以太坊:以太坊協議層的七年之變

什么是以太坊？一千個人有一千個答案，而本文想探討的是最為一致的答案，即以太坊的協議是什么？或用更技術地描述——如果要開發以太坊的客戶端(PoW鏈/ETH1)，我需要依照什么規則？

你沒法找到一份規范描述以太坊當前的共識規則，因為以太坊的協議是通過增量更新來描述的。以太坊黃皮書描述了創世時的完整協議，而每一次協議變更都稱為一次硬分叉(當然，也有人嘗試用「網絡升級」這個表述)，需要所有的客戶端更新代碼。簡而言之，以太坊通過硬分叉來實現協議層的變化，變化的最小單元被稱為以太坊改進提案(EIP, Ethereum Improvement Proposal)，一次硬分叉包含一組以太坊改進提案。 本文將回顧以太坊的歷次硬分叉及其中包含的改進提案，試圖展現過去的七年中以太坊究竟做了什么。

以太坊的歷次硬分叉可以通過此頁面查看。自 2015 年 7 月30日上線起，共進行了 14 次硬分叉，包含 39 個 EIP（「君士坦丁堡」和「彼得堡」視為同一次）。間隔最近的兩次硬分叉是 26 天，間隔最遠的兩次則是 490 天。

硬分叉分為「主動升級」和「被動升級」。主動升級指的是開發團隊主動對以太坊協議的修正，而被動升級則是「不得不」采取的行動，以應對潛在的安全性風險。被動升級至少包括「DAO Fork」、「Tangerine Whistle」、「Spurious Dragon」、「Muir Glacier」、「Arrow Glacier」、「Gray Glacier」，它們或處置黑客盜竊(DAO Fork)，或應對 DDOS 攻擊(Tangerine Whistle, Spurious Dragon)，或僅僅處置難度炸彈(Muir Glacier, Arrow Glacier, Gray Glacier)。而「主動升級」大致符合白皮書的規劃（至少在命名上），Frontier(Frontier, Frontier Thawing)、Homestead、Metropolis(Byzantium, Constantinople/Petersburg, Istanbul)，而 Berlin 和 London 則是以太坊路線圖變更后的過渡性升級。此外，多次主動升級也包含了推遲難度炸彈的選項。

以太坊未確認交易為89,332筆:金色財經消息，據OKLink數據顯示，以太坊未確認交易89,332筆，當前全網算力為254.01TH/s，全網難度為3.37P，當前持幣地址為50,091,973個，同比增加173,830個，24h鏈上交易量為2,803,658.95ETH，當前平均出塊時間為13s。[2020/11/14 20:49:44]

硬分叉是如何達成共識的呢？盡管關于硬分叉的協商并無成文規定，而是依照某種社區管理進行，但其流程發生過一次變更，標志性事件是 Martin Holst Swende 提出了「以 EIP 為中心的升級」。這種新的硬分叉協商機制首次在 Berlin 升級使用，并避免了一次大型失誤，細節將在后文中介紹。

歷次硬分叉背后蘊含著一些代表性事件，頗具戲劇性，包括 DAO 分叉、上海 DOS、雙堡奇緣和拆彈危機。

DAO 分叉事件是以太坊發展過程中最為深遠的一次事件。由于 the DAO 的智能合約被黑客攻擊，約 360 萬 ether 被黑客盜走，但有 28 天的凍結時間。在這期間，借助 Carbonvote ，持幣者表達意愿，以太坊基金會決定將這部分資金轉移到新的智能合約，允許投資者提款。此次分叉產生了 Ethereum Classic，也引發了大量的社會爭論。

在 Devcon 2 期間，以太坊核心開發者們齊聚上海，但以太坊網絡卻遭遇了大量的網絡流量攻擊，造成了拒絕服務(DOS)。由于 EXTCODESIZE 操作碼所消耗的實際系統資源遠高于攻擊者所需支付的手續費，攻擊者反復調用該操作碼，造成全網大多數節點無法追上最新區塊。開發者們一面協調礦池和全節點啟用受影響較小的 Parity 客戶端，一面協商降低區塊 gas(從 5 M 降低至 1.5 M)。最終，借助 Tangerine Whistle 和 Spurious Dragon 兩次硬分叉調整了相關操作碼的價格，并做了狀態修建，才緩解了 DOS 攻擊的影響。這次硬分叉還帶來了后續影響，由于對 EIP-161(納入在 Spurious Dragon 中)的實現不當(Go-ethereum 和 Parity 各自錯誤地做了實現)，造成了共識分叉。

分析：以太坊日交易數量接近歷史最高水平:Decrypt今日發文稱，Etherscan數據顯示，以太坊每日的交易數量正接近創下歷史新高，已增至2018年以來的最高水平。該交易記錄是在ICO鼎盛時期于2018年初創下的，之后在接下來的兩年里下降到不到峰值一半的水平，直到2020年初又開始穩步增長。然而，不斷上漲的gas費使得與DApp進行交互并以合理的成本通過區塊鏈傳輸價值變得前所未有困難。而以太坊2.0和承諾的交易吞吐量增加還不會很快實現。鑒于人們對DeFi協議的興趣日益濃厚，并且出現了其他用例，如果在今年年底之前還不發布以太坊2.0升級，以太坊可能會面臨嚴重的可用性問題。[2020/7/18]

你也許會好奇為什么在 7280000 高度會有「君士坦丁堡」和「彼得堡」兩個分叉，仔細觀察會發現兩者的差別就在于「彼得堡」移除了 EIP-1283。

根據 ChainSecurity 的報告，EIP-1283 會為部分合約引入重入攻擊的風險。TrailOfBits 給出了更詳盡的分析并提供了可能受影響的合約列表。在硬分叉激活前 32 小時，以太坊基金會發文提醒節點升級或降級以推遲君士坦丁堡升級，隨后發布新版本引入彼得堡硬分叉，客戶端需要將「雙堡」配置在同一塊高或禁用君士坦丁堡硬分叉。

為什么 Muir Glacier 和 Istanbul 兩次硬分叉之間只有 26 天，這是因為核心開發者們錯誤計算了難度炸彈的爆炸時間，導致在 Istanbul 中未納入推遲難度炸彈的提案。等到發現難度炸彈即將要對網絡產生影響時，第 76 次核心開發者會議迅速接受了 EIP-2384，并納入到 Muir Glacier 硬分叉中。

動態 | USDT增發造成以太坊網絡堵塞 以太坊網絡利用率目前已飆升至 90％:據彭博社報道，市值第二大的加密貨幣以太坊網絡正被穩定幣USDT的發行者Tether所堵塞。根據數據研究機構 Ethgasstation.info 的數據，在過去的 30 天里，處理以太坊交易產生的Tether費用高達260,000美元，比CryptoKitties高出約17.5倍，是最大去中心化交易所IDEX的六倍。

此前Tokenview的數據顯示，USDT今年4月以后在以太坊上的需求量持續走高，從6月開始發行量超過其他公鏈，進入7月以來成為最主要發行USDT的公鏈。Etherscan.io的數據顯示，以太網的網絡利用率目前已飆升至 90％，隨著Tether占用更多容量，留給其他開發者的使用容量就更少了。Arca首席投資官Jeff Dorman表示，目前一些開發者正遠離以太坊，等待其調整技術以增加網絡容量。8月22日，Vitalik Buterin在接受多倫多星報訪問時表示，以太坊上鏈上交易成本的增加正在限制以太坊的應用，開發者已經開始考慮建立在以太坊的項目是否會造成該區塊鏈交易超負荷。他形容以太坊幾乎已滿表明對問題嚴重性的看法。[2019/8/27]

硬分叉是如何決定的？實際上以太坊長期缺少成文文檔，更多依賴「社會共識」（如果我錯了請改正）。EIP-233 試圖規范分叉的正式流程，但并未被接受。

盡管本文無法展現以太坊社區對硬分叉決策流程的討論，但以太坊的硬分叉決定流程顯然發生過變化。在 Berlin 硬分叉之前，開發者首先確定硬分叉的時間，再決定要納入哪些 EIP，確定之后再進行實現和測試。Berlin 前的每次硬分叉都是一個 Meta EIP，例如 Istanbul 硬分叉通過 EIP-1679 定義(簡稱 HFM-1679)。

動態 | 以太坊未確認交易30105筆:據Etherscan.io數據顯示，當前以太坊未確認交易為30105筆，與之前相比未確認筆數略有下降，網絡擁堵情況仍較為嚴重。[2019/2/10]

Martin Holst Swende 提出了 EIP 為中心的硬分叉流程，其核心觀點是將 EIP 的接受與硬分叉剝離，核心開發者聚焦于單個 EIP 的認可、實現和測試，當單個 EIP 被接受后，后續的硬分叉可選擇納入該 EIP。盡管在寫作過程中尚未找到該流程是如何被以太坊核心開發者接受的，但是 Berlin 硬分叉棄用了 HFM-2070，而是采納了 Martin 提出的流程。

決策流程的變更很快就發揮了作用，在 Berlin 硬分叉測試網激活前兩周，圍繞 EIP-2315 的廢留，開發者們展開了激烈的爭論并最終移除了 EIP-2315 。由于新流程的采納，最后時刻的變更并未對硬分叉造成太大影響，并最終按期進行。更多細節可參考本人撰寫的《移除EIP-2315:以太坊柏林升級前的緊急剎車》

值得一提的是，以太坊的區塊空間上限(Block gas limit)并非共識的一部分。礦工有權更改區塊空間上限，每個區塊的上限變化最多為 0.1%。不去硬編碼這個數值主要是為了避免潛在的攻擊風險。該數值變化的歷史可參見 MyCrypto 撰寫的研究報告。

這些 EIP 對以太坊究竟造成了什么影響，又是誰影響著以太坊的決策呢。本文整理了以太坊硬分叉中納入的所有 EIP(不包含元提案)，詳見鏈接。https://primitiveslane.notion.site/cbd45cf0289c414b86715b8a9e71b28e?v=838baf2ac3a442a6b3fa03e58c5dc0ae

動態 | 全球外匯經紀公司福匯添加以太坊差價合約:據financemagnates報道，全球外匯經紀公司福匯（FXCM）集團擴大了其加密貨幣工具的范圍，現在將為其所有交易賬戶提供以太坊差價合約。據悉，福匯已于去年10月添加比特幣差價合約交易。[2019/1/15]

納入硬分叉的 EIP 的類型主要包含計費模型變更、新操作碼引入、難度炸彈、經濟模型、預編譯、安全考慮等。

計費模型變更是數量最多的 EIP，共有 10 個，占 25.6%。其通過增減操作碼的單價，以平衡 gas 消耗和實際占用系統資源的不匹配，可消除系統被 DOS 攻擊的隱患，或是有利于特定類型應用的部署。一部分 DOS 隱患是因為對系統資源的錯誤估計造成的，EIP-150 和 EIP-160 解決了這個問題；而另一部分 DOS 隱患則是系統的固有特性，伴隨著狀態數據增長，訪問狀態數據的實際資源消耗也隨之增長，因此需要定期調整相應操作碼的單價，典型的有 EIP-1884(我認為寫得最好的 EIP 之一)。

由于以太坊的狀態表示模型，計費模型必須定期調整，這是特性，而非故障。

共有 9 個 EIP 為以太坊虛擬機引入了新的操作碼(不含 EIP-1884)，占 23.08 % 。其中比較有影響力的包括 EIP-7 (DELEGATECALL), EIP-1014(CREATE2), EIP-3198(BASEFEE) 等。

共有 6 個 EIP 在推遲難度炸彈，占 15.4 % 。有 2 次硬分叉伴隨著經濟模型的調整，即降低新區塊獎勵。其中有 3 次僅為了推遲難度炸彈而實施的分叉，即名字中帶有 Glacier 的硬分叉。有關難度炸彈的歷史，可見原語里弄的報告。

有 4 個 EIP 對經濟模型有影響，2 個降低了新區塊獎勵，1 個調整了難度計算模型(EIP-100)，此外引發較多爭議的 EIP-1559 調整了手續費市場。

有 4 個 EIP 將一些密碼學操作預編譯，因此無需在 EVM 中執行，提升運行效率。包括 EIP-152, EIP-196, EIP-197, EIP-198。

有 3 個 EIP 是出于安全考慮的，包括重放攻擊保護(EIP-155)，狀態前綴樹清理(EIP-161)，合約代碼大小限制(EIP-170)。

其它 EIP 還包括網絡協議改進(EIP-8)，增加交易執行狀態接口(EIP-658)，增加新的交易類型(EIP-2718)等。此外，EIP-2 包含了 Homestead 的所有更新，較為復雜。

共有 43 人，77 人次參與了這些 EIP 的撰寫，其中參與 2 個以上(含） EIP 的作者有 11 個。Vitalik Buterin 參與撰寫的最多，共 17 個，占 43.6 %。Martin Swende 和 Christian Reitwiessner 各參與 5 個，Alex Beregszaszi 和 James Hancock 各參與 3 個，其余人參與的個數均不超過 2 個。

Martin Swende 是以太坊基金會安全負責人，Go-ethereum 工程師，EIP 為中心的硬分叉流程的提出者；Christian Reitwiessner 是 Solidity 語言的發明者。

另外有趣的是在新的硬分叉流程實施之后，EIP 作者的數量發生了顯著變化，這或許說明新的流程提高了 EIP 的參與度。Berlin之前，28 個 EIP，43 人次，平均每個 EIP 有 1.54 個作者；Berlin之后，11 個 EIP，34 人次，平均每個 EIP 有 3.09 個作者，增長了一倍。

本文介紹了以太坊歷史上的歷次硬分叉，解讀了幾次硬分叉背后的代表性事件，并詳細描述了以太坊硬分叉決策流程向 EIP 為中心的轉變。文章還深入分析了歷次硬分叉中的 EIP 所發揮的作用以及他們背后的貢獻者。

以太坊即將迎來新的時代，往事涌上心頭，讀者朋友，你有何感受？

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