成都链安：深入分析以太坊合并后的监管和应用层问题

在我们推出“以太坊大合并”系列的第一篇文章里，主要为大家介绍了以太坊升级的原因、路线和当前进展。

随着以太坊 Merge 时间节点将至，今天我们将探讨以太坊合并之后会面临哪些监管问题和应用层问题。

2022 年8月16日，以太坊联合创始人Vitalik Buterin（V神）在推特上参与讨论“若监管通过某些协议（如Lido、Coinbase等）的验证者者对以太坊进行协议级别的审查，以太坊社区将如何反应”这一话题时表示，会将这种审查视为对以太坊的攻击，并选择通过更广泛共识（social consensus）将这些验证者的质押权益进行销毁。

引起这个讨论的导火索在于：近期，美国财政部海外资产控制办公室（OFAC） 将与 Tornado Cash 有关的以太坊地址添加到制裁实体的名单中。但是目前对其的制裁都是处于中心化层面的操作，对于涉及到去中心化的智能合约部分，尚无法进行技术制裁。

这表明如果美国要想要彻底制裁 Tornado cash ，就必须要控制底层的以太坊链。那么就引出一个问题，假如美国政府对以太坊进行监管，会面临什么？

如果美国政府要对以太坊进行监管，最大的可能是要求大型PoS质押服务商对以太坊进行协议级别的交易审查。这并不是验证者“作恶”，而是验证者对链上地址的”针对性制裁“。

简单来说，就是监控被制裁地址发出的所有请求，并将所有包含被制裁地址事务的区块进行拒绝出块即可，当一个区块无法通过 66% 以上权益验证投票通过时，该区块的所有事务请求将会进行回滚，这也就意味着被制裁的地址将无法进行任何操作，并且验证者不会面临任何惩罚。

截至目前，以太坊全网质押的以太币数量大约为 1300多万 ETH，而通过 Lido 质押的以太币数量已经占了约30.9%，Coinbase占了约14.7%，Kraken占了约8.5%。

如果美国政府要求Lido、Coinabse、Kraken为代表的大型节点验证者（服务商）对以太坊进行协议级别的交易审查，作为具有美国法律实体的质押服务商很难拒绝类似要求。

图源自 Dune Analytics

针对可能出现的上述情况，在以太坊社区在 Twitter 上发起了一项投票讨论，如果 OFAC 通过验证节点对以太坊实施监管该怎么做。V神支持将上述情况视为对以太坊的攻击，并通过更广泛共识将这些节点的质押权益进行销毁。

下面，我们再来聊一聊应用层的问题。

我们在上一篇曾提到：按照计划，以太坊的 Merge 以“最小破坏”原则进行，使原来运行的应用客户端可以无感地切换到PoS。也就是说，尽管是“最小破坏”，但在这个过程中，有一些小的变化仍然值得我们注意。本节就主要从应用开发的角度介绍在合并后，我们应该关注的方面。

合并后，当前的 Eth1 和 Eth2 客户端将成为以太坊的执行层和共识层（或引擎）。这意味着 Eth1 或信标链客户端的节点运营商将需要运行堆栈的“另一半”以获得完全验证的节点。下图显示了合并后完整的以太坊客户端架构。

– 客户端架构

合并后客户端架构. 图源自Danny Ryan

– 区块结构

当合并发生时，信标节点将监视当前的 PoW 链并等待它达到预定义的total difficulty阈值，该值被称为TERMINAL_TOTAL_DIFFICULTY。即一旦PoW链产生了一个带有total difficulty >= TERMINAL_TOTAL_DIFFICULTY的块，它将被视为链上最后的一个PoW 块。

随后，PoW 块包含的数据将成为信标链块的数据组成部分，而信标链则可以被视作为以太坊新的 PoS 共识层，取代之前的 PoW 共识层。

同时在进行共识验证时，信标节点将与其执行引擎（升级前的以太坊客户端）通信，并要求它生成或验证ExecutionPayloads。ExecutionPayloads包含了父哈希、状态根、基本费用和要执行的交易列表等信息。

一旦这些数据被生成或验证，信标节点将与 p2p 网络上的其他节点共享它们。

而对于终端用户和应用程序开发人员来说，这些原来PoW链上的ExecutionPayloads仍然是他们与以太坊进行直接交互的位置，事务仍将由执行层客户端处理，这使得他们可以无感切换到PoS链。下图显示了这种关系：

图源自Danny Ryan

– 执行引擎

合并之后，执行引擎主要负责状态管理，区块创建和验证功能，而不再包含与共识相关的任何操作。因此，执行引擎被进行了部分修改，这些修改在EIP-3675中进行了描述，主要包含以下三点：

首先，修改了区块的部分数据字段。将原有区块中几个仅与 PoW 相关的字段设置为0（或其数据结构的等效项），具体包括与挖矿相关（difficulty, mixHash, nonce）、 叔块奖励相关（ommers, ommersHash）。此外，extraData的长度在主网上也将被限制为 32 字节。

其次，由于只有合并后的信标链才能进行出块，因此执行引擎将停止处理区块和叔块奖励。但交易手续费仍由其进行处理，即当执行引擎创建一个ExecutionPayload时，需确保所有交易的发起者至少能够支付当前baseFeePerGas的费用，并且将剩余的交易手续费发送到feeReceipient。注意，feeReceipient指的是升级前的以太坊地址，而不是信标链验证者地址。

最后，一旦 PoS 取代 PoW，执行引擎将不再负责广播区块，但仍会通过 p2p 网络进行交易的广播。具体过程为，首先用户将交易通过本地的 RPC 请求发送到共识客户端，在那里它们将被打包到信标块中。然后，共识客户端将在他们的 p2p 网络中广播信标块。

下图表明了以太坊合并时的过程：首先停止PoW出块，其次信标链块在合并后开始持有 ExecutionPayload。

图源自Danny Ryan

– BLOCKHASH&DIFFICULTY操作码更改

合并后，BLOCKHASH 操作码仍可使用，但由于它不再通过工作量证明生成对应的Hash值，所以此操作码提供的伪随机性将被大大减弱。

与此同时， DIFFICULTY 操作码 (0x44) 将会更名为 RANDOM并返回由信标链提供的随机数值。因此，该值将替代 BLOCKHASH成为应用程序开发人员可使用的更好随机源（尽管仍然存在偏差）。

RANDOM 值将存储在 ExecutionPayload 中原有mixHash的位置，该值与工作量证明计算相关。升级后该值被重命名为 random。

下图解释了合并前后 DIFFICULTY 和 RANDOM 操作码的工作原理：

图源自Danny Ryan

合并前，我们看到0x44操作码返回区块头里的 difficulty字段。合并后，负责生成随机数的 RANDOM操作码则指向原有 mixHash字段，该字段被重名为 random。

– 出块时间

合并将影响以太坊的平均区块时间。目前在 PoW 下，平均每约 13 秒产出一个区块，但实际区块间隔时间会由于网络拥堵的情况，而存在相当大的差异。但在PoS下，区块间隔为固定的12 秒，除非发生某些极端情况，如：验证者离线或未及时提交区块而错过了某个插槽。

综上，升级后网络的平均出块时间将减少近 1 秒，这提高了交易的速率。注意：如果智能合约中存在与特定平均出块时间相关的逻辑，则在计算时开发人员需要考虑到这一点。

好了，今天的分享就结束了，下一篇，我们探讨以太坊合并之后将面临的安全问题，欢迎持续关注我们的分享。

 

参考文献：

《升级前夕，以太坊社区面临监管担忧》 https://www.defidaonews.com/media/6772646

《How The Merge Impacts Ethereum’s Application Layer 》 https://blog.ethereum.org/2021/11/29/how-the-merge-impacts-app-layer/