一文说透以太坊 2.0 改变共识机制的原因和后续影响

以太坊 2.0 是以太坊发展的重要阶段,从长远来看,以太坊 2.0 改变共识机制有利于以太坊发展。

撰文:郝凯,就职于  HashKey Capital Research

审校: 邹传伟,万向区块链、PlatON首席经济学家

以太坊 2.0 的共识机制将由 PoW 转为 PoS, 这是一个重要变化。为了更好理解这个重大的变化,我们撰写了该文,希望用简单的预言向读者说明以太坊 2.0 改变共识机制的原因 ,并分析以太坊 2.0 对于参加 Staking 要求和限制条件在此之外,我们还分析了 太坊 2.0 改变共识机制后 对生态中各方参与者的影响, 以及后续可能存在的 监管政策的变化

我们认为,以太坊 2.0 是以太坊发展的重要阶段,从长远来看,以太坊 2.0 改变共识机制是有利于以太坊发展的。

按照以太坊的发展路线图规划,在经历了 Frontier (前沿,2015 年 7 月) Homestead (家园,2016 年 3 月) Metropolis (大都会,2017 年 10 月) 三个阶段后,以太坊预计在 2020 年步入 Serenity (宁静) 阶段,即升级到以太坊 2.0。以太坊 2.0 有很多改进的地方,主要包括:

  • 共识机制由 PoW 转为 PoS;

  • 整体架构由单链转为 分片多链 (Shard Chains)

  • 执行环境将由 eWASM 代替原来的 EVM。

以下,让我们针对以太坊 2.0 共识机制发生改变的原因及影响进行研究。

以太坊 2.0 为什么改变共识机制

以太坊是面向全球的 开源公链平台 ,其宗旨是成为「 世界计算机 」。为实现这个目标, 以太坊的改进和升级都必须朝着成为更适合搭建和运行 DApp 的公链平台这个方向前进。 以太坊 2.0 的共识机制由 PoW 转为 PoS,可以更好地平衡「不可能三角」问题,尽可能在去中心化、可扩展性和安全性这三个要素之间做到兼顾。

去中心化

去中心化是区块链的核心特性之一。最初,中本聪设计的比特币是一个完全去中心化的点对点系统,每个用户都可以使用个人电脑进行挖矿。然而,随着比特币价格的升高,大量算力不断加入,使得比特币挖矿难度越来越大。 目前,比特币全网的绝大部分算力都由几个 头部矿池 控制 ,普通用户想参与挖矿的途径只能是选择加入矿池。

比特币算力分布图,数据来源: btc.com,2020 年 1 月 22 日

从上图中可以看出, 比特币 前十大矿池 的算力占比之和超过全网算力的 90% ,中心化的程度非常高,用户使用个人电脑就可以挖比特币的景象再也不可能出现。

与比特币一样,以太坊上线时也采用了 PoW 共识机制。虽然以太坊的挖矿算法中加入了抗 ASIC 矿机的设计,但是目前以太坊的中心化程度也非常高。

以下的图和表分别表示以太坊的算力分布情况和前十大矿池的算力占比,可以看出, 以太坊前十大矿池的算力占比之和也接近全网算力的 90%,前五大矿池的算力占比之和达到 77%

以太坊算力分布图,数据来源: etherchain.org,2020 年 1 月 22 日

以太坊矿池的算力占比,数据来源: etherchain.org,2020 年 1 月 22 日

从比特币和以太坊的实际运行情况可以看出, PoW 共识机制不能保证去中心化,反而会催生出矿池,使得整个系统趋向中心化。 如果继续采用 PoW 共识机制,以太坊的中心化程度会继续提高,这与区块链去中心化的精神背道而驰。因此,从这个角度来看, 提高 去中心化程度 是促使以太坊 2.0 从 PoW 共识机制转为 PoS 共识机制的原因之一。

当然,很多采用 PoS 共识机制的公链,如 EOS 和 TRON 等,也存在中心化的问题。针对这个现象,以太坊 2.0 还采用了其它的限制措施,后文中会继续介绍。

可扩展性

可扩展性一直是困扰以太坊发展的重要因素,以太坊的 TPS 大概是 15 左右,远远不能满足其「世界计算机」的定位。2017 年 12 月,一款简单的游戏加密猫 (Crypto Kitties) 就让整个以太坊网络拥堵不堪,整个以太坊网络的使用率达到 90% 以上,即下图中的红色圆圈部分。 目前,以太坊的使用率大概是 70% ,随着以太坊生态的发展,部署在以太坊上的 DApp 越来越多, 以太坊想要承载对交易速度要求更高的应用,必须解决可扩展性不足的问题。

以太坊的使用率,数据来源: etherscan

从下表的对比中可以看出, 采用 PoS 共识机制的公链的 性能 要明显优于采用 PoW 共识机制的公链。 因此,提高可扩展性也是促使以太坊 2.0 从 PoW 共识机制转为 PoS 共识机制的原因。

不同公链的性能对比,表中 PoS 共识机制包括 DPoS、Pure PoS 等这一类共识机制,数据来源: 各公链官网和浏览器

需要指出的是,很多采用 PoS 共识机制的公链在设计上拥有很高的 TPS,但实际生态中缺少开发者,也没有用户。就像是城市中修了很宽的马路,但马路上没有车辆,这相当于是一种资源浪费,这种所谓的高性能也就没有任何意义。 因此,以太坊 2.0 在提高性能的同时,还必须要注重 生态建设

安全性

就安全性而言,很难判断 PoW 共识机制和 PoS 共识机制哪个更好。在 PoW 共识机制中,作恶者需要掌握足够多的算力, 在 PoS 共识机制中,作恶者需要掌握足够多的代币, 作恶成本 都很高。 目前来看,比特币仍然是安全性最高的区块链,作恶成本也是最高的。因此,安全性并不是以太坊 2.0 改变共识机制的原因。

尽管以太坊 2.0 采用 PoS 共识机制并不意味着安全性比之前更高,但还是有三点需要说明一下。

  • 一是在 PoS 共识机制中,节点需要抵押一定数量的代币, 对于作恶者,可以将其抵押的代币没收 ,这对于作恶者是一种威慑。

  • 二是在当前的激励体系下,维护以太坊全节点并不能获得收益,以太坊全节点的数量在不断下降;而在以太坊 2.0 中,能参与挖矿的用户数量大大增加,愿意维护以太坊全节点的用户数量也可能随之增加,从这个角度来看, 全节点数量的增加也意味着以太坊的去中心化程度和安全性更高。

  • 三是相比于 PoW 共识机制对能源的巨大消耗,以太坊 2.0 采用 PoS 共识机制是一种更加环保和绿色的选择, 不需要消耗大量的能源来维护系统运行。

以太坊 2.0 对参与 Staking 的要求

与目前以太坊生态中矿工的角色类似,以太坊 2.0 的验证者承担了处理交易并打包出块的责任。 验证者的工作包括提议新区块和证明其它验证者提议的区块。 每个区块的验证者都是信标链 (Beacon chain) 从一个很大的验证者集合中选择出来的。

以太坊 2.0 通过随机数发生器进行 随机选择验证者 ,被选中的 128 个验证者将组成一个委员会,负责创建新区块并获得相应出块奖励。每 64 个区块后,信标链会重新随机选择验证者。这种定期且随机的选择验证者的方法可以最大限度地防止恶意节点之间进行串谋。

需要指出的是,以太坊 2.0 也分为几个阶段来实施,在 以太坊 2.0 的阶段 0 并没有设计分片, 阶段 1 开始会加入 分片 的设计 ,信标链需要为每个分片都选择出验证者委员会。

参与 Staking 的门槛很低

为避免其它采用 PoS 共识机制的公链出现的中心化问题,以太坊 2.0 极大地降低了普通用户参与 Staking 的门槛, 以太坊用户只需通过智能合约抵押 32 个 ETH 就可以成为验证者。 同时,32 个 ETH 也是每个账号参与 Staking 的数量上限,如果用户持有的 ETH 数量大于 32,超出的余额部分不会带来任何收益,那么用户必须将这些 ETH 分配到不同的账户中,这个要求将中心化参与带来的利益降到最低。 并且,以太坊 2.0 对硬件的要求也不高,普通个人电脑就可以满足要求。

以太坊 2.0 极大地降低了普通用户参与 Staking 的门槛 ,这是以太坊 2.0 与其它采用 PoS 共识机制公链的显著区别。

下面两个表分别是 EOS TRON 的超级节点得票情况。从表中可以看出,排名前十位的超级节点的得票率都超过 1%。虽然得票数并不等同于自身持有这些代币,但是普通用户是肯定没有资金和资源获得这么多投票, 他们参与出块的途径只能是选择加入 Staking 矿池 显然,虽然这些公链也采用 PoS 类共识机制,但是它们的中心化问题已经非常突出。

EOS 超级节点得票情况,数据来源: EOS Tracker

TRON 超级节点得票情况,数据来源: tronscan

以太坊 2.0 设置的诸多限制条件都是为了尽可能保证整个系统的去中心化, 这种近似于严苛的要求其实是 不利于持币大户 参与 Staking 的。 而 EOS 和 TRON 采用 DPoS 共识机制,保障了生态中的持币大户的利益。下表是对主流公链进行的简单对比,以太坊 2.0 设置的诸多限制条件的原因可以从下表中探究一二。

ETH、EOS 和 TRON 的对比,数据来源: 区块浏览器,Coin Metrics,DApp.com,2020 年 2 月 6 日

可以看出,以太坊在 地址数量、DApp 数量、日活和市值方面 都远超过 EOS 和 TRON,同时,Electric Capital 在 2019 年发布的一份报告显示, 以太坊社区的开发者数量是任何其他公链开发者数量的 4 倍以上 。正是以太坊在区块链领域的巨大优势和接受程度,让以太坊有底气相信,即使对 Staking 做出严格的限制条件,还是会有大量的用户愿意参与其中。

区块链项目市值和开发者数量,数据来源: Electric Capital

参与 Staking 的收益

对于采用 PoS 共识机制的公链,用户参与 Staking 的代币数量越多,作恶者的作恶成本就越高,整个网络就会越安全。对于以太坊 2.0 也是如此, 生态中的验证者越多,抵押的 ETH 数量越多,以太坊就会越安全。

以太坊 2.0 的出块奖励是促使用户参与 Staking 的动力。以太坊会通过出块奖励的方式增发代币,在 PoW 共识机制阶段,普通用户没有能力自己参与挖矿,持币用户的利益会因 ETH 增发受到损失; 采用 PoS 共识机制后,普通用户可以参与 Staking,可以抵消 ETH 增发带来的损失。 为了吸引更多的用户参与 Staking,以太坊 2.0 将验证者的年收益率与抵押的 ETH 数量挂钩。当系统中抵押的 ETH 数量较少时,验证者的年收益率会很高,随着抵押的 ETH 数量增多,验证者的年收益率会降低。

下表是 EthHub 给出的 ETH 年增发量,表中给出的增发量是最大值,如果验证者受到惩罚的情况出现,实际增发量会比这个数据小。

ETH 增发量,数据来源: EthHub

从表中可以看出, 当抵押 ETH 数量较少时,验证者的最大年收益能达到 18% ,这是一个非常有吸引力的收益,会让更多用户参与进来。当抵押 ETH 数量较多时,验证者的最大年收益降到 2% 以下,这个收益对部分持币大户的吸引力不高,可以在一定程度上避免他们抵押大量代币获得收益。 根据 Vitalik Buterin 的粗略估计,以太坊 2.0 可能会锁定大约 1000 万 个 ETH。

ETH 的通胀率,数据来源: etherscan,计算时间是每年 1 月 1 日

ETH 的通胀率在逐年降低, 2019 年的通胀率为 4.76% 。从上文 「ETH 年增发量」 一表中可知,采用 PoS 共识机制后,ETH 的通胀率会进一步下降。

以太坊 2.0 带来的影响

以太坊在区块链领域的影响力非常大,以太坊 2.0 从 PoW 共识机制转为 PoS 共识机制会对生态中所有的参与者带来影响, 包括矿工、节点服务商、交易所和监管机构等。

矿工

以太坊 2.0 共识机制的改变 对矿工的影响是最大的 。虽然以太坊 2.0 不会立即停止 PoW 挖矿,会让两条链并行一段时间,但是后续挖矿难度会逐渐升高,促使矿工放弃挖矿,最终以太坊还是会完全转成 PoS 共识机制。届时,矿工所持有的矿机、建设的矿场和其他设备都不能在以太坊生态中发挥作用。

矿工接下来可能选择的道路有三种:

  • 一是 完全放弃挖矿 ,追随以太坊 2.0 在新的玩法中找到定位,矿工会遭到很大的损失;

  • 二是用现在的矿机和设备 去挖类似于 ETC (以太经典) 这样的代币 ,离开以太坊的社区;

  • 三是矿工联合起来 对以太坊进行硬分叉 ,在分叉后的链上继续采用 PoW 共识机制进行挖矿。

节点服务商

以太坊 2.0 对于所有的 PoS 节点服务商 都是一个不能错过的机会,也是一个非常大的挑战。

从下表中可以看出,相比于 PoS 节点服务商的热门项目 EOS、TRON、Tezos 和 Cosmos 等, 以太坊的市值要比这些项目市值的总和还要大 ,以太坊 2.0 会直接成为市值最高的 PoS 项目,并且,后续参与以太坊 Staking 的用户也会非常多。 因此,以太坊 2.0 对于所有的 PoS 节点服务商都是一个不能错过的机会。

热门 PoS 项目的市值,数据来源: CoinMarketCap

但是,前文讲到过,以太坊 2.0 要求每个账户中抵押的 ETH 数量是 32 个,这对于节点服务商来讲是一个很大的限制。对于其它 PoS 项目,节点服务商只需要几台大型服务器就可以运行。但是对于以太坊 2.0, 节点服务商可能需要同时运行 成百上千个 机器和账户,这对于服务商的运维能力提出了很高的要求。

同时,节点服务商还需要对不同客户提供不同的服务。对于持有 ETH 数量较多的大客户,服务商需要帮助大客户分配 ETH 到多个不同的账户;对于持有 ETH 数量不足 32 个的小客户,服务商需要帮助小客户之间进行合并。 对于规模较大、信誉较好的节点服务商 ,这些工作可以通过中心化的方式实现; 对于规模较小的服务商 ,需要通过智能合约来吸引用户。并且,节点服务商之间也存在着激烈的竞争。因此, 以太坊 2.0 对于所有的 PoS 节点服务商都是一个不小的挑战

交易所

以太坊 2.0 的共识机制改变对于交易所来讲 不会有特别大的影响 。目前,很多交易所建立了自己的 PoS 矿池, 使用用户托管的数字货币进行 Staking 获得利润。 以太坊 2.0 的共识机制改变之后,这些交易所矿池肯定也会参与 Staking。

监管机构

对于以太坊,美国证券交易委员会 (SEC) 曾经明确表示,ETH 不属于证券型数字货币;在新加坡、日本和欧洲,ETH 也一直被视为支付型数字货币或应用型数字货币。 ETH 面临的监管政策风险很小。

但是,以太坊 2.0 的共识机制改变之后,监管机构对以太坊的态度可能会发生变化。2019 年 11 月, 美国商品期货交易委员会 (CFTC) 主席希思塔伯特表示, 他们正在与 SEC 就以太坊 2.0 的潜在交易进行重新评估分析。 假如以太坊 2.0 被评估为证券型数字货币,那么会对 ETH 以及整个数字货币市场带来重大影响。当然,以太坊团队也会在这个问题表达有利于自己的观点。

思考和总结

以太坊 2.0 有很多改进的地方,共识机制由 PoW 转为 PoS 是其中一个重要变化。 提高整个系统的 去中心化程度 和提高 可扩展性 是以太坊 2.0 改变共识机制的主要原因。

为避免其它采用 PoS 共识机制的公链出现的中心化问题,以太坊 2.0 极大地降低了普通用户参与 Staking 的门槛。同时,32 个 ETH 是每个账号参与 Staking 的数量上限, 这个要求将中心化参与带来的利益降到最低。 以太坊在区块链领域的巨大优势和接受程度,让以太坊有底气对 Staking 做出严格的限制条件。

以太坊 2.0 共识机制的改变会对 生态中的矿工、节点服务商、交易所和监管机构 产生不同的影响。各方需要提前对共识机制的变化做好相应的应对措施。在监管政策方面,目前还没有明确的定论,暂时不需要对政策风险过于敏感。

以太坊 2.0 是以太坊发展的重要阶段, 从长远来看,以太坊 2.0 改变共识机制是有利于以太坊发展的。 从以太坊 2.0 的测试情况来看,以太坊 2.0 会在近期顺利推出,这意味着以太坊会继续挤压其它公链的生存空间。以太坊 2.0 具有很强的竞争力, 以太坊 生态的繁荣 和社区的 众多开发者 是以太坊保持领先地位的关键。

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