摘要
目前的以太坊主网将通过与信标链的合并完成从工作量证明到权益证明的过渡，同时保留合约执行功能和当前用户状态的完整历史数据。合并不仅仅是为了响应降低全球碳排放的号召，也是为包括分片在内的未来升级奠定基础。
合并后，网络结构、区块结构、共识机制和状态都将出现变化。新的区块将携带 Beacon 区块的外部以及来自以太坊的工作量证明（POW）的内容。网络将采用共识层和执行层（执行引擎）形式的架构来产生和同步区块。新系统将采用权益证明（POS）共识机制，由验证委员会执行提议和投票的功能，以形成对某些区块的共识。共识层和执行层将被连接起来，同时无状态性也将被引入，这不仅有助于保持去中心化的程度，也有助于未来的分片。
合并后，ETH 可能进入通货紧缩状态，网络将更加节能。在此基础上，L1 层链的竞争状况将在合并后一定程度上重新定义。以前的 ETH 矿工将涌向其他网络，在那里额外哈希率可能会提高相应代币的价格；同时，合并后的以太坊网络将主要通过分片进行升级；其他 POS L1 层生态系统可能会遭遇困境。
凭借其科学的技术路线图和雄心勃勃的愿景，以太坊的表现在合并后将逐步改善，以维持其整体发展。之前的 POW 网络由于难度炸弹而不得不中止，即使矿工们建立了一个孪生网络但仍然是无效的：在缺乏有价值资产的情况下，它将是不稳定的，所以硬分叉几乎不是问题。以太坊的 POS 不能解决「富者愈富」的问题，但由于门槛比 POW 低，所以去中心化的程度没有被破坏，同时最大可提取价值（MEV）在合并后仍然存在。即使在合并过程中出现了一些技术问题，但仍在可控范围内，资产安全也能够得到保障。
6 月 9 日，以太坊 Ropsten 测试网完成了合并，这是首次基于测试网的合并实践。Ropsten 转型后，Goerli 和 Sepolia 也将转型为 POS。备受关注的以太坊主网和信标链的合并已经在 9 月 15 日完成。合并后，ETH 的通货膨胀率将从 4% 下降到 -2% 左右。信标链的赎回预计将在第一次硬分叉后立即进行（可能在合并后 6 个月）。
许多资料都提到了合并，但很少有人能提供全面的看法。在这篇文章中，将从合并的意义、实施的技术原理、对行业的影响和可能的风险等方面给出系统全面的看法。
1.什么是合并
目前的以太坊有两个网络：一个是我们的老朋友——以太坊区块链网络，由 POW 提供技术支持；另一个是信标链（Beacon Chain，早期也叫 ETH 2.0），由 POS 执行。Beacon Chain 在推出后一直保持着自己的地位，智能合约中的 ETH 质押数量稳步增长，目前数量已达 1300 万个。
合并代表了以太坊区块链和信标链的合并。它不是一个简单的数学意义上的组合，相反，它是对两者的整合和升级：摒弃两者中可能破坏以太坊长期发展的糟粕部分，同时保留和结合理想的部分。
也就是说，POW 将与以太坊主网分离，同时保留并将智能合约的执行功能、完整的历史数据和当前的用户状态输送到由 POS 机驱动的信标链。这不仅仅是分叉的正常升级，更是共识机制的重大改变。
在合并期间，POS 验证器将取代 POW 矿工。当合并发生时，Beacon 节点将监测当前的 POW 链，并衡量一个预先确定的难度阈值，这被称为 TERMINAL_TOTAL_DIFFICULTY：任何难度超过阈值的区块将被标记为最终的 POW 区块。从那以后，信标链上的验证者产生和验证的区块都将是 POS 区块，标志着合并的完成。
如果在这个过程中发生任何技术问题，网络可能会短暂地不可用。但是由于网络上没有共识，资产无论存放在哪里都是安全的，因此不可能发生盗窃行为。交易所可能会在合并期间禁止充提，因此担心在合并过程中由于价格波动而可能被迫清算的用户可考虑提前补充保证金。
与合并相比，之前的计划曾打算在信标链上支持 64 个分片链作为独立的 Ethereum POW 运营 3-5 年，用户可以自由地迁移，因此根本不存在合并。然而，合并是采用没有 POW 的以太坊主网作为信标链的第一条分片链，并在此后整合两者，同时，用户和应用程序被迁移到 POS 以太坊网络。合并现在是最可行的路线，这与之前计划中的各种分片链的技术路线和在短期内开发分片链的空前难度有关。相反，合并可以继承以前的执行层，这需要更少的算力。同时在可识别的变化方面对用户的影响很小，他们的过渡成本也很低。
2.为什么要合并？
以太坊的 PoS 离不开合并。它有两个主要目的：实现分片和节约能源消耗。
2.1 POS 有利于分片管理
以太坊的主要缺点是性能差，这一点在 2017 年的 Crypto Kittens 上被曝光过。为了提升其性能，以太坊社区提交了关于分层和分片的建议。ETH 2.0 因此而出现：通过在分片链上同时处理多个交易，将 TPS 从 15 提高到 15000，不过由于技术上的限制，官方将分片链从 1024 条砍到了 64 条，但分片的想法一直没有被取消。
虽然信标链在以太坊的技术结构中，为各种分片链分配和协调验证者，但在不同的共识机制下，系统的运作方式是不一样的。对于 PoS，该系统需要质押 32 个 ETH 以获得相应的投票权和质押利益（不会被没收）。巨鲸验证者可以将资金分配到各个账户，变相成为小验证者以获得更多利益。换句话说，即使持有相当数量的 ETH，其持有量也会被随机稀释到各个分片链上，所以在一个链上获得更高的投票权几乎是不可能的。因此，验证者在每个链内总是处于平衡状态。除非掌握整个网络 51% 的质押，否则几乎破坏不了网络的安全。对于 PoW 来说，矿工就是验证者，矿机掌握在矿工手中，矿工可以按照他们的意愿随时连接或断开，也就是说，哈希率是未知的，可能在短时间内变化。如果一个巨鲸矿工将哈希率集中到整个网络的 51%，那么其可以控制分片链并破坏其安全性。所以为了获得更安全的分片结构，PoW 必须被 PoS 所取代。
2.2 POS 是能源友好型
根据 Digiconomist 的说法，从比特币挖矿的能源消耗来看，以太坊已经取得了进步。然而，以太坊挖矿（PoW）的能源消耗仍然超过 44.46 TWH，这相当于芬兰或瑞典的年能源消耗。每笔交易需要耗费 84KWH( 千瓦时 ) 的电力，可以供应一个家庭 2.8 天。在 PoS 下，维护网络系统不需要验证者反复完成消耗能源的哈希计算，能源消耗将减少 99.95% 以上，提高能源效率超过 2000 倍。每笔交易只需要 35KWH 的电，这与看 20 分钟电视的能耗差不多。
3.合并后的变化
3.1 区块结构
从整体上看，合并后的区块可以看做是以太坊 PoW 区块的内部被外部的信标链区块所覆盖。目前，信标链只对空白区块进行 PoS 操作，包括槽的序列号、父块根、状态根、证明、存款合约根和验证器削减等。这些操作有一个共同的特点：从用户的角度来看，不涉及任何交易，如发送 ETH 或与其他合约互动，所以它只是提供一个「形状」。合并后的内容也叫执行有效载荷（执行的相关信息），即执行层（以前的 PoW 节点）提供的以太坊的转移和智能合约的互动，执行层和共识层可以在区块的层面上联系在一起。
由于 PoW 不再使用，与 PoW 相关的动态块字符串，如 difficulty、mixHash、nonce、ommers、ommerHash，将被自动修改为 0 或其他常量值；extraData 的长度也将被限制在 32 字节以内。
共识层（信标节点）仍然验证当前信标区块中的所有字符串，但区块中的内容现在由执行层（当前 POW）负责验证。
3.2 网络结构
合并后，网络结构将被修改。以太坊采用了共识层和执行层（执行引擎）的结构来生成和同步区块。以前，这两个 P2P 网络是相互排斥的。合并后它们必须协作和协调，同时保持独立。
智能合约的转移和调用由执行引擎（之前的 ETH 全节点）打包、广播和执行，GAS 费用的小费留在执行引擎中。执行层的主要目标是与执行引擎建立通信，促进执行有效载荷的生成或验证，并在此后根据信标节点的共识创建完整的信标块。引擎 API 作为两个网络之间的桥梁。共识层通过这个场所从执行引擎中捕获需要同意的内容，并调用其他执行引擎节点来验证交易的合法性。达成共识后，最新的网络状态将通过同一渠道传送给执行引擎，执行引擎从此与该状态同步。换句话说，共识层帮助之前的 PoW 网络达成共识。
如上所述，合并后会有一个层次关系。共识层类似于指挥官，而执行层则是士兵。在作者看来，下面的 eth2 客户端图可以明确地展示这种关系。这种层级关系将展现共识机制和状态的变化。
3.3 共识机制
合并的目的是为了改变共识机制。以太坊信标链将采用 PoS，由验证者委员会提出并投票达成对某一区块的共识。
合并后，一个区块的时间单位将以槽和纪元的形式出现。每 12 秒创建一个槽，每个纪元包由 32 个槽组成。一个纪元是一个固定的时间段，核查员将在这个时间段结束时被重新分配。
要成为验证者并获得投票权，用户必须至少投入 32 个 ETH。截至 6 月 20 日，有超过 403,000 名验证者。以太坊的规则是，对于每个纪元，验证者将被随机分配到 32 个委员会，确保每个委员会至少由 128 个验证者组成。系统使用随机算法 RANDAO 为每个时段分配 1 名验证者，并同时为这个时段随机选择一个委员会。这个验证者负责提出区块，而委员会负责验证和对提案进行投票。一旦投票通过，就会产生一个区块，提议者就会获得奖励；否则，不仅奖励无法获得，保证金也会被没收。同样的情况也适用于普通的核查员：如果正确地遵守规则，就可以得到奖励，而破坏者则会受到惩罚。一旦 32 个 ETH 的押金降至 16 个 ETH 以下，验证者的资格将终止。
验证者和委员会的随机选择过程与合并前的信标链几乎没有区别。合并后的唯一区别是，合并后的共识必须包含关于执行有效载荷的共识。未来当以太坊上有更多的分片，即 4 个分片时，每个委员会将被分成 4 个相等的份额来参与每个分片的投票。
3.4 状态
无状态成为合并后的一个显著特征，因为网络的变化会改变网络的状态。
首先，以太坊采用账户模式，每个账户由用户状态和合约状态组成。状态，简而言之，就是系统在特定时间的具体外部展示，包括账户余额、合约代码的哈希值或存储数据。完整的以太坊状态记录了所有账户和相关账户余额，以及所有在 EVM 中部署和执行的智能合约的历史记录。在各个节点达成共识后，主链上的一个区块只有一个状态。此外，系统的状态随着新区块的确认而继续变化。更具体地说，产生区块的节点需要访问和检查系统的当前状态，执行后记录新的状态，并与网络中的其他节点同步。其他客户节点需要验证并执行区块内的交易，以确保网络中始终存在共识。
随着更多的新用户进入和去中心化应用部署在以太坊上，会产生更多的新数据，账户的状态数据会无限制的增长。对于节点来说，将所有的状态数据存储在内存中几乎是不现实的。如果要考虑用硬盘，机械硬盘读取数据的速度可能太慢，这导致与节点同步最新数据的困难，而固态硬盘则不符合成本效益。从长远来看，状态膨胀的问题将要求节点拥有更大的存储空间和更强的性能，这就增加了节点操作的门槛。
为了解决状态膨胀的问题，社区提出了两种可能的解决方案：状态租金和无状态。前者对保留状态的合约征收连续的租金，否则可用性就会终止，不过这在实践中很复杂：一方面，适当的租金收取方式无法确定；另一方面，很难说谁能成为租金的合法接受者，因此，对于租金机制的探索已经停止了。后者的建议使所有的交易和状态的验证过程不存在轻客户端任何状态的实际存储。
问题归结为一个，为什么无状态对 PoS 以太坊来说如此关键？首先，如果只是简单地在所有 Beacon 客户端增加 eth1 执行和所有状态的功能，那么硬件的门槛对节点来说就太高了。考虑到全节点操作的难度越来越大，加剧了以太坊上中心化的程度。而 POS 以太坊的目的是让所有的节点「要么有所有的状态，要么根本无状态」去参与验证，以维护网络安全，这也带来了网络的高度去中心化。
更重要的是，无状态是分片的先决条件。以太坊未来可能会有多个分片，每个分片由账户和部署在其上的合约状态组成。每个分片随机选择验证者组成一个委员会；也就是说，如果没有无状态，验证者必须拥有所有分片的所有状态数据，这可能会使普通验证者不堪重负，分片可以缓解以太坊的不良性能，而无状态则巩固了高度分散的以太坊网络。无状态在为未来的更新奠定基础方面至关重要，它是一项重大的技术升级。
在无状态下，合并后的以太坊将有 3 种类型的节点 / 客户端：
没有 ETH1 执行引擎的客户端
带有 ETH1 执行引擎的客户端，具有无状态性
拥有完整状态的 ETH1 执行引擎的客户端
第一种类型的客户端是最轻便的，因为它只能参与达成共识，但无法从执行层验证交易。它的存在是为了监督共识层上的其他类型的节点。第三种类型的客户端功能齐全，具有所有状态、执行能力和同意能力，换句话说，是一个完整的节点。第三种类型的客户端的数量将很小，因为所需的投资可能是巨大的数据存储、硬件和用于抵押的代币。而第二种类型的客户端在无状态方面具有优势，因为它从具有状态的执行引擎中调用数据，并使用自己的执行力来验证交易的有效性。由于节省了状态存储的成本，第二种类型的客户端在网络中可能更常见。
4.合并的特点
4.1 产生新区块所需时间的确定性
以太坊不会通过调整来使区块产生的难度由此增加矿工的竞争力。在任何情况下，每个区块都可以在每个时段后产生，这需要 12 秒。其好处是：
用户体验得到提升。对于链上交易，用户必须等待矿工打包。当生产一个区块所需的时间是已知的，人们可以很容易地估计在某个时间段，哪个区块可能由交易数据组成，从而预测完成交易所需的时间。
对于一些 DeFi 协议，代币的释放依赖于在以太坊主网上产生的区块数量，即每 1000 个区块，将释放 1 个代币。也就是说，在以前的模式下，即使产生一个区块的时间段也是 14 秒左右，当网络面临拥堵时，产生一个区块所需的时间变得不确定，这导致了一些 DeFi 协议的代币释放不稳定。
对未来的升级进行更准确的规划。根据过去的经验，每次升级都是在区块的某个高度进行的。例如，Berlin 升级发生在 12,244,000 的区块高度。然而，由于生产新区块所需时间的变化，具体计划一直被推迟，这导致了社区对开发团队的不满意，但如果生产区块的时间是确定的，可能会缓解这种情况。
4.2 降低客户端的门槛
如前所述，状态膨胀使区块的验证更加困难，这对硬件提出了更严格的要求。合并后，以太坊让之前无法保存完整网络状态的轻量级节点能够参与到网络中，并验证所有交易和状态证明。也就是说巨型矿机不再是节点的必须品，服务级别的设备就足以参与验证网络了。
4.3 无缝过渡到 POS
通过开发团队的自然设计，合并为将成为执行层的客户端提供了向 PoS 的无缝过渡。对于终端用户和开发者来说，执行层是与以太坊进行大多数互动的地方，大多数功能（例如 EVM、状态和执行方法等）和 API 不会因为合并而改变，正如有人所说，合并可能会在人睡午觉后完成，甚至没有人会注意到。
5.可能的影响
任何言语都不足以准确描述合并对以太坊的意义。虽然性能瓶颈不能立即解决，但所有的雄心和以太坊的技术路线都必须从这个阶段开始建立。作为航程中的第一步，合并具有深远的意义。
5.1 通缩
如前所述，合并将把以太坊从 PoW 转移到 PoS，停止在当前 PoW 下生产新区块，这也就结束了传统的挖矿奖励，系统中任何增量的 ETH 只能通过作为节点参与 PoS 验证过程来铸造，这将大大减少 ETH 的总供给。从下图来看，当以太坊转移到 PoS 时，ETH 的发行量预计会急剧下降。此外，即使在合并完成后，系统也不会释放任何质押锁定的 ETH。ETH 的首次解锁将在合并完成后的第一次硬分叉后授予，这将是几个月后的事情。同时，系统对每天的解锁金额和申请者总数都有严格的限额，以防止大规模的抛压。
虽然 ETH 的供应被削减，但其净销毁率却在增加。根据目前的数据，ETH 的供应量将增长到 50 万左右，但由于 EIP-1559 的推出，大约 290 万（甚至可能更多）将在牛市时被销毁。从以上两个角度来看，即使没有生态系统中的 PoS 质押和协议的需求，ETH 最终也会出现通缩。
由于供应减少的规则类似于比特币减半的规则，社区将其命名为「三减半」，即比特币需要三次减半才能达到合并后 ETH 的供应减少效果。从历史数据来看，比特币减半与加密货币市场的生命周期密切相关：当比特币的新供应量减半时，其在二级市场上的剩余流动性被慢慢耗尽，导致其价格上涨，形成牛市。同样，作为市值第二大的加密货币，ETH 的通缩可能会像比特币那样推动市场的发展。
然而，解锁可能会给 ETH 持有者带来困扰，并伴随着短期的市价下跌。
5.2 节省能源
尽管比特币的成功令人信服地证明了 PoW 几乎无可挑剔的资质，但矿工们使用了大量的能源来反复计算可能成为资产的唯一哈希值。鉴于目前全球对低碳活动的强调，PoS 可能正是解决方案。
5.3 对 L1 层公链的竞争状况的影响
合并最终会在一定程度上影响目前 L1 层链的竞争格局。由于难度炸弹的存在，合并后时间消耗会增加得更快。理论上，矿工节点仍然能够通过分叉挖矿，但他们必须接受有限的回报和持续上升的成本之间的权衡——这意味着放弃以太坊。不过可采用的方案也很有限：在类似的 PoW 链上挖矿或者卖掉挖矿设备换取流动资金来投资 POS。对于其他 PoW 链来说，矿工的涌入和哈希率可能会改善生态系统的现状，并且提升代币的价格。对于其他 PoS 链来说，即使以太坊被指责有很多缺点，但没有人可以否认以太坊社区仍然主导着这个行业，而且安全性也是一流。合并后，以太坊的缺点将开始得到解决，生态繁荣的 L2 层生态系统将进一步降低链上交易成本，更不用说分片的整合将从整体上提高网络运营效率，也许对以太坊的需求上升最终会侵蚀其他生态系统。
6.合并的风险
6.1 会不会出现硬分叉？
回顾一下，目前的以太坊是硬分叉的产物。历史会不会重演这次类似 ETC 的硬分叉事件的大规模升级？基于目前的事实，以太坊遵循科学的技术路线和其宏大的愿景，这将极大地提高其性能，并吸引足够的热度，使未来的发展更具可持续性。另一方面，难度炸弹会迫使 PoW 矿工从以太网主网这个原始战场上撤退。此外，社区对合并的赞成度也很高，所以没有看到任何一个矿工团体发出对于分叉的强力发声。
假设矿工们可以模拟出一个新的与以太坊类似的网络，例如 ETH Legacy，它与 PoW 以太坊相同，但没有难度炸弹，那么新网络在推出之前就会面临几个强大的竞争对手，其中包括以太坊和其他 L1 层链，这一挑战是还伴随着资产不足的问题。分叉后，ETH 必须复制以太坊的整个账本，不仅分叉的代币会出现（例如 ETL），其他资产的衍生品也必须处理，例如 WBTC、USDC、DAI、LINK、BAYC、CryptoPunks 等。所以无论资产在哪里发行，无论发行机构是中心化还是非中心化，只有资产的唯一性才是重要的，因为只有一个网络上的资产才会被认可。更具体地说，只有 PoS 以太坊上的资产才会被发行机构认可为真正的资产。显然，ETH Legacy 或其他类似的实体更有可能因为业绩不佳、资产不足和共识薄弱而提前消亡。
总之，合并后，硬分叉发生的可能性较小。
6.2 中心化的程度是否会加强？
有些人可能会担心合并后的中心化程度。PoS 的共识机制自然赋予那些拥有大量股份的人更多的利益——换句话说，更多的投票权，这意味着对网络有更多的控制，但是这个问题并不是 PoS 独有的：在 PoW 中，拥有更多哈希率的矿工可以用挖矿的奖励购买更多哈希率，增加区块成功生成的机会。因此，PoS 并没有解决这个问题，也没有加剧这种情况。
其次，Lido 的巨大增长引来了怀疑论者。Lido 是一个大规模的赌注池，占到整个网络的三分之一以上，有些人声称，如果再组建一个 Lido 的存在，这个存在将有能力控制整个网络。值得注意的是，Lido 不是由任何单一实体控制的。Lido 内部有 30 个节点运营商，节点相互之间或与 Lido 之间是相互排斥的。而且这些运营商是顶级的节点运营商，具有可信的记录和法律实体，具有可追溯权，而且他们必须通过 DAO 的投票，并始终处于 DAO 的监控之下。所以，把 Lido 单一地等同于集中式矿池是无效的。相反，Lido 在去中心化方面的持续努力在与 CEX 矿池的竞争中占了上风，也就是说，垄断势力或联合势力占领网络的风险并不像人们普遍认为的那样高。
如前所述，PoS 下不需要任何挖矿设备或矿场，这降低了普通用户的准入门槛。从这个角度看，PoS 下的以太坊会比 PoW 下更分散。
总之，中心化的加强并不是一个主要的问题。
6.3 MEV 会被取消吗？
MEV 代表矿工可提取的价值，本质上是矿工在产生新区块时的一种套利行为——类似于传统金融交易中的前置操作。具体来说，由于链上区块的空间有限，提交的交易将首先进入内存池等待矿工打包。对于矿工来说，决定这些交易被处理和上链的顺序的权利在他们手中，通常情况下，矿工会根据收到的 GAS 费用的多少来决定：GAS 费用多的交易会优先得到处理。因此，链上交易处理的优先级不是取决于提交的时间，而是取决于用户愿意提供多少 GAS 费用，这种活动给矿工带来的额外利润是 MEV。
当它变为 PoS 时，处理的程序并没有太大的变化，执行引擎代替矿工决定订单，这仍然是同一群人的事。因此，MEV 的问题并没有变化。
参考文献
[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/
