以太坊:以太坊協議層的七年之變

什么是以太坊

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,EthereumImprovementProposal)，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。

歷次硬分叉介紹

概況

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。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「DAOFork」、「TangerineWhistle」、「SpuriousDragon」、「MuirGlacier」、「ArrowGlacier」、「GrayGlacier」，它們或處置黑客盜竊(DAOFork)，或應對DDOS攻擊(TangerineWhistle,SpuriousDragon)，或僅僅處置難度炸彈(MuirGlacier,ArrowGlacier,GrayGlacier)。而「主動升級」大致符合白皮書的規劃，Frontier(Frontier,FrontierThawing)、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。

富達報告：47%的投資者預計以太坊將“超越”比特幣:金色財經報道，富達數字資產公司(Fidelity Digital Assets) 于7月18日發布了《2023年第二季度信號報告》，調查發現47%的投資者預計以太坊將“超越”比特幣。該報告對以太坊看漲前景背后的理由是網絡相對于代幣發行的更高的銷毀率、“新地址趨勢”以及網絡驗證器數量的增長。根據報告，自2022年9月合并以來的凈發行導致以太坊凈供應量減少超過700,000個。此外分析師表示，Glassnode首次交易的以太坊地址不斷增加，證明了網絡的健康采用。該報告還指出，第二季度活躍的以太坊驗證者數量增加了15%。[2023/7/19 11:03:22]

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MartinHolstSwende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。

代表性硬分叉解讀

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

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theDAO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EthereumClassic，也引發了大量的社會爭論。

數據：18.64萬枚ETH在近一周被質押至以太坊2.0合約:據歐科云鏈OKLink數據顯示，當前以太坊2.0存款合約地址已收到553.46萬ETH，占以太坊供應量的4.76%，近一周新增質押186432 ETH；當前已有30802個地址進行ETH2.0的質押，近一周新增1920個。[2021/6/15 23:37:05]

上海DOS

在Devcon2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5M降低至1.5M)。最終，借助TangerineWhistle和SpuriousDragon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SpuriousDragon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。

雙堡奇兵

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。

以太坊未確認交易為90,658筆:金色財經消息，據OKLink數據顯示，以太坊未確認交易90,658筆，當前全網算力為253.46TH/s，全網難度為3.36P，當前持幣地址為49,743,531個，同比增加160,856個，24h鏈上交易量為3,204,649.38ETH，當前平均出塊時間為13s。[2020/11/7 11:57:49]

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。

拆彈危機

為什么MuirGlacier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MuirGlacier硬分叉中。

硬分叉決策流程變更

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」。EIP-233試圖規范分叉的正式流程，但并未被接受。

V神：比特幣的很多原則也適用于以太坊:2月28日，UCL區塊鏈技術研究中心研究員Angela Walch發推文詢問比特幣核心開發者所追求的比特幣原則，其發布的比特幣原則的維基頁面顯示，比特幣原則有：2100萬比特幣上限、無審查、開源、交易不可逆轉等。對此，V神評論回應稱，對他而言這也是一個合理描述，（比特幣這些原則）中的很多也適用于以太坊。[2020/2/29]

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MetaEIP，例如Istanbul硬分叉通過?EIP-1679?定義(簡稱HFM-1679)。

MartinHolstSwende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》

公告 | Gate.io支持2月底以太坊ETH君士坦丁堡升級:據官方消息，由于開發人員發現了新的代碼漏洞，原計劃進行的以太坊君士坦丁堡（Constantinople）升級被推遲到本月底。本次分叉將在第7,280,000區塊發生，預計分叉日期為2月27日。Gate.io將會支持本次以太坊ETH君士坦丁堡升級。[2019/2/18]

不是改變的改變

值得一提的是，以太坊的區塊空間上限(Blockgaslimit)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。

EIP深入分析

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

EIP都在做什么

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

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。

新操作碼引入

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。

難度炸彈

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。

經濟模型

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。

預編譯

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。

安全考慮

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

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。

誰為EIP做貢獻

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。VitalikButerin參與撰寫的最多，共17個，占43.6%。MartinSwende和ChristianReitwiessner各參與5個，AlexBeregszaszi和JamesHancock各參與3個，其余人參與的個數均不超過2個。

MartinSwende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；ChristianReitwiessner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。

總結

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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