作为世界级的区块链平台，以太坊实现了第一个支持可编程智能合约的区块链底层架构，成为区块链技术应用的一个代表。然而，以太坊本身还有很多问题需要解决：一方面，以太坊的PoW算法虽然可以安全保证区块数据的权威性和不可篡改性，但与此同时牺牲了网络的交易吞吐量和扩展性，任何一笔交易都需要所有节点耗费算力资源进行哈希运算。另一方面，由于Gas[Gas，是指以太币用来在以太坊价值网络的节点间传递，同时也可以用作参与节点共识计算活动的“燃料”]机制的存在，当全网交易量膨胀时很容易造成高额手续费，用户、DApp（decentralized app，即去中心化应用）必须支付较高的Gas费用后，才有可能被“矿工”快速打包进区块。对于交易频率要求较高的场景DApp来说，它们可能因面临过高的Gas成本费用而切换到别的底层公链，以太坊的优势将被竞争对手削弱。进行以太坊2.0的升级，正是为了克服上述这些问题。
和目前以太坊的单链结构以单条主链处理所有交易信息不同，以太坊2.0将会采用“分层”和“分片”的设计思路。具体来说，以太坊2.0将设立三层网络，包括现有的PoW主链、信标链（bea-con chain）和分片链（sharding chain）。在这个网络结构中，分片链是相对独立的，它们负责完成具体的转账、合约和交易服务，而信标链则主要负责跨链的协调和沟通工作。具体来说，信标链网络将包含上万个节点，当这些节点抵押32枚BETH（即以太坊2.0的新通证）后，就可以成为验证者（validator）。验证者可以组成一个个委员会，每个委员会中包含随机选出的128个节点。每个委员会中的节点负责信标链、各条分片链的共识和验证过程，确保整个网络始终保持一致。在以太坊2.0的信标链和以太坊1.0的主链并链之前，只支持ETH向BETH的单向兑换。BETH将暂时只能作为验证者和用户的不可转移资产，而无法支持转账。
以太坊2.0的信标链将采用Casper共识机制。这种机制属于PoS的范畴，它除了继承PoS机制能耗低、可以防止51%攻击等特性之外，还引入了经济惩罚机制，从而可以解决PoS机制所无法解决的“无利害攻击”问题。
图1 以太坊2.0的三层网络结构
分片链的引入是为了解决困扰以太坊已久的扩容问题。按照计划，整个以太坊2.0网络将会分为64个分片，每个分片处理网络中的不同交易，这可以有效提升系统并发处理吞吐量的问题。
在运行的早期，以太坊2.0将不支持智能合约，但随着新虚拟机eWASM的推出，分片链将可以执行智能合约，每个分片链将管理一个eWASM，包括账户、合约代码、状态、收据以及其他抽象等。可以预见，这将会有效地提升以太坊扩容后的交易性能。
需要说明的是，以太坊2.0升级并不是一次简单的硬分叉升级。在以太坊过去的历次硬分叉升级中，随着新链的运行，老链就会停止运作。但是以太坊2.0中，老的PoW链将和新的PoS链共存至少3-5年，并可能让PoW链最终作为以太坊2.0的一条分片链而长期存在。
根据目前透露的消息，以太坊2.0的整体升级规划将分为四个阶段：
第0阶段预计将在2020年的第三季度到第四季度开始。在这个阶段，将推出信标链。
第1阶段可能会在2021年开始，这一阶段将上线分片链，上线之后将只能试运行，仍不支持转账和智能合约。
第2阶段将推出新虚拟机eWASM和与之配套的智能合约、跨分片转账，这一阶段有可能在2022年上线。
第3阶段将会在2022年后开始，这一阶段将会推出跨分片交易、指数分片等其他功能。
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