合併代表了以太坊區塊鍊和信標鏈的合併。它不是一個簡單的數學意義上的組合，相反，它是對兩者的整合和升級：摒棄兩者中可能破壞以太坊長期發展的糟粕部分，同時保留和結合理想的部分。
也就是說，POW將與以太坊主網分離，同時保留並將智能合約的執行功能、完整的歷史數據和當前的用戶狀態輸送到由POS機驅動的信標鏈。這不僅僅是分叉的正常升級，更是共識機制的重大改變。
在合併期間，POS驗證器將取代POW礦工。當合併發生時，Beacon節點將監測當前的POW鏈，並衡量一個預先確定的難度閾值，這被稱為TERMINAL_TOTAL_DIFFICULTY：任何難度超過閾值的區塊將被標記為最終的POW區塊。從那以後，信標鏈上的驗證者產生和驗證的區塊都將是POS區塊，標誌著合併的完成。
如果在這個過程中發生任何技術問題，網絡可能會短暫地不可用。但是由於網絡上沒有共識，資產無論存放在哪裡都是安全的，因此不可能發生盜竊行為。交易所可能會在合併期間禁止充提，因此擔心在合併過程中由於價格波動而可能被迫清算的用戶可考慮提前補充保證金。
與合併相比，之前的計劃曾打算在信標鏈上支持64個分片鏈作為獨立的Ethereum POW運營3-5年，用戶可以自由地遷移，因此根本不存在合併。然而，合併是採用沒有POW的以太坊主網作為信標鏈的第一條分片鏈，並在此後整合兩者，同時，用戶和應用程序被遷移到POS以太坊網絡。合併現在是最可行的路線，這與之前計劃中的各種分片鏈的技術路線和在短期內開發分片鏈的空前難度有關。相反，合併可以繼承以前的執行層，這需要更少的算力。同時在可識別的變化方面對用戶的影響很小，他們的過渡成本也很低。
2.為什麼要合併？
以太坊的PoS離不開合併。它有兩個主要目的：實現分片和節約能源消耗。
2.1 POS有利於分片管理
以太坊的主要缺點是性能差，這一點在2017年的Crypto Kittens上被曝光過。為了提升其性能，以太坊社區提交了關於分層和分片的建議。 ETH 2.0 因此而出現：通過在分片鏈上同時處理多個交易，將TPS從15提高到15000，不過由於技術上的限制，官方將分片鏈從1024條砍到了64條，但分片的想法一直沒有被取消。
雖然信標鏈在以太坊的技術結構中，為各種分片鏈分配和協調驗證者，但在不同的共識機制下，系統的運作方式是不一樣的。對於PoS，該系統需要質押32個ETH以獲得相應的投票權和質押利益（不會被沒收）。巨鯨驗證者可以將資金分配到各個賬戶，變相成為小驗證者以獲得更多利益。換句話說，即使持有相當數量的ETH，其持有量也會被隨機稀釋到各個分片鏈上，所以在一個鏈上獲得更高的投票權幾乎是不可能的。因此，驗證者在每個鏈內總是處於平衡狀態。除非掌握整個網絡51%的質押，否則幾乎破壞不了網絡的安全。對於PoW來說，礦工就是驗證者，礦機掌握在礦工手中，礦工可以按照他們的意願隨時連接或斷開，也就是說，哈希率是未知的，可能在短時間內變化。如果一個巨鯨礦工將哈希率集中到整個網絡的51%，那麼其可以控制分片鏈並破壞其安全性。所以為了獲得更安全的分片結構，PoW必須被PoS所取代。
2.2 POS是能源友好型
根據Digiconomist的說法，從比特幣挖礦的能源消耗來看，以太坊已經取得了進步。然而，以太坊挖礦（PoW）的能源消耗仍然超過44.46 TWH，這相當於芬蘭或瑞典的年能源消耗。每筆交易需要耗費84KWH(千瓦時)的電力，可以供應一個家庭2.8天。在PoS下，維護網絡系統不需要驗證者反复完成消耗能源的哈希計算，能源消耗將減少99.95%以上，提高能源效率超過2000倍。每筆交易只需要35KWH的電，這與看20分鐘電視的能耗差不多。
3.合併後的變化
3.1 區塊結構
從整體上看，合併後的區塊可以看做是以太坊PoW區塊的內部被外部的信標鏈區塊所覆蓋。目前，信標鏈只對空白區塊進行PoS操作，包括槽的序列號、父塊根、狀態根、證明、存款合約根和驗證器削減等。這些操作有一個共同的特點：從用戶的角度來看，不涉及任何交易，如發送ETH或與其他合約互動，所以它只是提供一個”形狀”。合併後的內容也叫執行有效載荷（執行的相關信息），即執行層（以前的PoW節點）提供的以太坊的轉移和智能合約的互動，執行層和共識層可以在區塊的層面上聯繫在一起。
由於PoW不再使用，與PoW相關的動態塊字符串，如difficulty、mixHash、nonce、ommers、ommerHash，將被自動修改為0或其他常量值；extraData的長度也將被限制在32字節以內。
共識層（信標節點）仍然驗證當前信標區塊中的所有字符串，但區塊中的內容現在由執行層（當前POW）負責驗證。
3.2 網絡結構
合併後，網絡結構將被修改。以太坊採用了共識層和執行層（執行引擎）的結構來生成和同步區塊。以前，這兩個P2P網絡是相互排斥的。合併後它們必須協作和協調，同時保持獨立。
智能合約的轉移和調用由執行引擎（之前的ETH全節點）打包、廣播和執行，GAS費用的小費留在執行引擎中。執行層的主要目標是與執行引擎建立通信，促進執行有效載荷的生成或驗證，並在此後根據信標節點的共識創建完整的信標塊。引擎API作為兩個網絡之間的橋樑。共識層通過這個場所從執行引擎中捕獲需要同意的內容，並調用其他執行引擎節點來驗證交易的合法性。達成共識後，最新的網絡狀態將通過同一渠道傳送給執行引擎，執行引擎從此與該狀態同步。換句話說，共識層幫助之前的PoW網絡達成共識。
如上所述，合併後會有一個層次關係。共識層類似於指揮官，而執行層則是士兵。在作者看來，下面的eth2客戶端圖可以明確地展示這種關係。這種層級關係將展現共識機制和狀態的變化。
3.3 共識機制
合併的目的是為了改變共識機制。以太坊信標鏈將採用PoS，由驗證者委員會提出並投票達成對某一區塊的共識。
合併後，一個區塊的時間單位將以槽和紀元的形式出現。每12秒創建一個槽，每個紀元包由32個槽組成。一個紀元是一個固定的時間段，核查員將在這個時間段結束時被重新分配。
要成為驗證者並獲得投票權，用戶必須至少投入32個ETH。截至6月20日，有超過403,000名驗證者。以太坊的規則是，對於每個紀元，驗證者將被隨機分配到32個委員會，確保每個委員會至少由128個驗證者組成。系統使用隨機算法RANDAO為每個時段分配1名驗證者，並同時為這個時段隨機選擇一個委員會。這個驗證者負責提出區塊，而委員會負責驗證和對提案進行投票。一旦投票通過，就會產生一個區塊，提議者就會獲得獎勵；否則，不僅獎勵無法獲得，保證金也會被沒收。同樣的情況也適用於普通的核查員：如果正確地遵守規則，就可以得到獎勵，而破壞者則會受到懲罰。一旦32個ETH的押金降至16個ETH以下，驗證者的資格將終止。
驗證者和委員會的隨機選擇過程與合併前的信標鏈幾乎沒有區別。合併後的唯一區別是，合併後的共識必須包含關於執行有效載荷的共識。未來當以太坊上有更多的分片，即4個分片時，每個委員會將被分成4個相等的份額來參與每個分片的投票。
3.4 狀態
無狀態成為合併後的一個顯著特徵，因為網絡的變化會改變網絡的狀態。
首先，以太坊採用賬戶模式，每個賬戶由用戶狀態和合約狀態組成。狀態，簡而言之，就是系統在特定時間的具體外部展示，包括賬戶餘額、合約代碼的哈希值或存儲數據。完整的以太坊狀態記錄了所有賬戶和相關賬戶餘額，以及所有在EVM中部署和執行的智能合約的歷史記錄。在各個節點達成共識後，主鏈上的一個區塊只有一個狀態。此外，系統的狀態隨著新區塊的確認而繼續變化。更具體地說，產生區塊的節點需要訪問和檢查系統的當前狀態，執行後記錄新的狀態，並與網絡中的其他節點同步。其他客戶節點需要驗證並執行區塊內的交易，以確保網絡中始終存在共識。
隨著更多的新用戶進入和去中心化應用部署在以太坊上，會產生更多的新數據，賬戶的狀態數據會無限制的增長。對於節點來說，將所有的狀態數據存儲在內存中幾乎是不現實的。如果要考慮用硬盤，機械硬盤讀取數據的速度可能太慢，這導致與節點同步最新數據的困難，而固態硬盤則不符合成本效益。從長遠來看，狀態膨脹的問題將要求節點擁有更大的存儲空間和更強的性能，這就增加了節點操作的門檻。
為了解決狀態膨脹的問題，社區提出了兩種可能的解決方案：狀態租金和無狀態。前者對保留狀態的合約徵收連續的租金，否則可用性就會終止，不過這在實踐中很複雜：一方面，適當的租金收取方式無法確定；另一方面，很難說誰能成為租金的合法接受者，因此，對於租金機制的探索已經停止了。後者的建議使所有的交易和狀態的驗證過程不存在輕客戶端任何狀態的實際存儲。
問題歸結為一個，為什麼無狀態對PoS以太坊來說如此關鍵？首先，如果只是簡單地在所有Beacon客戶端增加eth1執行和所有狀態的功能，那麼硬件的門檻對節點來說就太高了。考慮到全節點操作的難度越來越大，加劇了以太坊上中心化的程度。而POS以太坊的目的是讓所有的節點“要么有所有的狀態，要么根本無狀態”去參與驗證，以維護網絡安全，這也帶來了網絡的高度去中心化。
更重要的是，無狀態是分片的先決條件。以太坊未來可能會有多個分片，每個分片由賬戶和部署在其上的合約狀態組成。每個分片隨機選擇驗證者組成一個委員會；也就是說，如果沒有無狀態，驗證者必須擁有所有分片的所有狀態數據，這可能會使普通驗證者不堪重負，分片可以緩解以太坊的不良性能，而無狀態則鞏固了高度分散的以太坊網絡。無狀態在為未來的更新奠定基礎方面至關重要，它是一項重大的技術升級。
在無狀態下，合併後的以太坊將有3種類型的節點/客戶端：
1. 沒有ETH1執行引擎的客戶端
2. 帶有ETH1執行引擎的客戶端，具有無狀態性
3. 擁有完整狀態的ETH1執行引擎的客戶端
第一種類型的客戶端是最輕便的，因為它只能參與達成共識，但無法從執行層驗證交易。它的存在是為了監督共識層上的其他類型的節點。第三種類型的客戶端功能齊全，具有所有狀態、執行能力和同意能力，換句話說，是一個完整的節點。第三種類型的客戶端的數量將很小，因為所需的投資可能是巨大的數據存儲、硬件和用於抵押的代幣。而第二種類型的客戶端在無狀態方面具有優勢，因為它從具有狀態的執行引擎中調用數據，並使用自己的執行力來驗證交易的有效性。由於節省了狀態存儲的成本，第二種類型的客戶端在網絡中可能更常見。
4.合併的特點
4.1 產生新區塊所需時間的確定性
以太坊不會通過調整來使區塊產生的難度由此增加礦工的競爭力。在任何情況下，每個區塊都可以在每個時段後產生，這需要12秒。其好處是：
Ø 用戶體驗得到提升。對於鏈上交易，用戶必須等待礦工打包。當生產一個區塊所需的時間是已知的，人們可以很容易地估計在某個時間段，哪個區塊可能由交易數據組成，從而預測完成交易所需的時間。
Ø 對於一些DeFi協議，代幣的釋放依賴於在以太坊主網上產生的區塊數量，即每1000個區塊，將釋放1個代幣。也就是說，在以前的模式下，即使產生一個區塊的時間段也是14秒左右，當網絡面臨擁堵時，產生一個區塊所需的時間變得不確定，這導致了一些DeFi協議的代幣釋放不穩定。
Ø 對未來的升級進行更準確的規劃。根據過去的經驗，每次升級都是在區塊的某個高度進行的。例如，Berlin升級發生在12,244,000的區塊高度。然而，由於生產新區塊所需時間的變化，具體計劃一直被推遲，這導致了社區對開發團隊的不滿意，但如果生產區塊的時間是確定的，可能會緩解這種情況。
4.2 降低客戶端的門檻
如前所述，狀態膨脹使區塊的驗證更加困難，這對硬件提出了更嚴格的要求。合併後，以太坊讓之前無法保存完整網絡狀態的輕量級節點能夠參與到網絡中，並驗證所有交易和狀態證明。也就是說巨型礦機不再是節點的必須品，服務級別的設備就足以參與驗證網絡了。
4.3 無縫過渡到POS
通過開發團隊的自然設計，合併為將成為執行層的客戶端提供了向PoS的無縫過渡。對於終端用戶和開發者來說，執行層是與以太坊進行大多數互動的地方，大多數功能（例如EVM、狀態和執行方法等）和API不會因為合併而改變，正如有人所說，合併可能會在人睡午覺後完成，甚至沒有人會注意到。
5.可能的影響
任何言語都不足以準確描述合併對以太坊的意義。雖然性能瓶頸不能立即解決，但所有的雄心和以太坊的技術路線都必須從這個階段開始建立。作為航程中的第一步，合併具有深遠的意義。
5.1 通縮
如前所述，合併將把以太坊從PoW轉移到PoS，停止在當前PoW下生產新區塊，這也就結束了傳統的挖礦獎勵，系統中任何增量的ETH只能通過作為節點參與PoS驗證過程來鑄造，這將大大減少ETH的總供給。從下圖來看，當以太坊轉移到PoS時，ETH的發行量預計會急劇下降。此外，即使在合併完成後，系統也不會釋放任何質押鎖定的ETH。 ETH的首次解鎖將在合併完成後的第一次硬分叉後授予，這將是幾個月後的事情。同時，系統對每天的解鎖金額和申請者總數都有嚴格的限額，以防止大規模的拋壓。
雖然ETH的供應被削減，但其淨銷毀率卻在增加。根據目前的數據，ETH的供應量將增長到50萬左右，但由於EIP-1559的推出，大約290萬（甚至可能更多）將在牛市時被銷毀。從以上兩個角度來看，即使沒有生態系統中的PoS質押和協議的需求，ETH最終也會出現通縮。
由於供應減少的規則類似於比特幣減半的規則，社區將其命名為”三減半”，即比特幣需要三次減半才能達到合併後ETH的供應減少效果。從歷史數據來看，比特幣減半與加密貨幣市場的生命週期密切相關：當比特幣的新供應量減半時，其在二級市場上的剩餘流動性被慢慢耗盡，導致其價格上漲，形成牛市。同樣，作為市值第二大的加密貨幣，ETH的通縮可能會像比特幣那樣推動市場的發展。
然而，解鎖可能會給ETH持有者帶來困擾，並伴隨著短期的市價下跌。
5.2 節省能源
儘管比特幣的成功令人信服地證明了PoW幾乎無可挑剔的資質，但礦工們使用了大量的能源來反復計算可能成為資產的唯一哈希值。鑑於目前全球對低碳活動的強調，PoS可能正是解決方案。
5.3 對L1層公鏈的競爭狀況的影響
合併最終會在一定程度上影響目前L1層鏈的競爭格局。由於難度炸彈的存在，合併後時間消耗會增加得更快。理論上，礦工節點仍然能夠通過分叉挖礦，但他們必須接受有限的回報和持續上升的成本之間的權衡——這意味著放棄以太坊。不過可採用的方案也很有限：在類似的PoW鏈上挖礦或者賣掉挖礦設備換取流動資金來投資POS。對於其他PoW鏈來說，礦工的湧入和哈希率可能會改善生態系統的現狀，並且提升代幣的價格。對於其他PoS鏈來說，即使以太坊被指責有很多缺點，但沒有人可以否認以太坊社區仍然主導著這個行業，而且安全性也是一流。合併後，以太坊的缺點將開始得到解決，生態繁榮的L2層生態系統將進一步降低鏈上交易成本，更不用說分片的整合將從整體上提高網絡運營效率，也許對以太坊的需求上升最終會侵蝕其他生態系統。
6.合併的風險
6.1 會不會出現硬分叉？
回顧一下，目前的以太坊是硬分叉的產物。歷史會不會重演這次類似ETC的硬分叉事件的大規模升級？基於目前的事實，以太坊遵循科學的技術路線和其宏大的願景，這將極大地提高其性能，並吸引足夠的熱度，使未來的發展更具可持續性。另一方面，難度炸彈會迫使PoW礦工從以太網主網這個原始戰場上撤退。此外，社區對合併的讚成度也很高，所以沒有看到任何一個礦工團體發出對於分叉的強力發聲。
假設礦工們可以模擬出一個新的與以太坊類似的網絡，例如ETH Legacy，它與PoW以太坊相同，但沒有難度炸彈，那麼新網絡在推出之前就會面臨幾個強大的競爭對手，其中包括以太坊和其他L1層鏈，這一挑戰是還伴隨著資產不足的問題。分叉後，ETH必須複製以太坊的整個賬本，不僅分叉的代幣會出現（例如ETL），其他資產的衍生品也必須處理，例如WBTC、USDC、DAI、LINK、BAYC、CryptoPunks等。所以無論資產在哪裡發行，無論發行機構是中心化還是非中心化，只有資產的唯一性才是重要的，因為只有一個網絡上的資產才會被認可。更具體地說，只有PoS以太坊上的資產才會被發行機構認可為真正的資產。顯然，ETH Legacy或其他類似的實體更有可能因為業績不佳、資產不足和共識薄弱而提前消亡。
總之，合併後，硬分叉發生的可能性較小。
6.2 中心化的程度是否會加強？
有些人可能會擔心合併後的中心化程度。 PoS的共識機制自然賦予那些擁有大量股份的人更多的利益——換句話說，更多的投票權，這意味著對網絡有更多的控制，但是這個問題並不是PoS獨有的：在PoW中，擁有更多哈希率的礦工可以用挖礦的獎勵購買更多哈希率，增加區塊成功生成的機會。因此，PoS並沒有解決這個問題，也沒有加劇這種情況。
其次，Lido的巨大增長引來了懷疑論者。 Lido是一個大規模的賭注池，占到整個網絡的三分之一以上，有些人聲稱，如果再組建一個Lido的存在，這個存在將有能力控制整個網絡。值得注意的是，Lido不是由任何單一實體控制的。 Lido內部有30個節點運營商，節點相互之間或與Lido之間是相互排斥的。而且這些運營商是頂級的節點運營商，具有可信的記錄和法律實體，具有可追溯權，而且他們必須通過DAO的投票，並始終處於DAO的監控之下。所以，把Lido單一地等同於集中式礦池是無效的。相反，Lido在去中心化方面的持續努力在與CEX礦池的競爭中佔了上風，也就是說，壟斷勢力或聯合勢力佔領網絡的風險並不像人們普遍認為的那樣高。
如前所述，PoS下不需要任何挖礦設備或礦場，這降低了普通用戶的准入門檻。從這個角度看，PoS下的以太坊會比PoW下更分散。
總之，中心化的加強並不是一個主要的問題。
6.3 MEV會被取消嗎？
MEV代表礦工可提取的價值，本質上是礦工在產生新區塊時的一種套利行為——類似於傳統金融交易中的前置操作。具體來說，由於鏈上區塊的空間有限，提交的交易將首先進入內存池等待礦工打包。對於礦工來說，決定這些交易被處理和上鍊的順序的權利在他們手中，通常情況下，礦工會根據收到的GAS費用的多少來決定：GAS費用多的交易會優先得到處理。因此，鏈上交易處理的優先級不是取決於提交的時間，而是取決於用戶願意提供多少GAS費用，這種活動給礦工帶來的額外利潤是MEV。
當它變為PoS時，處理的程序並沒有太大的變化，執行引擎代替礦工決定訂單，這仍然是同一群人的事。因此，MEV的問題並沒有變化。
參考文獻
[1]. https://tim.mirror.xyz/sR23jU02we6zXRgsF_oTUkttL83S3vyn05vJWnnp-Lc
[2]. https://ethresear.ch/t/eth1-eth2-client-relationship/7248
[3]. https://blog.ethereum.org/2021/11/29/how-the-merge-impacts-app-layer/
[4]. https://blog.lido.fi/the-road-to-trustless-ethereum-staking/
原文作者：火幣研究院翻譯：小橙子
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