以太坊在2020年4月底推出了ETH2.0测试网，并在经过半年的测试后，于12月正式上线了其2.0主网，这标志着以太坊2.0时代的到来。以太坊2.0是对1.0主网的重大升级，旨在提高以太坊的性能、可扩张性、安全性和可持续性等，以加速以太坊的使用和应用。今天就来详细了解一下以太坊升级的原因。
一、以太坊升级的原因
1.以太坊自身的高费率和拥堵问题
在链游相关交易中，以太坊Gas费率高，确认速度慢，效率低等问题，一直被用户诟病。虽然有团队通过开发外部应用（例如Flashbots）在一定程度上优化了交易效率并降低了费用，但在不断攀升的交易需求面前显得杯水车薪。想要从根本上改善这个问题，必须要从以太坊公链内部切入，升级其底层构架，才能使网络有本质的性能飞跃。
2.竞争公链的崛起
虽然以太坊在现在的公链市场中仍然占据绝对的领导地位，但后来者不断地加入，特别是在性能上和构架上不断地超越和推陈出新，在一定程度上还是动摇了以太坊的市场占有率。以下是2020年之前（以太坊2.0升级前）的几条主要公链的性能和数据对比，以太坊在各项数据（TPS、交易费用、出块效率等）都不占优势，如果继续放任发展，可以预见在不久将来无论在市占率和市值上面都容易被超越。
以BSC、Solana为代表的公链，既可以兼容以太坊EVM，又有庞大的生态加持，且都有币安，FTX等金主支持，天然有用户红利和资金优势，使得可以快速成长，导流了以太坊的流量。而以太坊本身的拥堵和高费率，更是给了这些公链绝佳的发展机会。这些都到逼着以太坊不得不尽快进行升级，才能继续稳坐公链王者地位。
3.用户对于公链安全性和隐私的新需求
以太坊从创立之初到现在，成交有了千倍的增长，从每日几千的交易量到基本稳定在百万级别。高速的增长伴随着大量资金涌入加密货币领域，也带来了更多优质的应用与跟大数量的用户，同时用户对于区块链技术的安全、隐私保护等要求也在不断提升。
在金融领域的应用中，用户对于地址隐私等有强烈诉求，二区块链世界的过度透明显然会成为限制器发展的重要约束。如何在保证安全的前提下实现隐私保护，也是以太坊未来发展需要解决的重要课题之一。
二、升级主要内容
大家可能都听说过区块链的不可能三角，即去中心化、安全性和可扩展性，而以太坊2.0升级，针对这个三角的三个方面分别提出了应对方案，进而构建成了此次升级主线主要内容。1.分片链（Shard Chains）-解决可扩展性问题
分片链是一种能够大幅提升以太坊交易效率和可扩展性的构架机制。在以太坊的最新分片方案（Sharding2.0）中，会将所有网络资源分成不同片区，每个分片都可以理解成为一个新链，并分别与信标链（枢纽链）相连，这样一来每个节点不必处理所有交易，只需运行一个片区，且只需存储一小部分数据，从而大大提高工作效率，很大程度上缓解以太坊的扩展性问题。
分片2.0方案是为Rollup方案（我们将在后续文章中进一步阐述Rollup方案和Layer2项目）量身定做的，而Rollup方案则是分片方案的延伸。通过 Rollups，所有兑换过程和执行都在链下进行，而以太坊主链仅存储成交数据。数据分片和 Rollups 的混合实施，理论上可以让太坊能够每秒处理超过 100，000 交易，而Rollups也被认为是目前最理想的扩容方案。
2.权益证明（Proof of Stake）-解决去中心化问题
以太坊2.0另一个重要升级，就是引入Proof of Stake（PoS）共识机制。曾经以太坊运行是基于工作量证明（PoW），需要消耗大量算力和能源，从PoW往PoS的转变，将使坊的能源消耗能够减少 99% 以上。
以太坊1.0的PoW 共识机制，矿工们通过处理打包兑换，并因此而获得ETH。而在ETH2.0中的 PoS机制中，用户只需抵押 ETH 成为网络上的验证者就可以获得代表份额的权益证明。PoW机制下，成为验证节点需要购置昂贵的矿机并产生足够的算力才有竞争力，而在PoS机制下，可以有效降低验证节点的准入门槛。任何用户只要质押32枚ETH即有机会进入验证者委员会，这由信标链随机算法选出区块验证者和区块提议者，其中区块提议者打包交易提议新区块，另外的区块验证者检验新区块，最终协作完成出块过程。准入门槛的降低，使得参与验证的节点更多，也是整个网络变得更加分散与去中心化。
3.信标链和Casper机制-解决安全性问题
分片和PoS共识机制的引入，解决了扩展性和去中心化的问题，但也带来了新的安全挑战。比如由分片导致51%攻击问题、分片间双花攻击问题，以及PoS共识机制导致的无利害攻击问题、长程攻击、简单攻击问题。以太坊通过信标链和共识机制Casper 来弥合这两类风险，解决安全性问题。
为了解决51%攻击问题，信标链将通过提供随机性，让每次的验证者都不可预测，并在每次验证任务后，对所有验证节点重新洗牌，并选出新的验证委员会，避免了验证节点间的勾结传统，提高了安全性。同时通过信标链实现跨分片通信，记录所有分片的状态和信息，避免双花问题。
Casper则是以太坊 2.0 的核心共识协议，负责管理系统节点，对验证者施行奖励和惩罚。验证者需要通过质押，并向信标链申请成为节点后，才能运行协议。如果验证者没能完成分配的任务，则有失去质押的Token的风险，甚至被踢出节点池，无法继续参与验证工作。这样可以迫使验证者诚实行事，并通过奖惩制度遵守共识规则，很大程度上解决PoS无利害攻击问题。
三、总结
以太坊从1.0到2.0的升级，是以太坊生态的一个重要里程碑，但其发展的脚步永远没有停止。通过明确的路线图，开发团队正在推进各个模块升级的落地，从而发挥以太坊的全部潜力，并实现理想中的去中心化网络。期待在不久的将来，我们将看到一个更强大、高效的以太坊生态系统。