The Merge
from PoW to PoS
Ethereum 2.0
Camellia, in Beijing, 2022.9.15
UTC 2022年9月15日6时42分，以太坊 Ethereum 升级了，区块链触发了预先设定的采用挖矿形式开采其最终区块所需的终端总难度 Terminal Total Difficulty，矿工将不能再进行算力挖矿，基于权益的证明机制 Proof of Stake 取代了基于工作量的证明机制 Proof of Work。TTD = 58750000000000000000000
Courtesy of Blockgeeks
Courtesy of Ethereum Foundation
A full Ethereum node after The Merge requires both an execution layer client and a consensus layer client.
These two clients work together using a new Engine API.
The Engine API requires authentication using a JWT secret, which is provided to both clients allowing secure communication.
共识
在 Ethereum 2.0 中，采用 Beacon Chain 作为共识层，执行共识功能，具体采用 Gasper 共识协议，具体包括：
- Gasper the FFG Gasper the Friendly Finality Gadget 实现基于权益的证明机制 Proof of Stake 及区块的生成。
- LMD-GHOST Latest Message Driven Greedy Heaviest Observed Sub-Tree 确定分叉选择 Fork Choice 规则。
在 Ethereum 2.0 中，基于权益的证明机制 Proof of Stake 运用萝卜加大棒的奖惩机制，建立激励政策，实现在区块链 Block Chain 的相互不可信任的网络节点之间，建立可靠的分布式系统，简单的说就是确保区块正确、有效、及时地生成，避免历史区块被攻击篡改，并选择合理的分叉。
1. 质押 Staking
基于权益的证明机制 Proof of Stake 的质押 Staking 与基于工作量的证明机制 Proof of Work 的挖矿 Mining 目的是一致，都是为了记录交易、生成区块。
详细的说，至少质押32个以太币 ETH（Ether），并且24小时在线，就可以成为一个验证者 Validator，具有了共识机制的参与权、表决权等，从而可以参与区块的发布 proposing、验证 attesting by voting 等，并根据其行为的良善，受到奖励、处罚和惩罚。
32个 ETH 是成为一个验证者 Validator 最低门槛，但是质押有多途径，即使你没有32个ETH，依然可以通过质押池 Pooled Staking 等方式，参与到共识功能中。
在基于权益的证明机制 Proof of Stake 的 Ethereum 中，验证等采用表决的形式，一个验证者 Validator 所质押的 ETH 占据整个质押总值的比例越大，其表决的权重就越大，但其所享有的激励和承担的责任也就越大，即获得的奖励或处罚的比例也就越大。由于32个 ETH 不仅是单个验证者 Validator 的门槛值，也是质押的上限值（多于32个 ETH 的部分不作为有效余额，仅作为账户余额），因此在初始阶段，每个验证者 Validator 的投票权重相同，但是随着时间发展，每个验证者可能会受到处罚，其质押账户的有效余额减少，其表决权重降低；如果验证者累计收到的奖励，使其账户余额增加，超过32个 ETH 的部分也不能增加其投票的权重，简而言之就是，现阶段32个 ETH 永远是上限，当然超过32个 ETH 及其账户余额后续都可以被提取。限制32个 ETH 这个上限，就是为了避免一家独大，保证充分的去中心化；32个 ETH 同时作为门槛值，也是避免门槛值过低，过多的节点可以参与共识，从而过高地消耗网络算力，质押过多的 ETH，引起流通 ETH 减少，造成严重通缩。因此32个 ETH 目前是一个折中值。
质押并不意味着 The Merge 后，运行任何一个 Ethereum 节点都需要质押32个 ETH，如果不需要参与共识功能以获得奖励，则可以不参与质押，同样享用 Ethereum 的去中心化等功能。
2. 奖励 Reward
验证者 Validator 积极、及时地参与区块的发布 proposing、验证 attesting by voting （包括 Source Checkpoint、Target Checkpoint、Head Block）等，并且行为诚信，将获得 ETH 的奖励，以此激励验证者 Validator 积极、正确地参与区块的发布、验证等，保证区块链的运行。如上文所述，质押的 ETH 占据整个质押总值的比例越大，其所获得的奖励的比例也就越大。
Courtesy of Ben Edgington
奖励 Reward 机制自身同时具备反馈调节特性，由于区块的质押奖励总量基本不变（目前为每日大约1600个 ETH ），参与质押的验证者 Validator 较少时，单个验证者 Validator 获得的奖励就较高，会激励更多的节点参与质押和验证；当验证者 Validator 较多时，单个验证者 Validator 获得的奖励会降低，此时一些节点可能会认为把 ETH 投资到其他 DeFi 中会获得更高的收益，从而主动退出质押。总之，Ethereum 2.0 鼓励更多的节点参与质押，以更大化地实现去中心化，但也需要折中，正如上文所述。
在奖励 Reward 之外，验证者 Validator 还可以通过交易小费 Gas Tip 和最大可获取价值 Maximum Extractable Value 获得额外的收入。
3. 处罚 Penalty
验证者 Validator 错过投票 attesting too slowly（掉线等原因）、错误投票 attesting incorrectly 等不正确的行为都将受到处罚，其账户余额将会被扣减一定的 ETH，这是一种较轻的处罚。
如果超过某个时限（4个时段 Epoch，下文详述），区块未最终确定 Finality （下文详述），即占有1/3质押余额的质押者 Validators 没有参与验证（下文详述），将进入不作为处罚 Inactivity Leak 模式，此时验证者将不会获得奖励，而会受到处罚。
4. 罚没 Slash
相对于处罚 Penalty，罚没 Slash 是一种更严厉的惩罚 Punish。如果验证者 Validator 在同一个时隙 Slot （下文详述）发布两个或多个区块，或是在验证时对同一个目标检查点 Target Checkpoint（下文详述）、不同的源检查点 Source Checkpoint （下文详述）发起两次 FFG 投票（下文详述），或是存在其他破坏共识协议的行为，其账户余额的大部分甚至全部将被罚没，并也将从共识层中除名。
由于验证者 Validator 可以退出质押(从退出到账户余额提款需要一定的时间)，不参与共识机制，其所受到的奖励 Reward 、处罚 Penalty、罚没 Slash 的实效如下：
Courtesy of Ben Edgington
以太币 Ether 的发行 Issuance
升级前，以太币 Ether（ETH） 的发行（即铸造 mint）主要来自于矿工的挖矿，在 Ethereum 2.0 中，取消了基于工作量的证明机制 Proof of Work，奖励 Reward 是 ETH 唯一的发行来源，相对于挖矿， 铸造的 ETH 数量将大大减少，此外由于罚没 Slash 的 ETH 将被销毁，外加销毁（燃烧） Burn 的基础交易费用 Base Gas Fee，ETH 的净发行量将明显降低，还有质押的 ETH 的提取具有一定的锁定时间，ETH 将迎来通缩 deflation。
时段 Epoch 时隙 Slot 委员会 Beacon Committee
验证者们 Validators 被频繁地选取对新区块进行投票表决，每一个投票就称作验证 Attestation。验证 Attestation 的过程具有高度的时间性，即以6.4分钟为一个时段 Epoch，并把一个时段 Epoch 再分为32个时隙 Slot，每个时隙 Slot 为12秒钟。
在每个时段 Epoch 中，验证者们 Validators 被随机分配到规模相同的委员会 Beacon Committee 中，每个委员会又被随机地、均匀地分配到每个时隙 Slot 中。每位验证者 Validator 只能参加一个委员会，每个委员会至少含有128名验证者 Validators，每个时隙 Slot 中，最多含有64个委员会。
Courtesy of Ben Edgington
在每一个时隙 Slot 中，仅有一个验证者 Validator 被所随机选取，发布 proposing 一个区块。所有验证者 Validators 都要在自己所在时隙 Slot 的各委员会中对被发布的区块进行投票，投票结果由上文所述的质押的权重决定，并遵循绝对多数 supermajority 原则，即获得了所有活跃验证者 Validators 总余额2/3的支持。现阶段（即以太坊 Ehereum 进一步进行分片 Sharding 升级 The Surge 前），实际上同一时隙 Slot 中的各委员所有验证的信息是相同的。因此在每个时隙 Slot 中，都可能新增一个区块，当系统在理想情况下运转时，每12秒就有一个区块产生，但某个时隙 Slot 内也可以没有区块产生。每个时段 Epoch 结束后，所有委员会 Committe 将被解散，在下一个时段 Epoch，按照上文所述的方法重新组建。
Courtesy of Sumi Maria Abraham etc.
采用这一系列方法，既可以降低网络通讯量，即避免所有的验证者 Validators 同时验证；又可以避免恶意攻击，即多个委员会的总质押余额的2/3被恶意验证者们 Validators 控制。实际上，基于当下 ETH 的高价值及上述规则，一个恶意攻击者能够控制委员会的2/3权重的可能性低于万亿分之一。
Courtesy of Ben Edgington
例如上图两种情况中，恶意攻击者（三角形）不能在每个委员会中或是只能在少数委员会获得2/3绝对多数，基于 ETH 的高价值，其要想在多个委员会获得2/3的绝对多数，其质押余额的价值将非常巨大，实际上是不可能的。
最终确定 Finality 信标链检查点 Beacon Chain Checkpoints
最终确定 Finality 指某个区块不能被攻击篡改，除非恶意攻击者操控了至少2/3的质押余额，或是销毁了1/3的质押余额，或是共识协议出现严重事故。
一个区块变成最终确定 Finality，必须满足：
- 占有2/3质押余额的验证者 Validators 验证了该区块有效；
- 并且该区块之后的新区块被验证有效。
基于上文所述，并不是每个时隙 Slot 都会产生区块，因此需要对每个时段 Epoch 的边界区块进行验证，并考核其是否最终确定 Finality。连续两个时段 Epoch 的边界区块作为信标链检查点 Beacon Chain Checkpoints，分别为最新时段 Epoch 的目标检查点 Target Checkpoint 及最近（最新）被验证通过的来源检查点 Source Checkpoint，当目标检查点 Target Checkpoint 被验证通过后，来源检查点 Source Checkpoint 就最终确定了，并且该来源检查点 Source Checkpoint 所在时隙 Slot 之前的所有区块都最终确定了。
Courtesy of JosephC分叉选择 Fork Choice
当出现大规模的网络不同步、网络信息丢失或某个时隙 Slot 的发布 proposing 区块的验证者Validator 发布多于两个区块时，区块链会产生分叉。
按照 Latest Message Driven Greedy Heaviest Observed Sub-Tree 规则，如果一个验证者 Validator 进行了多次投票验证 attesting，仅采用其最近一次的验证 attesting，即满足 Latest Message Driven，并选取含有最高质押权重的分叉，即满足 Greedy Heaviest。
基于权益的证明机制 Proof of Stake 的优点
- 减少了挖矿的电力能源消耗 ，预估可以降低99.9%，符合减碳趋势。
- 使区块链网络更加去中心化，验证者 Validator 不需要如同基于工作量的证明机制 Proof of Work 的矿工一样投资专用的矿机，就可以单独质押或联合质押参与验证，降低区块验证参与的门槛（但是也有质疑：由于32个 ETH 对普通用户价值太高，大部分会采用质押池质押的模式，而过度集中的质押池反而引起了过度中心化）。
- 增加了恶意攻击的成本，提高了安全性，基于处罚和罚没，质押者的质押余额会减少甚至全部消失，而基于工作量的证明机制 Proof of Work 损失的仅是电力及其对矿机的投资（矿机依然存在，而32个 ETH 的现有价值可不低哦）。
- 在 The Merge 后，Ethereum 的交易速度短期不会明显增加，交易费用 Gas Fee 亦不会立刻降低，但随着后续升级，逐步实现分片 Sharding 及长期看，交易速度将会显著增加，交易费用也将降低，因此可以提高可扩展性。
Courtesy of Ben Edgington
Courtesy of Sumi Maria Abraham etc.
The Merge 之后， Ethereum 还将陆续或同步进行 The Surge， The Verge， The Purge 和 The Splurge 等升级。
Courtesy of Vitalik Buterin