Eth2.0 -合并(Merge)

Eth2.0 -合并(Merge) Eth2.0 - Merge

原文链接：How The Merge Impacts Ethereum’s Application Layer
日期：2021/11/29
作者: Tim Beiko

以太坊即将向POS过渡，如何保证过渡时对以太坊的用户，智能合约和dapps提供最小的影响，即合并(The Merge)。如果相对合并有个总体上的理解，可以参考：

1. Roadmap evolution
2. Post-merge client architecture
   想要更深一步了解，可以参考
3. Execution Layer
4. Consensus Layer
5. Engine API

Block structure

合并后, 不会再使用POW共识算法生成新的区块了，以前的POW区块将会作为信标链的一部分，信标链将成为以太坊新的POS共识层。信标区块将包含 ExecutionPayloads字段, ExecutionPayloads就相当于POW区块。下图展示了信标区块和POW区块的关系：

对于终端用户和App开发者来说，ExecutionPayloads是原POW链和信标链交流的地方。在这层上的交易仍由执行层客户端(execution layer clients:Besu, Erigon, Geth, Nethermind)处理。幸运的是，由于执行层的稳定，合并只会给Eth2带来很小的影响。

1. 上图中的下面三张图片是从官网截下的图片, 分别是合并后的ExecutionPayloads、信标区块体(BeaconBlockBody)的数据结构。我们可以对比ExecutionPayloads和POS区块的数据结构, 可以发现两者的数据结构相似。同时信标区块体中包含ExecutionPayloads字段，说明该字段是信标链和分片链(原POW链)通信的关键所在。目前只有一个分片链, 那么未来要扩展到64条分片链后，这个字段会不会是一个列表呢？唯一让我疑惑是：合并后的BeaconBlockBody中为啥还有eth1_data字段, 难道是记录以前的POW区块，以及BeaconBlockBody字段的数据存储量是不是太大了？

2. Eth2的整体架构就是信标链作为管理链来协调各个分片链，交易的处理都是在分片链上完成的，所以在Eth2上把分片链称为执行层，而目前分片链并未上线，只有原始的POW链作为一条分片链。在合并之前的阶段，POW链和信标链是各自挖矿的，共识算法也不一样，两条不同共识链的连接是通过信标区块体(BeaconBlockBody)中的eth1_data实现的。在合并后，POW就会被废除， 原本的POW链将转为POS链，即分片链。而我们知道原本的POW链之前一直都是稳定运行的，所以上文会说到“执行层的稳定，合并只会给Eth2带来很小的影响”, 这里的执行层就是指原来的POW链转成POS链。

3. 目前,合并阶段仍然在开发中。

Mining & Ommer Block Fields

合并后, 以前在POW区块头的几个字段将不再使用，因为它们和POS链无关。为了减少对现有ETH的影响，这些字段被设置为0或者其他等价的数据结构。区块发生哪些改变，可以具体参考这里。主要包含一下字段：

POS链不会生产叔父区块了，所有ommers置为空，ommerHash也就置为空列表。同时也不再挖矿了, 所以difficulty、nonce也没了。

但是, 原先的mixHash字段会被置为Eth2.0的信标链的RANDAO字段。下面会做介绍。

mixHash字段：一个256位的哈希值，用来与Nonce一起证明当前区块已经执行了足够的计算量

BLOCKHASH & DIFFICULTY opcodes changes

合并后，BLOCKHASH *** 作码(opcode)仍将可供使用，但鉴于该 *** 作码将不再通过POW共识算法中使用, 因此 *** 作码提供的伪随机性也将大大减弱。
相反, DIFFICULTY *** 作码(0x44)将被更新并重命名为RANDOM。合并后，它将返回由信标链提供的随机信标(randomness beacon)的输出。因此，对于应用程序开发人员来说，此 *** 作码将是比BLOCKHASH更强大的随机性源(source of randomness)，尽管它现在是有偏倚的。

RANDOM的值会被存储在ExecutionPayload中,也就是原先POW区中的mixHash字段，即mixHash的字段也将重命名为random。

这一段的描述和上图中ExecutionPayload数据结构中的random字段的注释有冲突，这篇博客说将mixHash被改成random, 而注释中说random原本是POW区块中的difficulty字段。虽然这地方可能有点冲突，但是我们只需要知道：POW区块中的mixHash字段和difficulty字段被废除了,在POS区块里以random方式存在

下图是DIFFICULTY & RANDOM *** 作码在合并前后的变化：

合并前,我们可以看到0x44 *** 作码会返回区块头中difficulty字段。合并后, difficulty字段就没了,而0x44 *** 作码返回就是信标链状态(beacon chain state)的random字段值。 这个改变也为链上应用(on-chain applications)提供了一种评估合并是否发生的方法, 详情参考 [这里](https://ethereum-magicians.org/t/eip-4399-supplant-difficulty-opcode-with-random/7368)

此外，该EIP提出的允许智能合约来判断是否已经升级到PoS。这可以通过分析难度 *** 作码(DIFFICULTY opcode)的返回值来完成。当返回值大于 2**64表示交易是在PoS块中执行的

Block time

合并后，将影响以太坊的平均区块时间。目前在工作量证明中，区块平均每13秒出现一个区块，但实际出块时间有相当大的差异。而POS可以保证每隔12秒(即Slot)就会出现一个区块，除非由于验证者处于离线状态或因为它们没有及时提交区块而错过Slot。在现实中中，这种情况目前发生在<1%的Slots中。
这意味着平均出块时间减少了约 1 秒。智能合约在计算平均区块时间时需要考虑这一点。

Safe Head & Finalized Blocks

在POW共识下，区块链总是有重组(reorg)的可能性。应用程序通常需要等待在几个新区块在某个区块后被挖出，然后才会认定这个区块不太可能从合法链中删除,这个区块被确认(/confirm/ied)。在合并之后，我们反而有了最终化(finalized )和安全头(safe head) 区块块的概念。使用这些区块比POW下"已确认"的区块更可靠，但需要理解转变才能正确使用。

一个被最终化(finalized)的区块是指已被>2/3的验证者认定为合法的区块，即被大于2/3的验证者投票。要想创建不合法的区块，攻击者必须烧毁至少 1/3 的总权益。在撰写本文时，这代表了以太坊上价值达到超过100亿美元（>250万ETH）。

安全头(safe head)区块是指在正常网络条件下，我们希望安全头被包含在合法链中。假设网络延迟小于4秒，大部分验证者都是诚实的，并且没有对分叉攻击，那么安全头永远不会被孤立。具体可以参考：Gasper High Confidence Fast Block /confirm/iations。此外，安全头的假设和保证会在即将发表的论文中被正式定义和分析。

合并后，执行层的API(例如 JSON RPC)在请求 latest 块时将默认返回安全头。在正常网络条件下，安全头和链的实际尖端( actual tip of the chain)将是等价的（安全头仅尾随几秒钟(with safe head trailing only by a few seconds)）。与当前的POW下的 latest 块证明相比，安全头被重新组织的可能性更小。为了公开POS链的实际尖端(the actual tip of the proof of stake chain)，将向 JSON RPC 添加一个**unsafe ** 标志。

最终化的区块也将通过带有 finalized 标志的JSON RPC公开。这些可以作为POW的有力替代品。下表总结了这一点：

The Merge Community 问题：没看懂博客最后说的safe head是什么东西?