前言
大家好！今天我们要来探讨Ethereum以太坊的PoS演进史。以太坊为了提高区块链的效能以及更加地环保，不断推陈出新，让整个区块链世界产生了巨大的变革。随着技术的不断进步，以太坊也将开始向新的高度挑战。让我们一起来探讨这个让人感到振奋的演进过程！
因本文章有较深入的PoS介绍，建议已具备基础PoW知识的读者阅读。
2020年12月PoS信标链上线
为了将耗能的PoW升级至节能的PoS，以太坊在2020年12月1日时，上线了以PoS共识机制为主的以太坊信标链！
PoS名词解释
在PoS中，有些名词会和PoW稍微不同！
Block的概念改为Slot与Epoch。平均来说，每12秒会出一个Slot，而每32个Slot称为一个Epoch。
Difficulty改为SlotPrevRandao。
Miner改为Validator与负责出块的SlotProposer。
目前，若要成为Validator，需使用Validator私钥及Withdrawal私钥来建置不停机的验证节点，接着将带有以下指定Data32ETH的交易打到Deposit合约中：
pubkey：Validator公钥，链上唯一识别用
withdrawal_credentials：将Withdrawal公钥作SHA256后，将最左侧2位元由0x00替换而得
signature：由Validator私钥向(pubkey,withdrawal_credentials,deposit_amount)资料进行签名
deposit_data_root：由上述pubkey、withdrawal_credentials、signature建立HashTree，并取得其HashTreeRoot而得
Slot与Epoch、Validator与Proposer
成为SlotProposer要做的事
在下一个Epoch到来前，每个Slot会透过Randao随机数指定1位Validator成为此Slot的Proposer，而他要完成2件事！
第1件事：建立区块，并让其他Validator进行验证及投票。
理想上，SlotProposer会在最新的区块后面，直接建置下一个区块，如同PoW时期以维持最长链原则。但实际上，可能会因P2P网络延迟、恶意节点尝试攻击等，导致SlotProposer未必能在最新的区块后面建置下一个区块，造成区块链分叉。这时，需请其他的Validator进行区块投票，得票高者即可成为下一个区块。若恶意节点故意在同一个Slot时段内建立2个区块，则会被施以严重的大幅削减处罚并退出网络。
第2件事：提出一个随机数种子S，并公开Hash(S)结果。
因为少了过去PoW的算力竞争，但直接指定Proposer有违去中心化，所以需要一个由众多SlotProposer一同决定的Randao随机数，用来选定下一个Epoch的SlotProposer们
第1件与第2件事不断重复，使得区块链不断地产生新区块。
Slot的Validator数量推算
在说明每个区块及Epoch需要多少票数前，先进行目前Slot的Validator数量推算！
回顾一下：每12秒为一个Slot，而每32个Slot为1个Epoch。由Beaconscan网站可得知，目前撰文时全球总共约有512,000名以太坊Validator。
所以，每1个Epoch约会有512,000名Validator进行投票。平均下来，每1个Slot约会有512,000/32=16,000名Validator进行投票。
每个Validator要做的事
扣除负责出块的SlotProposer，剩下N-1的Validator需在每个Slot中完成Attestation工作，即向支持的区块及Epoch来进行投票！
投票1：向支持的Epoch投票，支持的Epoch包含需同时选定TargetEpoch及SourceEpoch。
Target为Validator认同当下所在的EpochSource为Validator认同最近的Epoch若某个TargetEpoch结束，并得到超过2/3Validator的票数，则此Epoch标示为Justified，故最快要等上1Epoch=6.4分钟的时间。
承上，若此Target紧连的SourceEpoch也得到2/3票数，则此SourceEpoch标示为Finalized。因此，最快要等上2Epoch=12.8分钟的时间
EpochFinalized之前的区块规定不可再被更改
Justified与Finalized的Epoch判断方式
投票2：向支持的区块投票
可对过去1Epoch内的Slot区块进行投票。
如果Validator有以下行为会无法拿到奖励
投给旧的、错误的区块投票经常延迟或设备离线，但如果网络出现4个Epoch都没被Finalized的情况，则会有罚款如果Validator有以下行为会进行严重处罚，同个私钥同时存在两台不同机器上导致同一Epoch时间内有2次对区块的投票行为。将机器迁移时，没有将资料库也迁移，导致迁移的机器向同一区块重覆投票的行为如果被Slash处罚一次或因罚款导致余额低于16ETH，则会被强制踢出网络。从beaconcha统计数据可得知，自信标链上线以来被Slash总共有229名Validator，大多为非恶意的机器设置错误导致，约占整体Validator的0.045%。
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PoS是由链上所质押的ETH作担保，来维持分散式共识，好处是：环保，且质押的ETH平均有4%年化报酬。
但此时要自建24小时不停机节点质押至少32ETH，门槛过高
对于仅有少量ETH却又想参与PoS网络的散户该怎办？所以，像是Lido等服务商，就有提供收取质押奖励的10%作为手续费，让散户进行小额质押。而且，更特别的是Lido还提供质押ETH兑换stETH代币，让散户可在二级市场进行stETH交易。
从Dune统计数据可得知，目前所有质押的ETH约占总供应量约14.66%
2022年9月PoS信标链与PoW以太坊完成合并
众所期待的PoS以太坊终于在2022年9月15日完成合并！此时，只能使用Validator进行质押挖矿，而使用显卡挖矿的矿工时代也真正地成为了过去！
虽然，一般使用者仍可按照过去PoW使用方式进行ETH转帐或合约交易；但实际上经过TheMerge升级后，以太坊节点已拆分成ExecutionLayer执行层及ConsensusLayer共识层了
以太坊节点区分CL及EL层
在TheMerge后采用了PoS共识，虽然PoW机制被移除，但是PoW的ExcutionLayer却合并到BeaconChain中。
ExecutionLayer执行层仍与PoW时一样进行：
执行EVM虚拟机但是，当区块分叉时，取代PoW机制，会由CL层告知哪一个区块是HeadBlockConsensusLayer共识层就负责：
进行ProofofStake共识当区块分叉时，采LMD-GHOSTForkChoiceRule共识来决定
TheMerge升級前，ExecutionLayer的內容
完成TheMerge升级后，ExecutionLayer的内容与过去PoW时期相同
然而，对于执行以太坊节点的营运者，可以决定将CL节点、EL节点拆分建立，并使用元件所提供的EngineAPI来进行沟通。甚至可执行其中一个元件，另一个元件则与其他节点共用。
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TheMerge合并之后，将以PoS的取代PoW以太坊，无法使用显示卡挖矿。
但此时Validator们仍无法赎回已质押的以太币，所以才会有下一个重大的升级：上海硬分叉。
2023年第2季以太坊信标链进行上海硬分叉升级
以太坊PoS信标链于TheMerge后另一项重大的升级：上海硬分叉，终于让为数众多的的Validator开放让为数众多质押ETH的赎回申请，但考量到系统的稳定性，每个Epoch可退出的Validator或ETH数量是有限制的！
质押退出机制
关于欲将已质押的ETH赎回，除了您需等待2023年第2季上海硬分叉升级完成外，Validator还需将EL／CL节点升级、在CL节点上修改收益地址等前置作业，即可进行ETH赎回请求啦！分为2种形式：
关于前置作业细节可参考imToken先前发布的「上海升级，和你有关吗？」文章！
部份赎回
将超过32ETH的其他ETH给赎回因目前一个12秒的Slot最多只能有16次的部份赎回额度，以全网有512,000Validator来计算，平均每个Validiator要等4.44天才能收到ETH。全部赎回并退出Validator角色
因目前一个6.4分钟的Epoch只能退出6名Validator，所以会依照申请的顺序来进行全部赎回注：实际上，为避免一次大量Validator退出网络而导致安全性问题，所以每个Epoch可退出Validator数量会依照全网Validator总数来进行限制而以上无论是部份赎回，还是全部赎回，因为都在CL节点上广播请求，所以也均无需Gas费用
每个Epoch可退出Validator数量会依照全网Validator总数来进行限制
上线前需充分测试
另外，此次升级还需在各个测试网上进行充分测试，才会正式上线！
2023/02/07可提款的Zhejiang测试网上线2023/02/28进行Sepolia测试网的上海硬分叉升级2023/03进行Goerli测试网的上海硬分叉升级还有其他的提案
而且，这次升级除了EIP-4895是主要提案外，还会一同实现以下EIP提案：
EIP-3651预热COINBASE：启动「COINBASE」地址的预热功能，降低交易手续费消耗EIP-3855增加PUSH0指令：将常用的「常数0推送」操作变成一个指令，将可减少合约程式码大小EIP-3860限制和计价initcode：增加合约部署规范，避免部署程式码过大占用空间EIP-6049新增SELFDESTRUCT停用警告：更新SELFDESTRUCT指令的文件说明，警告使用者该指令未来将被停用未来，本专刊将会为重要的EIP提案来撰写文章进行说明。
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开放质押的ETH赎回，但基于安全理由，每个Epoc只能退出6个验证者（因此每天约有1,350个验证者or43,200ETH可退出。
若您刚好是以太坊信标链的Validator，强烈建议在上海升级前阅读「上海升级，和你有关吗？」文章，来了解这次上海升级时您一定要做的几件事情！
总结
综观整个PoS演进史，以太坊始终保持着为用户提供最优秀的使用体验和开发环境的初衷。PoW到PoS，不断的改变也带给了我们更加高效和环保的区块链世界。上海硬分叉升级将为以太坊带来更多的可能性；在未来，随着这一系列EIP提案的引入，Ethereum将越来越容易地融入日常生活中，并且让人们都可享受到区块链带来的安全性与方便性。让我们一起期待以太坊的更美好未来！
参考资料
中文以太坊SafeHead機制介紹https://medium.com/imtoken/safe-head-part-1-14071f14016bEth2.0的共識層和執行層分工及TheMerge影響https://medium.com/taipei-ethereum-meetup/eth-2-0-cl-el-separation-and-impact-of-the-merge-dbeb6828c907英文Blocknative-AStaker'sGuidetoEthereumSlashing&OtherPenaltieshttps://www.blocknative.com/blog/an-ethereum-stakers-guide-to-slashing-other-penaltiesETHWithdrawalsFAQhttps://notes.ethereum.org/@launchpad/withdrawals-faqHowdoestheNEWEthereumwork?https://www.preethikasireddy.com/post/how-does-the-new-ethereum-workProofofStakeRewardsandPenaltieshttps://ethereum.org/en/developers/docs/consensus-mechanisms/pos/rewards-and-penalties/
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