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以太坊“合并”：权益证明时代的开篇
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原文：《How Proof of Stake Ethereum Works》by Patrick McCorry
翻译：0xFelix 校对：Franci, ECN
以太坊社区历经七年磨砺，终于迎来了“合并”这一历史性时刻！它标志着以太坊从工作量证明机制到权益证明共识协议的华丽转身。最直接的影响是，网络能耗骤降99.95%，仅占全球电力消耗的0.02%。这绝对是值得欢呼雀跃的成就！
除了节能，这次升级还带来了诸多技术优势，但很多人可能还不太清楚。所以，现在是时候用更通俗易懂的方式，来介绍权益证明机制的工作原理、重要性，以及未来令人期待的功能了。毕竟，权益证明机制现在可是守护着价值数千亿美元的资产呢。
为了帮助大家更好地理解，我整理了一系列文章，希望能帮助研究人员、开发者和普通用户了解这项技术。接下来两周，我会陆续发布以下文章，并更新相关链接：
- 模块化设计与两条区块链
- Epochs、Slots 与信标区块
- 验证者见证与投票协议
- 奖励与惩罚
- 以太坊的权益证明是否实现了其目标？
此外，还会涉及以下话题：
- 注册与提取流程
- 怠工惩罚
- 聚合器与子委员会的角色
- 摇摆攻击（未发布）
- 同步委员会（未发布）
希望这些文章能帮助你掌握权益证明协议的精髓，成为你开发共识客户端代码之前的必备知识。
特别感谢 Teku 团队的 Ben Edington 和 Mikhail Kalinin，感谢他们耐心解答我的各种问题。
模块化设计与两条区块链：去中心化的抉择
区块大小之争，归根结底是对去中心化的坚守——是应该尽可能降低参与门槛，还是应该尽可能保证可验证性？
过去十年，为了提升区块链的可扩展性，社区提出了许多大胆的方案。但问题的核心在于一个根本的权衡：
- 可负担性：有多少用户能够负担得起在网络上进行交易？
- 可验证性：有多少用户能够满足硬件和带宽等要求，实时验证交易的完整性？
许多现代区块链系统将可负担性和用户数量放在首位，默认网络运营者会尽最大努力来实现这一目标。但这种假设，即运营者应该承担更多工作，实际上会导致区块链系统走向中心化，因为它减少了能够参与运营的人数。特别是那些需要运营者从特定供应商处购买硬件的网络。
当然，现代区块链设计并非一无是处，但它们至今未能像比特币或以太坊那样获得广泛关注。我认为，其中一个重要原因是这种根本的权衡。这正是比特币区块大小之争的核心，社区最终决定优先考虑谁能够验证网络的完整性，而不是长期的可负担性。
希望像以太坊一样，可以通过闪电网络、侧链或 Rollup 等方式，将可负担性推到另一个层级。以太坊社区、路线图和价值观都源于相同的背景。唯一的区别在于，以太坊拥有一种根深蒂固的社会契约，使其社区能够实际改变基础平台，以克服这个困境。
如果说这次升级有什么与权益证明无关的收获，那就是：在去中心化网络中，TPS（每秒交易数）指标是毫无意义的。可扩展性不仅仅是以任何代价增加吞吐量，而应该定义为：
“在增加交易吞吐量的同时，仍然遵守运行完整验证节点所需的相同的计算、带宽和存储要求。”
你可能会觉得奇怪，为什么我们要讨论区块链的可扩展性？这和权益证明有什么关系？更重要的是，由于这次升级并不会立即显著提升交易吞吐量，这个讨论似乎更加离题。原因在于，这次升级的功能被低估了，它为未来的可扩展性解决方案奠定了基础。
单一型区块链到模块化区块链：一种新的思维模式
共识参与者不需要承担所有繁重的工作，他们只需要验证并确认工作是正确的。
让我们快进到区块大小战争之后。现在，我们有更好的术语来说明这种困境如何影响区块链系统的设计，即单一型区块链或模块化设计。
单一型区块链：试图找到通用解决方案，以解决所有硬件瓶颈的区块链协议和实现机制，例如如何执行交易、如何广播数据以及如何存储数据库。参与的网络运营者必须执行所有繁重的工作，并运行整个单一型的实现，这大大限制了谁可以参与共识协议。
模块化设计：将资源按层级重新定义，使得团队能够构建软件来解决每个层级的问题。
资源形成分层。以太坊权益证明设计及其长期路线图背后的重要力量之一，是将每种资源定义为一个新层级。通过成为一个层，可以将问题分离并独立，从而允许团队构建新的软件客户端来解决每个特定的问题。这就是所谓的模块化区块链设计。
关于模块化方法，最重要的理解可能是它如何改变共识参与者的看法。它不再是让他们负担最大的工作量，而是：
“区块提议者最少需要做什么工作？有没有可能把所有不必要的困难工作交给别的地方？”
答案是肯定的。
验证者作为轻客户端。区块链协议的设计不再是围绕最大化网络运营者的工作，而是相反，网络运营者（验证者）应该是轻客户端，只需要检查和验证在别的地方已经完成的工作。
这就是为什么我个人喜欢“验证者”这个名字。他们唯一的工作就是验证、达成一致（共识），最终保护存储在以太坊数据库中的所有用户资产。从长远来看，参与其中应该只需要商业上可用的硬件和良好的网络连接。
此外，通过使验证者成为轻量级客户端，它可能最终解决了运行节点软件的利他性难题。用户终于可以因验证区块链并实时检查其完整性而获得报酬。而且，我们也可以检查他们是否在做这项工作。
两条区块链：模块化设计的里程碑
合并是将以太坊规范迈向模块化设计的第一个里程碑。
它将交易排序的全局共识和交易的最终执行分离。与此同时，它引入了两个新的区块链：
- 执行区块链：处理用户生成的交易和智能合约执行的原始以太坊区块链，有时被称为 ETH1 区块链。
- 共识区块链：专用于共识层的区块链，负责决定执行区块链的规范链，并记录权益证明的转录，有时被称为信标区块链。
两个软件客户端。工作量证明 PoW 模块以及通常处理决定规范链的任何代码，都可以从原始以太坊节点软件中删除。整个执行环境保持完整，并且现在称为执行客户端。为了检索规范的执行链，它会向处理共识层的软件客户端（“共识客户端”）轮询新块。
由于执行区块链和客户端基本上保持不变，因此我们的文章将重点关注实现权益证明协议的共识层。
多客户端生态系统。由于上述分离，出现了几个独立尝试解决共识或执行问题的团队。当然，在这两种情况下，他们必须遵循通用规范，但可以自由地尝试实现细节。目前存在一个蓬勃发展（且出乎意料地资金充裕）的多客户端生态系统。例如，共识客户端包括 Teku 和 Prysm，而执行客户端如 Geth、Erigon 和 Nethermind。
鼓励验证者运行不同组合的共识和执行客户端。这是防范共识级错误的第一道防线，希望相同的错误不会在多个独立实现中复制。这种软件工程实践称为“N 版本”编程。
如果验证者的绝大多数不遵循此建议，则可能导致末日情景。我们很快就会了解更多信息。
写在最后：权益证明以太坊的未来
细心的读者可能已经注意到了这里的数据可用性、执行和结算层的使用，但是权益证明以太坊是为了共识和执行层奠定了基础。
长期的路线图是朝着以下方向发展：
- 共识 → 数据可用性：所有验证者都达成了对数据排序的一致意见，proto-danksharding 有助于巩固这一角色。
- Rollups → 执行层：Rollups 承担执行层的角色。
- ETH1 → 结算层：原始的以太坊区块链是保护所有用户定义资产的信任基础。
这种命名可能会令人困惑，依赖于以太坊协议的未来迭代。我们现在只是简单地称之为共识和执行层，因为它已经被实现和部署了。
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