以太坊PoW&PoS Merge即将到来，对应用层有何影响？

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作者：Tim Beiko，以太坊开发者兼社区经理，以太坊基金会

以太坊网络向权益证明 (The Merge) 的过渡迫在眉睫：开发网络正在建设中，规范正在最终确定中，社区外展的准备工作已经认真开始。 Merge 旨在以对最终用户、智能合约和 dapps 的运作方式的影响最小的方式进行过渡。 也就是说，在此过程中有一些小变化值得强调。 在我们深入研究这些变化之前，这里有一些链接可以让您深入了解 The Merge 的整体架构：

本文的其余部分将假设读者熟悉上述内容。 对于那些想要更深入挖掘的人，下面提供了 The Merge 的完整规范：

1块结构

以太坊合并后，网络上将不再存在工作量证明 (PoW)。 相反，之前的 PoW 部分将成为在信标链上创建的区块的组成部分。 然后，您可以将信标链视为以太坊的新 PoS 共识层，取代之前的 PoW 共识层。 信标链块将包含 ExecutionPayloads，它们是当前 PoW 链上块的合并等价物。 下图显示了这种关系：

对于最终用户和应用程序开发人员，这些 ExecutionPayloads 是与以太坊交互的地方。 该层上的交易仍将由执行层客户端（Besu、Erigon、Geth、Nethermind 等）处理。 幸运的是以太坊merge，由于执行层的稳定性，Merge 只引入了最小的破坏性变化。

2 Mining 和 Ommer 区块领域

合并后，之前包含在 PoW 区块头中的几个字段不再使用，因为它们与 PoS 无关。 为了尽量减少对工具和基础设施的破坏，这些字段被设置为 0，或者它们的数据结构等效项，而不是完全从数据结构中删除。 您可以在 EIP-3675 ​​中找到区块字段的完整更改。

因为 PoS 不会像 PoW 那样自然生成 ommers（又名叔块），每个叔块（ommers）中的这些列表将是空的，而这个列表的哈希（ommersHash）将成为 RLP 编码哈希的空哈希。 列表。 此外，由于 PoW 还包括难度和随机数以太坊merge，因此之后它们将被设置为 0，为它们提供一个字节大小值。

另一个与挖矿相关的字段 mixHash 不会设置为 0，而是包含信标链的 RANDAO 值。 更多内容请见下文。

3 BLOCKHASH & DIFFICULTY 操作码更改

合并后，BLOCKHASH 操作码仍然有效，但该操作码提供的伪随机性将弱得多，因为它不再由 PoW 哈希程序伪造。

相关地，DIFFICULTY 操作码 (0x44) 将被更新并重命名为 RANDOM。 一旦合并，它将返回信标链提供的随机信标的输出。 因此，与 BLOCKHASH 相比，此操作码将是应用程序开发人员使用的更强的随机性来源，尽管仍然存在偏差。

RANDOM 暴露的值会存储在 ExecutionPayload 中，ExecutionPayload 中存储的是与 PoW 计算相关的 mixHash 值。 Payload的mixHash字段也会改名为random。

这是合并前后 DIFFICULTY 和 RANDOM 操作码如何工作的说明：

在合并之前，我们看到 0x44 操作码返回了区块头中的难度字段。 合并后，重命名为 RANDOM 的操作码指向一个块头字段，该字段之前包含一个 mixHash，现在存储来自信标链状态的随机值。

这一变化在 EIP-4399 中正式化，还为链上应用程序提供了一种评估合并是否发生的方法。 根据这个EIP的介绍：

此外，此 EIP 提出的更改允许智能合约确定是否已升级到 PoS。 这可以通过分析 DIFFICULTY 操作码的返回值来完成。 如果该值大于 2**64，则表示交易正在 PoS 区块中执行。

4 出块时间

合并将影响以太坊的平均出块时间。 目前在PoW下，平均每13秒左右产生一个区块，实际出块间隔时间有较大差异。 在权益证明下，块间隔将恰好为 12 秒，除非由于验证器离线或因为他们没有及时提交块而错过一个槽。实际上，槽会发生这种情况

这意味着网络上的平均阻塞时间减少了约 1 秒。 在计算中假设某个平均出块时间的智能合约需要考虑到这一点。

5 安全头和最终块

在 PoW 下，区块重组总是可能的。 应用程序通常会等待在新的安全头上挖掘出几个区块，然后再考虑它不太可能从规范链中删除，或者已经“确认”。 合并后，我们有了最终安全头块的概念。 这些块可以比“确认的”PoW 块更可靠地使用，但需要改变理解才能正确使用。

最终区块是指已被超过 2/3 的验证者接受为规范的区块。 要创建一个冲突块，攻击者必须销毁至少 1/3 的 ETH 总量，在撰写本文时，这意味着超过 100 亿美元（或 >250 万）的 ETH。

安全头是我们希望在正常网络条件下包含在规范链中的块。 假设网络延迟小于 4 秒，大多数验证者是诚实的，没有对分叉选择规则的攻击，那么安全头永远不会成为孤块。 此处提供了详细介绍如何在各种情况下计算安全水头的演示文稿。 此外，安全头的假设和保证将在即将发表的论文中正式定义和分析。

合并后，执行层 API（例如 JSON RPC）在请求最新区块时将默认返回安全头。 在正常的网络条件下，安全头和实际的链顶将是等价的（安全头和尾只有几秒钟）。 与当前的 PoW 最新区块相比，安全头重组的可能性更小。 为了暴露 PoW 链的实际尖端，将在 JSON RPC 中添加一个不安全标志。

最终区块也将通过 JSON RPC，通过一个新的最终标志公开。 这些可以作为 PoW 证明的更强大替代品。 下表总结了这一点：

块型共识机制 JSON RPC 重组条件 headPoWlatest 可预期且必须谨慎使用 headPoSunsafe 可预期且必须安全使用 headPoSlatest 可发生，但需要较大的网络延迟或对网络的攻击才能实现。 confirmedPoWN/A 不太可能发生，因为需要大部分计算能力来挖掘深度 > #confirmed 的竞争链。 finalizedPoSfinalized 是极不可能的，因为需要超过 2/3 的验证者来完成竞争链，并且至少有 1/3 需要被削减。

6 下一步

我们希望这篇文章能帮助应用开发者为备受期待的 PoS 过渡做好准备。 在接下来的几周内，测试网将可供更广泛的社区进行测试。 还有一个即将推出的 The Merge 社区，呼吁基础设施、工具和应用程序开发人员提出问题并听取 The Merge 的最新技术更新。

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感谢 Mikhail Kalinin 提供“安全头部”部分的核心内容，感谢 Danny Ryan 和 Matt Garnett 审阅本文草稿。

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