以太坊合并，从工作量证明到权益证明的史诗级蜕变

以太坊，这个全球第二大区块链网络，在2022年9月完成了其发展史上最重要的事件之一——“合并”（The Merge），这不仅仅是一次技术升级，更是一次根本性的共识机制变革，标志着以太坊从依赖大量算力的“工作量证明”（Proof of Work, PoW）时代，迈入了更为高效、环保的“权益证明”（Proof of Stake, PoS）时代，以太坊究竟是怎么合并的？这场“合并”又意味着什么？

“合并”是什么？为何要合并？

在理解“合并”如何发生之前，我们首先要明白以太坊为什么要进行如此重大的变革，这就要从其原有的共识机制——工作量证明（PoW）说起。

PoW，也就是我们常说的“挖矿”，是通过矿工们投入大量的计算设备（如GPU、ASIC）进行数学竞赛，来解决复杂的哈希难题，第一个解决问题的矿工获得记账权和区块奖励，这种机制虽然安全可靠,但弊端也十分明显：

1. 能源消耗巨大：PoW需要消耗海量的电力，对环境造成巨大压力,这与全球可持续发展的趋势背道而驰。
2. 中心化风险：随着挖矿专业化，大型矿池和矿场掌握了大部分算力，可能导致网络中心化,违背了区块链去中心化的初衷。
3. 扩展性瓶颈：PoW的交易处理速度相对较慢，随着以太坊生态的繁荣,网络拥堵和高昂的Gas费成为常态。

为了解决这些问题，以太坊社区很早就提出了转向权益证明（PoS）的设想，PoS机制下，验证者不再需要通过“挖矿”竞争记账权，而是通过锁定（质押）一定数量的以太坊代币来获得参与验证交易的资格，验证者根据其质押的代币数量和验证时长等因素获得奖励，恶意行为则会被扣除质押的代币（即“惩罚”），PoS能够显著降低能源消耗，提高网络效率,并为未来的分片等技术奠定基础。

“合并”的核心任务，就是将以太坊的主链（执行层，Execution Layer，原称链上链，Mainnet）与之前并行运行的信标链（Beacon Chain，共识层，Consensus Layer）进行整合，使信标链的PoS共识机制成为整个以太坊网络的唯一共识引擎,从而彻底淘汰PoW。

“合并”是如何实现的？—— 信标链的铺垫与两步走战略

以太坊的合并并非一蹴而就，而是一个精心策划、分步实施的过程,其中最关键的一步是信标链的启动。

1. 信标链的诞生（2020年12月）： “合并”的准备工作早在2020年12月就已经开始，当时，以太坊正式上线了信标链，信标链是一个独立的PoS区块链，它不处理交易和智能合约，专门负责管理验证者、分配奖励、协调出块等共识相关的事务，信标链与原有的PoW主链并行运行,但尚未连接。

2. 存款合约与验证者加入： 信标链启动后，以太坊社区成员可以通过将ETH存入特定的存款合约，成为信标链的验证者，随着越来越多的验证者加入，信标链的生态系统逐渐壮大，为后续的合并奠定了坚实的基础，验证者们在信标链上参与 slashing 惩罚机制,确保了网络的安全性。

3. 引擎执行层（EL）与共识层（CL）的分离： 在合并前,以太坊的开发者将网络架构拆分为两个主要部分：

   • 执行层（Execution Layer, EL）：负责处理交易、执行智能合约，并管理状态（账户余额、合约代码等），这可以理解为以太坊的“业务逻辑层”。
   • 共识层（Consensus Layer, CL）：负责就交易顺序和区块有效性达成共识，并确保网络安全，在合并前，这部分由PoW机制主导；合并后，则由信标链（PoS）主导。

4. “合并”的触发—— 终端总难度（TTD）： “合并”的触发是一个技术性的临界点，即终端总难度（Terminal Total Difficulty, TTD），在合并前，PoW主链和信标链各自有自己的难度和高度增长，当PoW主链的总难度达到预设的TTD值时，信标链的PoS共识机制就会“接管”主链的区块生产过程。

   

   当一个新的区块被提议，并且其累积的总难度首次超过或等于TTD时，这个区块就成为了合并后的第一个区块,从这一刻起：

   • 原有的PoW矿工停止出块。
   • 信标链的验证者开始负责出块和验证交易。
   • 执行层（原主链）和共识层（信标链）通过新的信标链API进行无缝对接,共同构成了完整的以太坊PoS区块链。

“合并”的意义与影响

以太坊的合并是一次历史性的成功,其意义重大而深远：

1. 能源效率大幅提升：据估计，合并后以太坊的能源消耗将减少超过99.95%，从一个“耗电大户”转变为一个节能环保的区块链网络,极大地增强了其可持续发展能力和社会责任感。
2. 网络安全性与去中心化：PoS机制通过经济激励和惩罚机制，鼓励验证者诚实行为，虽然关于PoS的去中心化程度仍有讨论，但相较于PoW对高算力设备的依赖，PoS降低了参与门槛,理论上更有利于去中心化。
3. 为扩展性铺平道路：合并是以太坊“以太坊2.0”路线图的关键一步，后续的分片技术（Sharding）将依赖于PoS共识，通过将网络分割成多个并行处理的“分片”，可以显著提高以太坊的交易吞吐量（TPS），降低Gas费,提升用户体验。
4. 代币经济学与质押：合并后，ETH质押成为网络的核心，验证者通过质押ETH获得奖励，这将可能影响ETH的流通供应和需求，对ETH的价值模型产生长期影响,质押的ETH数量已占相当比例。

合并之后呢？

合并并非以太坊的终点，而是一个新的起点，合并之后,以太坊开发团队将继续推进以下关键升级：

• 分片（Sharding）：通过分片技术进一步提高网络的可扩展性。
• EIP-4844（Proto-Danksharding）：引入“proto-danksharding”，通过引入“blob交易”来降低Layer 2 rollup的交易成本,进一步提升网络吞吐量。
• 持续优化与安全增强：不断完善PoS机制,提高网络的安全性和稳定性。

以太坊的合并是一场历经多年规划、精心执行的技术革命，它成功地将庞大的PoW网络平稳过渡到PoS机制，不仅解决了能源消耗这一核心痛点，还为以太坊未来的扩展性和可持续发展奠定了坚实的基础，这不仅是以太坊社区的一次伟大胜利，也为整个区块链行业探索更高效、更环保的共识机制提供了宝贵的经验和借鉴，合并之后，以太坊正朝着更快、更便宜、更环保、更强大的方向稳步前进。