以太坊是当今世界上最大的公链，无论在 DeFi 还是 NFT 领域都是当之无愧的龙头。因此，它的每一个最新动态都牵动着所有区块链从业者的神经，本文将简要分析以太坊的未来升级。

一、共识机制升级 （The Merge）

当前，以太坊的共识机制仍然是「工作量证明」（Proof of Work），尽管该机制的安全性很高，但次生的能源浪费一直为人们所诟病。以太坊在创立之初，便计划将共识机制升级为「权益证明」（Proof of Stake）。终于，经过近 7 年的测试和准备，据以太坊开发团队的最新消息，合并升级将于 6 月 8 日在最大测试网络 Ropsten 开展测试（下图）。

如果测试没有问题，以太坊的权益证明最早有望在夏天实现。但据笔者保守估计，由于测试可能还会发现一些漏洞，乐观情境下以太坊也要在年底前才能完成升级。升级之后，用户的使用体验不会受到任何影响，而此前以太坊2.0的质押也将在升级完成后的 6-12 个月线性解锁。

二、扩容计划 (The Surge)

在共识机制升级为POS之后，以太坊下一个任务就是扩容 （The Surge），即提高处理交易的速度和能力。当前最流行的扩容方案就是分片（Sharding），例如此前曾介绍的公链 NEAR 就是使用这种方案（区块链巡礼：拥有最优雅分片技术的公链NEAR），而以太坊的分片技术叫做 Danksharding （下图）。

Vitalik在ETH上海峰会的演讲

「Danksharding」 将提升区块空间至 16MB ，但实际上每个运行节点（node）并不会用到这么多的空间，它会只会处理区块中的部分交易，大小在 100KB 左右，剩余的空间可以让 Rollup 扩容方案来使用。考虑到以太坊的出块时间是 12 秒左右，因此全网可以每秒处理 16/12= 1.3MB 的数据，而一般 Rollup 方案可以将一笔交易压缩到 16 bytes，也就是 1.3MB/16 bytes，即每秒处理大约 8 万笔交易。

为了实现 Danksharding，需要首先完成 Proto-danksharding（EIP 4844），即将区块大小提升到 1MB，对应的处理能力约为每秒 5000 笔。值得注意的是，这样的处理能力已达到 Visa 等知名金融机构水平，相较现在每秒 12 - 15 笔的交易速度也有很大提升。

另一个重要的升级是「数据可用性抽样」（Data Availbility Sampling）。DAS 是为了解决 Danksharding 中每个区块过大，导致节点验证效率下降的问题。DAS 随机抽取区块中1个「blob」数据的数据大小（大约256KB左右），并截取其中的一小部分分配给节点，让其验证这些数据的完整性（下图）。这样不仅解决了在区块空间变大的时候效率降低的问题，还降低了数据出错的风险。

数据可用性抽样：节点只需要验证blob中的一小部分数据

三、增加包容性和去中心化程度（The Verge）

在现在的以太坊网络中，如果想要成为以太坊网络的验证者，需要下载全部历史的数据并验证，据研究公司 Ycharts 统计，现在以太坊网络数据超过了 700GB ，这既对验证者提出了较高的硬件要求，也消耗了运行时间（按顺序一个区块一个区块的验证）。

为了解决以上问题，以太坊可能在未来引入 Verkle Trees 的数据结构，简单理解Verkle Tree，它实际上是一种树状的哈希结构。这种结构不仅可以大幅降低节点的硬件要求，还可以提升验证速度（只需要验证最近的一个区块），大大提升了去中心化程度和安全性。

四、The Purge

该阶段引入「状态保质期 」（State Expiry）机制，通过减少需要保存的历史数据，降低节点的储存储要求和节点的准入门槛，提升去中心化程度。 例如，节点只需要存储过去 1 年的数据，过去 1 年没有被访问的状态数据将被储存在别的地方。

五、其他优化（The Splurge）

该阶段包含了其他方面的升级，包括提升以太坊虚拟机的处理能力、账户抽象（Account Abstraction）、MEV 优化、零知识证明（Zero knowledge proofs）等。

「账户抽象」（下图）是指将以太坊虚拟机的代码引入了验证当中，帮助账户实现多签钱包、抵御量子攻击等功能。

「MEV」（Miner Extractable Value）是指验证者打包区块的过程中，通过将交易重新排序、插入、忽略或审查等能力，获得除了交易费用和区块奖励之外的利润金额。随着以太坊中的区块不断增多，成为验证者变得越来越困难，中心化的风险越来越大。

「MEV 优化」便是尽可能降低这些验证者的中心化风险，防止它们进行不当交易的解决方案。为此，V神提出了名为「区块提议者与构建者分离」（PBS，proposer-builder separation）的解决方案。在 PBS 的设计中，验证者的职责将被一分为二：区块提议者（Proposer）和区块构建者（Builder）。Proposer 将可执行的交易告知 Builder， Builder以最大化 MEV 为目的对交易进行排序并构建区块，并向 Proposer 提交报价，Proposer 再选择出价最高者为有效区块。

「零知识证明」（zero-knowledge proofs）是一种提升数据隐私性的算法，证明方（Prover）在向验证方（Verifier）的交互时证明数据的真实性，却不用透露除此之外的任何信息。ZK Rollup 技术是以太坊扩容的解决方案，它通过运用了零知识证明（ZK SNARK）技术，降低了链上的计算成本，显著提升了性能（至少 10-100 倍）。

小结

综上，本文简要介绍了未来以太坊未来的更新，可以看出路线图正变得越来越越清晰，并且以后大部分工作将会在生态的最高层。但需要注意的是，作为一个使用率非常高的公链，每一次更新也都面临着非常大的难度，就像在给正在飞行的飞机安装新的引擎，因此笔者还将保持对以太坊升级的关注。

参考资料

[1] 2022年以太坊上海峰会

[2] An explanation of the sharding + DAS proposal