作为Web3.0世界的社区底座，公链担任了重要的基础设施职能，建议关注最近以太坊升级状态及公链生态的创新与发展。
摘要
公链是操作系统，更是元宇宙时代线上社区的底层基础设施。公链是具有智能合约功能的公共区块链平台，具有开源、去中心化、可编程等多种属性。若把Web3.0定义为行业革新，我们可以把公链类比为Windows、iOS等操作系统，其核心功能是制定软件和应用生态行业标准。但是，我们更推荐把公链定义为元宇宙底层社区的基础设施：一个全球化的清、结算系统；实现确权等基础功能、提供透明化管理的工具；不可篡改、开源代码的智能合约体系等。基于这些属性，我们认为公链有望成为元宇宙时代线上社区的规则和共识机制。
以太坊：生态领先，升级在即。以太坊（Ethereum）于2015年7月开始运行，是行业领先的公链。截至2022年9月，以太坊代币ETH总市值接近2000亿美元，仅次于比特币；以太坊生态应用数量接近3,000，智能合约数量接近5,000，均显著领先其他生态。但以太坊目前面临耗能较高、交易效率较低等问题，因此其致力于通过不断升级让整个生态更绿色，更安全，更高效。今年9月完成的The Merge升级的核心是从传统PoW转向PoS共识机制，降低以太坊的参与门槛，提升安全性。以太坊基金会预计合并后以太坊能耗将下降99.95%，后续The Surge升级将于2023年落地，有望通过分片和Rollup实现以太坊扩容，将以太坊每秒处理交易笔数从当下约15笔提升至10万笔，同时显著降低交易费用。
其他公链：群雄逐鹿时代。除了以太坊之外，其余公链可以分成两类：第一类为EVM兼容链，例如币安的BNB chain，可以高效复用以太坊的生态，并叠加币安生态、高速度和低费用等优势争取份额。第二类是非EVM兼容链，典型案例有：Solona基于独特的PoH共识机制，每秒可处理6.5万笔交易，媲美Visa，但妥协了一定的去中心化；Polkadot则尝试建立一条打通不同公链生态的公链，实现跨链通信；基于更新技术的Aptos、Sui等公链也计划陆续推出。
未来展望：预计逐步形成多极格局。我们认为公链未来大概率是多极格局。一方面，考虑到公链基础职能是建立行业标准，其拥有充足的规模和网络效应；持有Token的用户利益也是一致的，更大规模的公链能够惠及所有人，因此公链格局不会很分散。另一方面，Web3.0的开源属性，以及分叉（fork）机制为不同意见的用户提供最后的解决方案，我们预计其竞争格局相对操作系统或更加分散。最后，由于以太坊本身是权力和机制上去中心化的，我们认为以太坊EVM相关公链拥有更高的市占率与Web3.0去中心化的理念并不冲突。
风险
监管风险；社区决策被操纵；安全风险；经济动机过强；社会发展考量较弱。
正文
公链是什么？
公链（Public blockchain）是区块链中最常见的一种形式，意指对全世界所有人开放，任何人都可以加入并成为其节点的区块链。在公链上，任何人都可读取、发送交易，且交易能获得有效确认，各节点之间基于共识机制（如PoW、PoS等）开展工作。作为区块链的主要类型，公链包含了区块链去中心化（网络由多节点组成，因此单节点宕机对全链无影响）、安全（信息上链后几乎不可篡改）、开源（代码、网络都是开源的，公开透明）等特点。
然而公链的特性在于，作为公共的区块链平台，拥有一整套包含智能合约、虚拟机、共识机制、算法体系、数据库等基本工具，提供给不同项目在公链上开发属于自己的应用。公链的诞生开启了Web3.0应用生态。
图表：公链的基本属性
资料来源：万得资讯，中金公司研究部
公链的本质到底是什么？
如果要理解公链具体意味着什么，我们需要了解Web3.0的理想和愿景。目前有两个视角看Web3.0：其中一个视角认为Web3.0是对Web2.0的行业革命，另一个视角眼光则放得更加长远，认为Web3.0是未来元宇宙时代的底层基础设施。
► Web3.0是行业革新。大多数观点认为，Web3.0是和Web2.0相对应的概念，其意在革新Web2.0超级平台模式，保护用户数据，提升创作者利益，建立一个新的互联网行业范式。从这个角度看，公链可以与iOS、windows等操作系统对标，尝试建立行业应用的标准格式（比如EVM的solidity的语言），建立Web3.0的底层操作系统。
► Web3.0是Metaverse趋势中的底层基础设施。假设Web2.0代表移动时代，Metaverse代表元宇宙时代，并且社区应用型产品最终变成Metaverse空间的基础单位，那么Web3.0实际上为元宇宙时代提供了一种生态共荣的治理方案。从这个视角看，公链更像这个新型网络社区的底层Root，而并不是只是简单地建立应用的行业标准。举个例子，如果微软两位员工产生了冲突，Windows并不能解决这种冲突，但是公链却有可能自带解决这种线上冲突的工具和机制。
我们更倾向于用第二种视角来理解Web3.0和公链，对于公链，我们认为从长期角度看有以下几点重要的基础定位和功能：1. 全球化的去中心化清、结算体系；2. 不可篡改，开源代码的智能合约体系；3. 实现确权等基础功能、提供透明化管理的工具；4. 其他确认身份及信誉的功能：例如SBT等。
全球化的去中心化清、结算体系
在Web3.0的愿景中，如果最终大规模建立去中心化线上社区（即大范围网络效应），那么底层的重要的动力源头之一是经济激励（即Token）。根据加密风投机构A16z创始人Chris Dixon的观点，传统的网络效应往往冷启动困难，而采用Token体系的Web3.0则在早期采用代币的财务效用（即经济激励效用）来引导用户加入，以弥补早期本地效用的不足，更快速地打造网络效应。
既然经济激励作为源头，那么最必要的基础设施就是高效、安全的利益分配体系。而公链首要功能就是如此——其应该承担全球化的高效、安全的去中心化清、结算体系的职能。公链的共识机制、智能合约以及投票治理机制均有可能涉及到利益分配，而公链整套系统则将涉及利益分配的环节有机统一——从代币发行、代币激励到代币分配。
图表：代币可以打造网络效应[1]
资料来源：A16z，中金公司研究部
图表：Token在Web3.0生态中的职能[2]
资料来源：Zach Zukowski《Introduction to Tokenomics》(2022)，中金公司研究部
公链的安全性至关重要。公链的安全性本质是基于去中心化的特征：第一，去中心化使得容错率提高，相比于中心化体系，分布式系统同时失败的可能性降低；第二，去中心化使得攻击网络的阻力提高，理论上没有中心节点，因此攻击去中心化网络需要多线并行，成本很高；第三，去中心化使得串谋成本提升，由原来的单人博弈上升至复杂的多人博弈，牺牲其他参与者利益行事的可能性降低。
其次是公链的交易效率。此处我们可以引入合作组织SWIFT进行对照，SWIFT是目前全球领先的清算组织，其合作组织的形态实际上提高了信息传递效率。但相比之下，SWIFT的繁文缛节仍较多，效率放在现在来看并不高（一次清算过程可能需要几天），遇到部分国家清算系统较为落后的情况可能无法推进，并且整套清算系统仍然要依赖各地银行等中心化机构。而区块链提倡采用点对点的去中心化交易模式来交易加密货币，理论上不受任何时间及地域的限制，且速度快、费用低，智能合约可以进一步减少流程中的摩擦成本。但是问题在于，加密货币本身币值波动较大，不适于日常的交易活动，因此出现了稳定币（币值稳定的加密货币，例如USDT——理论上1:1锚定美元），致力于解决此问题。
图表：SWIFT与比特币、USDT对比
资料来源：各银行官网，binance academy，tether.to，中金公司研究部；注：USDT为Tether发行的锚定美元的稳定币
实现确权等基础功能、提供透明化管理的工具
实现确权等基础功能，提供透明化管理工具，让自治变得可能。简单来讲，去中心化账本不仅可以用来记账，还可以用来记录任何值得被记录的信息，从而可以建立一套去中心化确权体系，作为透明化自治管理的基础设施，这一点某种程度上可以看作是智能合约体系的前置条件。具体而言，Web3.0为整个互联网生态打造了一种新的去中心化的“透明化”范式：这里首先利用的是区块链在确权、交易领域的能力，其保证了记录在区块链上的信息是不可篡改的。让更多组织运行环节透明化，能够提升组织运行的效率，这一理念当下流行类似飞书等提升组织效率的工具。相对来看，基于公链的确权系统更加去中心化，对于数据隐私保护等更加友好。
以学历认证为例。传统学历认证需要经过相关中介和大学等认证，效率较低，且拥有较高成本。假设未来我们可以提倡将学生的全部学习经历上链（每一门课程），符合相关标准的学生（比如必修课通过达到多少学分），可以即时通过智能合约自动验证相关员工在链上学历记录即可（可以做出一个不可交易的NFT），高效且可信。
图表：学历认证确权过程
资料来源：中金公司研究部
不可篡改、开源代码的智能合约体系
Web3.0利用了智能合约的不可篡改、程序高效执行等特性，提出更高效组织解决方案。智能合约体系使用区块链创建现有流程的更可信、透明和可验证的属性，本质在于将一个生态的日常执行甚至基本的治理章程（已知且可量化的流程）全部写进代码中，整个生态根据触发代码中的某些运行条件后自动运转。由于代码都是开源且自动执行，因此自带信任机制——大部分人都相信代码的运行是公平的。通过智能合约体系，Web3实现了某种程度的去中心化，从而也使得组织实现熵减，降低了传统组织管理半径扩张难度。
这些已知而可量化的流程可能是：经济利益分配、争端纠纷处理等。首先，智能合约体系有可能替代的公司高管部分职能，这里不是指代码本身可以代替高管，而是代码背后制定好的规则中可以包含相关利益分配的规则和方案，且更加透明、可信、高效。此外，这套体系还有可能代替处理纠纷等职能。
图表：智能合约的特征及其执行流程
资料来源：WallStreetMojo，中金公司研究部
实际上，传统公司组织管理半径核心限制之一就是层级变多，中介机构变多导致中间环节利益寻租带来整体效率降低。而Web3.0的方案则是，对于已知且可量化的流程，利用区块链和智能合约的组合，可以实现高效执行，这样有希望很大范围降低管理层级，提升组织管理半径。典型案例为DAO组织，DAO将日常的常规治理交予智能合约，而将某些重要的决策交予内部投票机制（同时投票机制也由智能合约决定），重要决策在通过之后也会被写入智能合约。精简了管理层级，扩张了组织管理半径。
图表：传统公司与DAO的组织管理区别
资料来源：Linda Xie《A beginner’s guide to DAOs》(2021)，中金公司研究部
基于公链的城市治理开始尝试——City DAO。City DAO试图从头开始创建全新的城市，其在怀俄明州的法律的许可框架内，以注册LLC的身份购买了40英亩的土地，资金来自于发售代表公民身份和社区治理权的citizen NFT，并将土地制成代表土地参观和访问许可的Parcel-0 NFT售卖。治理方式利用了社区链下讨论与链上二次方投票，以决策城市的土地管理、国库用途、税收等。作为一项社会实验，我们可以观察到，公链在其中实现了赋能城市治理的作用，一方面使税收、投票等流程更加透明，另一方面也能利用Token机制作为确权手段、并激励居民参与到治理中，例如Harberger税、二次方融资、土地NFT等形式。
其他功能：如确认身份和信誉等
结合公链以上的功能，Web3.0生态已初具假想形态。然而相较于未来真正建立起线上元宇宙世界的目标，目前仍然有诸多需要完善的功能。
公链面临着个人身份、信誉等问题。公链的匿名性使得体系内部用户都是“互不认识”的状态，虽然有智能合约、共识机制等构筑信任，但是在项目初期，比如ICO阶段，仍有不少欺诈事件发生。Web3.0还经常发生黑客攻击事件，一旦发生攻击，由于匿名属性，甚至无法追踪资金去向和黑客地址。其次，公链目前整体还是以Token体系驱动，这就导致大量用户可能因为逐利而缺乏道德操守（更关注利益，而其他诸如道德、信誉等被忽视）。因此这套体系还需要改进，否则不足以担负作为元宇宙世界底层架构这么重要的职能。
解决方案是在Web3.0中嵌入身份、名誉体系等。Vitalik最新提出的SBT（灵魂代币）潜在解决方案：SBT是一种不可转让的灵魂通证，每位用户拥有一个灵魂（Soul），灵魂存储着多个灵魂代币（SBTs），不同的SBT代表不同的事件，如可以代表教育证书、就业历史、出席证明、文章或艺术作品的哈希值[3]。因此SBT是可以用来构建Web3.0生态内的身份证明、荣誉、信誉、社会关系等元素的，只不过是以区块链的形式（涉及到确权），这一构想目前仍在非常早期的阶段。
图表：SBT恢复身份的方式与传统社会恢复身份的方式对比
资料来源：E. Glen Weyl, Puja Ohlhaver, Vitalik Buterin《Decentralized Society: Finding Web3’s Soul》(2022)，中金公司研究部
以太坊：行业领先，升级在即
以太坊领先公链生态。从目前Web3整体公链生态格局来看，呈现“一超多强”的格局，其中“一超”指以太坊，其凭借开创性的理念、以及强大的先发优势建立其强大的生态，形成显著领先优势。由于基于以太坊合约层的核心机制EVM开创了Dapp的繁荣局面，因此“后起之秀”例如BNB（币安智能链）直接采用EVM兼容的模式打造新的公链。此外，也有一些另辟蹊径的公链采用Non-EVM的模式建立自己的生态，例如Solana、Polkadot、Cardano链等，他们从不同技术手段出发，尝试解决当下以太坊交易速度慢、费率高等短板问题。本章，我们将系统性对以太坊进行梳理和分析，尤其是其近期落地的Merge升级及其背后的逻辑。
图表：区块链生态图景
资料来源：Kyros Ventures，CoinMarketCap，中金公司研究部；注：1. 此图仅包含部分公链，BNB市值是币安生态总市值，不仅是公链；2. 公链市值数据截至2022年9月13日
从市值来看，以太坊原生币（ETH）仅次于比特币。以太坊是Vitalik Buterin于2013年提出，并于2015年正式上线的有智能合约功能的去中心化公共区块链平台。作为行业最早的公链平台，以太坊拥有充足的先发优势。创始人Vitalik Buterin凭借对去中心化等Web3核心理念深刻阐释形成强大行业影响力，为以太坊发展吸引了大量行业资源。以太币（ETH）是该区块链上的原生加密货币，是目前市值第二高的加密货币（截至2022年9月13日总市值2099亿美元），仅次于比特币（截至2022年9月13日总市值4262亿美元），且2014年以来ETH占加密货币总市值占比不断攀升，显示其重要性不断提升。
图表：区块链市占率
资料来源：CoinMarketCap，中金公司研究部；注：数据截至2022年9月14日
以太坊简史：源于革命，归于社区
以比特币为代表的可编程货币带来了“区块链1.0”时代。比特币的交易是由脚本驱动的，交易发生则执行脚本将这笔交易写入到区块链上。出于安全的考虑，比特币脚本的表达能力是有限的，避免无法停机的问题阻塞其他的交易。在早期，区块链的开发主要集中在提升比特币的功能性，在原比特币的基础上修修补补，其上应用生态非常碎片化。
以太坊的提出源于对比特币的革命，Vitalik Buterin提出“比特币2.0”模型。2011年，17岁的Vitalik Buterin首次接触到比特币，随即联合创立了《Bitcoin Magazine》。Vitalik考察比特币生态后主张，应当创建区块链上更完备的编程语言，打造通用型去中心化基础设施（比特币是专用型），让开发者基于该区块链开发去中心化应用。这个想法最终落地成为了以太坊（Ethereum），以太坊不用自己开发应用，其应该始终保持简单的架构，坚守安全、去中心化等底线。
图表：以太坊的八位早期开发者
资料来源：ethereum.org，decrypt.co，中金公司研究部
Vitalik Buterin主导以太坊成为非营利组织，真正成为Web3社区公共基础设施。在成立初期，以太坊面临其应该是一家营利性的公司，同时支持开源的以太坊发展；或者一家非营利性的基金会，支持全世界开发者建设一个更加去中心化的生态的选择。最终，Vitalik Buterin主导将以太坊将注册为一个非营利性基金会，并将以太坊代码开源。这意味着以太坊其归属权并不是与任何一家公司或者某个人，其属于整个以太坊生态共有，每一个人或者公司都可以为以太坊生态开发应用，做出贡献。社区各个参与方均可以参与社区治理，共同做出重大决策。
图表：以太坊的发展历程
资料来源：Ethereum，中金公司研究部
2014年以太坊众筹成功，ETH分配给投资人、贡献者和以太坊基金会，进入Frontier阶段。以太币ETH是以太坊上原生的加密货币，以太坊在2014年通过ICO众筹的方式募集到31,531个BTC，并出售了共6,000万个ETH。ETH早期贡献者还获得了相当于售出ETH总量9.9%的额外金额，另外9.9%则留给了以太坊基金会，创世时总共有1.198倍出售量的ETH流通。ETH是永续通胀的，在EIP-1559引入gas的销毁机制后，通胀率的增速被进一步控制，以更好适应以太坊生态的发展。
图表：以太坊持有比例
资料来源：以太坊白皮书（2014），中金公司研究部
在Homestead阶段，大量用户加入以太坊，但针对智能合约代码漏洞的攻击也越来越多。2016年以太坊进入Homestead阶段，有了图形化的钱包，受众开始包括普通人。然而在这个阶段，大量的用户加入使得以太坊暴露在黑客的视野之中。The DAO曾是以太坊社区的一个去中心化项目，2016年高峰时吸引了流通中14%的ETH，然而The DAO的智能合约代码中存在漏洞并被黑客攻击，损失当时超5000万美元。The DAO事件对社区的声誉与发展造成了不良影响，导致以太坊硬分叉为以太坊ETH和以太坊经典ETC两条链，超85%的社区成员迁移到撤销交易的ETH，少数成员留在ETC上不撤销交易。
在Metropolis阶段，ERC-20 Token标准和ERC-721 NFT标准进一步推动以太坊扩张。2017年，ERC-20提案提出后，开发者可以通过ICO筹集资金开发项目（类似股权众筹），Token持有者可以分享项目的收益。由于以太坊降低了ICO参与成本，更多资金参与到ICO中，带动ETH价格上涨，但泡沫最终在2018年破灭。无独有偶，ERC-721为NFT提供了技术基础设施，叠加明星产品、交易平台的推动，市场于2021年认知到NFT为元宇宙的基础通证，因此NFT市场也面临短期过热的局面。然而，抛开投机角度，从长远视角看，ERC-20和ERC-721二者是推动以太坊生态成长的里程碑之一，进一步奠定了公链作为元宇宙基础设施的基础能力。
图表：2016-2018年ICO募集资金量（百万美元）
资料来源：Autonomous NEXT，中金公司研究部
以太坊概况：合约层创新促进应用蓬勃发展
目前以太坊生态架构被分为四层：由下至上，分别是数据层、共识层、合约层、应用层（外部）。在区块链技术的基础上，上层应用体系由不同应用所编写的智能合约实现，而合约由EVM执行（EVM是以太坊抽象出的、运行在所有以太坊节点上的虚拟计算机），并通过共识机制保证不同节点间的一致性。
► 数据层：这一层的底座为区块（Web3.0最重要的基础设施，账本记录工具），其上包含了包括加密算法、账户、交易信息等其他数据层面的概念。
► 共识层：共识机制可以理解为全体用户对整条公链运行的信任载体（比如确定交易的产生及产生顺序等），同步不同节点的EVM状态。以太坊早期以PoW共识机制（即比特币开创的工作量证明机制）为基准，后期正在转变为PoS（权益证明机制），这一机制转换完成后将为提高以太坊的运行效率打下基础。
► 合约层：不同应用的执行操作被放在合约层，并且用户对合约层是信任的，信任来源在于不同应用的底层执行角色为智能合约（代码）。智能合约在分布式的EVM虚拟机上运行 ，并且EVM执行过程需要gas费用（gas可以理解为燃料，EVM运行代码需要消耗一定的资源）。
►应用层（外部）：整个以太坊相当于一个操作系统，其上的去中心化应用涵盖DeFi、NFT、GameFi等类型，同时不同的应用也有不同的组织类别，有些应用已经升级为DAO（去中心化自治组织）形态。需要注意的是，以太坊本身不开发任何应用，而基于其开发的应用是以太坊生态重要组成部分。
图表：以太坊生态架构
资料来源：Bitpush，中金公司研究部
图灵完备的EVM是以太坊交易运行的基础，是相对比特币的重大改进。相比于比特币，以太坊最大创新之一就是推出了EVM，是一个运行在所有以太坊客户端的图灵完备的虚拟机（通过软件模拟的完整计算机系统，理论上可计算任何可计算问题），以作为智能合约的执行环境。矿工收到交易代码后，在本地的EVM副本上运行这笔交易，执行成功则将结果添加到本地的区块中。不同节点通过共识机制对区块上链的内容及时间顺序达成共识，交易最终才被写入以太坊的区块链上。
智能合约是区块链应用的执行代码，是开发者开发去中心化应用的脚手架。智能合约是位于以太坊区块链上一个特定地址的一系列可执行代码和数据，可以使用类似Java的solidity语言编写。代码在区块链上是公开透明、不可篡改的，任何人都可以检查，应用的日常运营均通过智能合约的代码自动强制执行。智能合约相当于从最底层将对复杂的“人和事”做了一次逻辑上的深度简化，打造出Web3.0生态简单而独特的信任机制——信任程序执行，不可篡改的程序执行操作是一视同仁的且公平公正的。
图表：智能合约执行过程
资料来源：DCX Learn，中金公司研究部
为了避免恶意或错误程序阻塞以太坊交易，以太坊引入了gas机制。所谓 gas是每笔交易消耗的“燃料”，以“Gwei”（以太单位）为单位，需要用原生代币ETH在交易前支付，交易过程中产生的gas一部分被销毁、一部分被付给矿工作为小费，剩余部分在交易完成后返还。当gas耗尽时，若交易未完成则返回交易未执行前的状态，从而保证某个交易一定会结束。Gas机制一方面可以避免程序进入无限循环浪费系统资源的问题，另一方面为以太坊代币ETH定义最基础的使用场景——支付交易手续费。由此ETH并不是传统意义上的股票，从Gas角度看更像某个经济系统中的“货币”。
图表：EVM的作用与gas机制
资料来源：Ethereum，中金公司研究部
从整个以太坊网络交易费用来看：2Q22以太坊交易费用总额为12.77亿美元（产生的Gas费用），同比减少33.4%，减少的原因在于2Q22加密货币市场进入冷静期，相关的交易量大幅减少。同时，由于EIP-1559提案的实行（ETH销毁机制），2Q22相比2Q21出现了10.93亿美元的销毁值，同时叠加2Q22加密市场情绪下滑（产生的区块数降低，区块奖励减少），因此ETH通胀率同比有明显的下滑。
图表：以太坊财务数据对比[4]
资料来源：Bankless，中金公司研究部
以太坊应用生态的繁荣：ERC-20标准催生大量以太坊上的衍生应用，ERC-721标准将NFT纳入到生态中。以太坊的征求意见稿（ERC）在社区投票通过后，将被写入以太坊标准中。著名提案有——ERC-20同质化Token标准定义了代币的命名、创建、交换、总供应和其他属性，意味着允许应用产生自己的代币。大量的去中心化应用开始在以太坊上涌现，尤其是DeFi应用。ERC-721非同质化代币NFT标准则定义了NFT的独一无二的ID、创建、命名、交换和其他属性，从此NFT可以接入到以太坊生态中，如在交易所交易、在以太坊钱包中显示等。截至2022年8月，以太坊生态总应用数量达到2970个，合约数量达到4900个，显著领先其他生态。
图表：不同区块链DApp数量
资料来源：stateofdapps，中金公司研究部；注：记录于2022年8月22日
以太坊的升级：更绿色、更安全、更高效
以太坊正在升级与其本身发展目标契合即更绿色、更安全、更高效。Vitalik在2022年7月21日的EthCC上再次宣布了以太坊未来路线图，升级路线总共按照五步进行：“The Merge”已于2022年9月15日左右进行，共识机制由PoW转向PoS，为接下来的分片扩容打下基础；“The Surge”阶段以太坊将通过分片技术增强扩展性，使得每秒交易量TPS可达到10万，以太坊基金会预计在2023年上线；后续的“The Verge”、“The Purge”阶段将引入新的数据结构、降低以太坊的硬件需求（减少网络阻塞）；“The Splurge”阶段将继续升级，提升整体使用体验，比如最终采用ZK-SNARK（零知识证明）。短期来看，近期目标以“The Merge”（转共识机制）和“The Surge”（分片）为主，Vitalik称最终可以实现用户使用普通PC和手机加入以太坊。
图表：以太坊未来路线图
资料来源：ETHCC，中金公司研究部
即将发生的The Merge：为什么要转向PoS？
传统以太坊采用PoW共识机制。区块链采用的是分布式的记账，不同节点可能由于收到交易信息顺序不同而不一致，因此需要一套共识机制来确定“谁来记账”并进行确认。而PoW（Proof of Work，工作量证明机制）和PoS（Proof of Stake，权益证明机制）就是共识机制中的两个类型。PoW的核心在于，矿工通过解题（区块上一个易验证但不易计算的数学问题）来争夺记账权，争夺成功的矿工成为验证者，记账成功则可以获得出块奖励和gas费用。PoW一方面给加密货币带来了去中心化与安全性——恶意篡改节点需要拥有全网51%以上的算力；但另一方面带来了很大的能源消耗——解题需要耗费大量的算力，且容易被拥有大量高性能矿机的矿池主导。
The Merge后，以太坊彻底转向PoS共识机制。参与验证的节点质押所持有的ETH，系统随机选取一个节点成为验证者来进行记账，记账结果由其余验证节点投票通过即可上链。当验证者被发现有恶意行为或不作为时，该节点将失去所有质押的ETH，因此使得攻击整个系统的成本更高。实际上，采用PoS的以太坊信标链已于2020年12月上线，作为以太坊PoS共识的试验田，标志着以太坊进入Serenity阶段。2022年9月中旬转为PoS的“The Merge”完成后[5]，现存的以太坊主网将作为新以太坊的执行层，负责处理交易和数据；信标链作为共识层，为执行层结果提供共识和安全性，两者真正合二为一，以太坊进入PoS机制时代。
图表：PoW共识机制运行过程
资料来源：Ethereum，中金公司研究部
图表：PoS共识机制运行过程
资料来源：Ethereum，中金公司研究部
PoS在安全性、可扩展性、效率和绿色环保性上超越PoW，且是以太坊扩容重要前提。1. 安全性：PoW存在相对集中的矿池，容易被攻击，PoS的验证者是随机产生的，且一旦发现作弊将失去所有质押的ETH，惩罚力度大，因此PoS攻击的难度更高；2.可扩展性：PoS不再需要用户购买昂贵的矿机，因此验证者的准入门槛降低，去中心化程度提高；3.绿色环保性：同样，PoS由于不再需要矿工解题，验证者由质押ETH产生，可以降低资源的消耗。根据以太坊基金会显示，PoS可以使区块链的能源效率提高99.95%。4.为未来扩容做准备：基于PoS的共识机制将成为下一个Surge阶段分片的核心步骤，作为基础设施为Rollups提供服务（方便链下扩容），同时也为分片奠定基础（服务链上扩容），而后一步将显著提升以太坊交易速度和降低交易成本。
但PoS也可能存在使得富者越富的问题，主要是因为PoS的随机选举成功率与质押金额有一定的正相关关系；此外，PoS的共识机制也相对年轻，其抗攻击能力有待验证；PoS执行起来也相对复杂，验证节点需要运行三个部分程序参与验证。
图表：PoW和PoS优缺点对比
资料来源：Dcard，Ethereum，中金公司研究部
下一步The Surge我们可以期待什么？
以太坊面临不可能三角。去中心化、安全性和效率是掣肘以太坊发展的不可能三角。由于其在初期阶段更看重去中心化和安全性，由此其处理交易效率相对较低，以太坊目前每秒能处理的交易数（TPS）只有15-20笔，因此以太坊为人诟病的问题一直是效率太低，gas费用太高，故扩容问题亟待解决。目前以太坊社区公认的在保持去中心化和安全基础上，扩容的思路主要出自L1分片和L2扩容，其中L1指的是以太坊主链；L2指的是在以太坊主网上衍生的二层网络。L1的拓展意味着直接在以太坊主链上通过分片提升处理的速度；此外就是通过设置L2为以太坊扩容，其中又有状态通道、Plasma、Rollups等技术思路。
The Surge的核心操作在于进行L1的链上分片，这是将以太坊效率显著提高的重要环节。在这个环节进行之后，L1将变成能力更强大的基础层；未来主链与L2（如Rollups方案）强大的计算能力结合，二者可以共同提升以太坊整体效率和性能。在拥有可扩展性的同时保持去中心化和安全。在以太坊完成这一整套升级之后，TPS可以从原先的平均约15笔，提升到10万笔。
图表：L0、L1、L2结构图
资料来源：polkadot，ethereum.org中金公司研究部
L1分片如何操作？简而言之，分片就是将任务拆细后分给不同的人进行处理，其是计算机数据库领域一个通用概念，可以显著提升数据处理效率，提升以太坊每秒交易数量。同时可以进一步降低每个节点需要承载数据量，进一步降低以太坊生态进入门槛。L1分片与Layer 2 Rollups共同推动以太坊交易扩容，但技术操作难度非常大。由于分片方案的复杂性和安全性，以太坊基金会一直在调整计划，由原来的“采用64条链并行处理交易”方案修改为最新的“Danksharding”方案——采用“中心化出块+去中心化验证+抗审查性”的思路，是一种抽象的分片，预计将于2023年落地。
图表：以太坊的分片方案[6]
资料来源：vitalik.ca，中金公司研究部
L2扩容如何操作？L2其实是在以太坊在The Surge前就已经存在的扩容方案，并且已有大量的交易在L2上进行，运作方式为L2进行交易的计算和验证，并将验证完成的多笔交易和证明结果记录到以太坊主网上。目前被认为最先进的方案是Rollups，在以太坊主网完成The Surge后，L2中的Rollups方案将成为以太坊扩容的中心（由于L2承载了大部分的交易，因此其必定随着L1扩容而扩容，且幅度更大）。
• Rollups目前有基于欺诈检测的Optimistic Rollup、基于密码学理论的ZK Rollup等，总的来说ZK Rollup在安全性、拓展性和可验证最终性上优于Optimistic Rollup，因此呼声更高。
图表：Rollup方案对比
资料来源：stakingrewards，中金公司研究部
除了L2以外，另一种过渡性的解决方案是侧链（side chain）。侧链诞生的时间比L2要更早，其是独立的区块链，有自己的共识机制和安全属性，与以太坊（主链）兼容，典型案例为采用PoS的以太坊侧链Polygon。侧链给出的扩容思路是将主要的计算搬到另一条新区块链上，而将计算验证后的交易结果写入主链。这就在早期为NFT和GameFi（基于区块链的游戏）这种需要大量快速小额交易的需求提供了快速且较为安全的平台。
但侧链与L2的区别就在于：L2继承以太坊主网络的安全性，而侧链依赖于自己的安全性。从这个维度来看，L2未来的安全性将高于侧链，因为以太坊的网络更加庞大、稳定。侧链一般都采用减少验证点的思路提高效率，这就带来了安全隐患，例如GameFi著名项目 Axie Infinity，其基于侧链Ronin运行游戏产生的交易，但Ronin仅使用9个节点验证，攻击者设法控制了其中5个节点的私钥，盗走约6.2亿美元的ETH。基于此，侧链的安全性很难和以太坊匹敌，因此很可能只是在Surge之前的过渡解决方案。
图表：Polygon侧链示意图
资料来源：Polygon，中金公司研究部
其他公链：群雄逐鹿时代
EVM生态：复用以太坊的便利性
EVM生态将以太坊作为中心，以EVM兼容链延展生态。去中心化生态通常采用总锁仓价值（TVL，即合约中存放的加密资产总价值）来衡量项目的热度与实力，TVL高说明参与沉淀到项目中的资金多，目前以太坊的TVL排名第一。针对以太坊在未进行升级之前存在gas费用过高、交易速度过慢的痛点，一些开发者选择依托强大的EVM开发出兼容以太坊的新链来解决这些问题：一种方法如Avalanche、BNB chain选择建立多条并行的链，其中一条链为EVM实例来执行智能合约；另一种方法如TRON、Fantom则是分叉自以太坊的代码来兼容EVM，并按自身场景需求对EVM加以改造。兼容EVM可以快速“拥有”以太坊应用和开发者生态，开发者可以0成本迁移到相应公链，从而迅速扩大自身生态圈；依托以太坊繁荣的DeFi生态，可以加速获得加密资产的沉淀，以提升自身的价值。
EVM兼容链——以BNB chain为例
BNB链是Binance（币安）建立的EVM兼容链，快速且交易费用低。BNB是Binance 2017年在以太坊上发行的ERC-20 token，总量限定为2亿枚且会定期回购销毁，用户持有BNB可以降低在币安上交易的手续费。随着BNB生态的发展，币安于2019年推出了以BNB作为原生代币的币安链Binance Chain，以满足Binance DEX高吞吐量、低延迟、低交易费用的需求，但缺少智能合约功能。2020年9月，币安又推出了分叉自以太坊的币安智能链BSC来实现智能合约的功能。2022年2月，币安链（更名为BNB信标链，作为质押和投票的治理专用层）和币安智能链（更名为BNB智能链，作为EVM执行层）发展成一个统一的模块化系统，统称为BNB链。
图表：BNB链的发展历程
资料来源：Binance Academy，中金公司研究部
BNB链上生态大头由DeFi构成，近期也在通过侧链推进其他领域的应用。BNB链上TVL前50的应用均为DeFi领域，如分叉自Uniswap的去中心化交易所Pancakeswap、借贷平台Venus等，且BNB链的DeFi生态系统高度依赖于DEX的成功，DEX约占整个BNB生态系统总锁仓价值的50%左右。
BNB的缺陷在于其非常依赖币安平台，不够去中心化。BNB代币的功能（如质押、链上治理投票、提供流动性等）大多和币安平台挂钩，且BNB的验证节点比较中心化，共识机制为21个“受信任”节点的权益证明（Proof of Stake Authority，简称POA）。BscScan数据显示，近30天总共有49位验证者参与到BNB的区块产出，区块几乎全部由Top21的验证者产出。
图表：BNB近30天有49位验证者，区块几乎全部由Top21产出
资料来源：BscScan，中金公司研究部；注：记录于2022年8月25日
非EVM公链生态：筚路蓝缕，自力更生
抛开以太坊，也存在一些公链选择从头开始，不以EVM为基础。这样做的好处是历史包袱轻，可以尝试新的想法和技术从而实现低费用和高扩展性，但缺点在于无法直接利用以太坊现成的智能合约。为了能与 EVM生态交流，这些公链一方面尝试用跨链桥连接到以太坊上的资产；另一方面也在尝试EVM上的智能合约移植方案，将solidity编写的合约部署到非EVM公链上，如NEAR的Aurora协议。
Cardano：追求安全的偏学术风格的公链
Cardano创立于2016年，由以太坊创始团队成员之一Charles Hoskinson创建，其学术风格主要体现在函数式的开发方式、PoS共识先驱和形式验证上。Cardano使用函数式编程语言Haskell开发，这种语言运行时更具确定性，出错概率低，但也比较复杂，鲜有工业界应用。Cardano于发布时便计划直接采用PoS共识机制，而非PoW（这在当时是非常先进的）。Cardano的开发者也首先设计了通过形式验证的PoS算法[7]，用数学的方式论证了其PoS算法的正确性与安全性，并接受同行评审。[8]
图表：Cardano的发展历程
资料来源：Cardano.org，中金公司研究部
Solana：追求极致高效
Solana是一条追求快速高效的公链，可承载的短时交易量媲美VISA。Solana创立于2017年，技术特色在于尝试引入新的PoH机制（历史证明机制）加快共识达成速度增加TPS，从而降低平均交易费用，并有一些辅助的技术提升区块链的去中心化程度和安全性。
图表：Solana的理论TPS媲美VISA
资料来源：万得资讯，中金公司研究部
图表：Solana的交易费用
资料来源：Solana Daily，中金公司研究部；注：统计于2022年9月10日
PoH + PoS共识机制结合，加快共识达成速度。在Solana的PoH机制设计中，首先选出一个不负责验证的节点leader，所有交易信息要经过leader排序，同时leader会串行地计算出每笔交易与之前交易的哈希值并产生区块，其他节点从leader处获取到区块，可以并行验证区块上数据是否一致，从而提高了效率。排序的leader通过PoS选举出来的，如果产生意见分歧就重新选举leader，同时集群通过轮换leader来最大限度地减少恶意leader的影响。
图表：Solana共识模型
资料来源：Solana白皮书（2018），中金公司研究部
Polkadot：提供跨链可组合性
Polkadot作为创新型L0级别公链，目的是连接多个区块链形成区块“网”。Polkadot是Web3基金会的主要项目之一，2020年5月上线主网，其创始人Gavin Wood也是原来以太坊的创始人之一，原生代币为DOT。Polkadot的作用主要处理跨链互通、可扩展性、共享安全的问题，实现了不同区块链之间的跨链通信，为分散的区块链世界建立起统一的生态系统。
图表：Polkadot与以太坊的对比
资料来源：polkadot.network，ethereum.org，中金公司研究部
Polkadot是一个可伸缩的异构多链系统，提供了跨链的可组合性。Polkadot与其他公链最大的差别是架构上的：与通常的区块链实现不同，Polkadot本身被设计成不提供任何内在的功能应用，而是提供了一个中继链来托管大量可验证的平行链，二者通过“插槽”连接。比喻来说，中继链类似一个“插线板”，而插槽则类似于插线板上的“插口”，不同的公链作为“电线”插入Polkadot网络。Polkadot采用PoS机制来保证中继链的安全，验证者需如实报告平行链上的交易，否则将失去质押的DOT。平行链可以是智能合约，也可以是比特币或以太坊等外部区块链。平行链之间也可以通过中继链来进行交互操作，例如将比特币链上的交易信息同步给以太坊上，而不需要跨过桥进行包装操作。
图表：Polkadot网络模型
资料来源：okx，中金公司研究部
Polkadot还为开发者提供了构建区块链的框架Substrate，帮助开发者“一键发链”。区块链开发者可以基于Substrate可以快速建立自己的区块链，免去构建底层网络、共识机制的繁琐工作，专注于业务功能的开发。如果说以太坊通过智能合约帮助开发者可以“一键发币”，那么Polkadot则是利用其架构帮助开发者“一键发链”。
新特色公链：Aptos、Sui[9]
在传统公链逐渐走向成熟的同时，拥有特色技术及创新架构的公链也继续作为“后浪”而带来新的风气，采用模块化、并行处理等继续提高公链性能（高TPS，低Gas），典型案例为Aptos、Sui等。
► Aptos由Meta稳定币项目Diem（原Libra）前团队成员发起的公链项目。其核心特征为：1.在共识机制中新增创新信誉系统，当验证者无响应时可自行改变领导者；2.新技术方法Block- STM（内存智能合约并行执行引擎）使得TPS大幅提高；3.采用Move编程语言，这种语言对DeFi交易尤其能提高其安全性。
►Sui是Mysten Labs（团队来自Meta稳定币Diem以及Novi钱包项目）推出的公链。与Aptos相类似，Sui也在共识机制、采用Move语言上做出了改良，但Sui的特点在于其SDK尝试连接多种形态，比如为包括游戏、社交、商业在内的广泛元宇宙应用扩展可组合和动态NFT。
未来趋势：预计未来将逐步形成多极共存格局
不同公链生态对比：一超多强，多元发展
我们在第二章和第三章分别系统性分析了以太坊以及其他公链，我们将从总锁仓量（显示用户在生态繁荣程度）、交易速度（生态的“带宽”）、交易费率（生态的“税率”）、应用数量和融资情况等方面对不同的公链进行对比。
从总锁仓量上看，以太坊占据生态的领导地位。锁仓量（TVL）是在任何一个去中心化应用生态中用户质押的加密货币总价值，其背后反映的是用户对该应用的信任程度，以及该应用的流动性充裕程度等，因此是评价公链应用生态发展成熟度重要指标。根据DefiLlama显示的2022年9月的总锁仓价值排名，EVM相关的代币占比较高，其中以太坊占近60%，虽然其自身占比在下降，但EVM系仍然占据绝对优势，Top10公链中仅Solana非EVM公链。以太坊凭借智能合约理念的先发优势以及社区成熟度的不断推动，使EVM成为智能合约事实上的标准，整体生态优势显著。
图表：总锁仓价值占比变化
资料来源：DefiLlama，中金公司研究部；注：统计于2022年8月31日
从交易速度上看，以太坊作为早期公链，当下效率相对较低，后起新秀的效率有不同程度提升。以太坊创立时间较早，虽相比比特币在速度上有一定提升，但TPS（每秒交易笔数）的速度在今日看则稍显落后，因此要维持生态领先地位，以太坊交易扩容是必经路径（以太坊基金会预计2023年落地）。EVM系其他公链中，有的尝试修改EVM，在去中心化和可扩展性之间重新权衡（BNB、TRON）以提升出块速度；有的试验Layer-2技术，提升以太坊的并发性（Optimism、Polygon）以实现高吞吐量。非EVM公链则往往自称“以太坊杀手”，跳出EVM的限制与历史包袱，利用新算法构建高效的交易逻辑（Solana、Cosmos）。
从交易费率上看，公链交易费率与交易效率有一定反比关系。以太坊每个区块都有设定gas上限，以防矿工阻塞其他节点，因而网络繁忙时gas价格较高。其他公链则通过加快出块速度从而使单笔的交易费用更低，或将多笔交易打包成一个大的交易来降低单笔交易费用。
图表：各公链理论TPS
资料来源：Messari，中金公司研究部；注：统计于2022年9月1日
图表：各公链平均交易费用
资料来源：Messari，中金公司研究部；注：统计于2022年9月1日
从应用生态成熟度上看，以太坊的应用生态最成熟。以太坊拥有充足的先发优势，其提供了完备的基础设施，吸引了最多的开发者和用户，形成了生态内的正反馈效应。EVM系其他公链则以较低的迁移成本与交易费用，以期吸引以太坊上的应用生态，且又进一步强化了以太坊生态的优势。而非EVM系公链用跨链桥连接EVM之上的资产，并尝试通过如Solana的Neon、NEAR的Aurora等项目将Solidity编写的部分智能合约运行在公链上。当下从公链应用数量来看，以太坊展现出“一骑绝尘”的态势。
图表：不同公链应用数量
资料来源：stateofdapps，中金公司研究部；注：统计于2022年9月1日
以太坊生态优势显著。复盘Intel的CPU和Windows成为PC行业核心标准，以及苹果iOS成为移动时代重要行业标准，我们发现系统的性能从来不是其最终市场地位的唯一要素。是否能成为被广泛接受的操作系统最终由切入时机，性能，品牌认知程度，渠道能力，安全性、便捷性、应用成熟度、价格等多方综合组成的生态优势而决定。基于以上分析，即使以太坊当下在交易速度、费率等环节存在一定短板，但基于其已经建立其显著生态优势，以及以太坊持续推荐的升级进程，我们认为其优势有望在可见的未来得到持续。
图表：公链生态对比总表
资料来源：Etherscan，Polygonscan，BSCscan，Solscan，defillama，中金公司研究部。注：TPS、总锁仓价值记录于2022年9月1日
未来趋势展望：逐步形成多极共存格局
展望未来，我们认为公链大概率会是多极共存格局。这就涉及两个方面的判断：为何不是完全垄断格局以及为何不是完全竞争格局。
为什么不是分散的完全市场竞争格局？
►公链本身有很强的网络效应和规模效应。如果把公链比喻成为“操作系统”，其定义了行业软件和应用的统一标准，对于开发者可以最最低成本获取更多用户，这些都天然预示着龙头拥有充足的网络效应和规模效应。
► 从博弈论角度来看，公链规模更大对每个Token持有人都是好事。公链的规模发展壮大对于每位参与者都是好事（大家持有的Token都会升值，能够享受到更好的应用服务等），因此头部公链会天然吸引大量人群加入，这样就导致理论上的“强者恒强”。
为什么不是完全垄断格局？
► 从开发角度来看，开源的代码也意味着开发成本的降低。整个公链生态都是开源的，因此在技术门槛和制度设计上没有显著的壁垒，任何人只要有能力都可以开发自己的公链。
► Web3.0的fork（分叉）机制：分叉机制是Web3.0去中心化思想最重要的体现之一，一般发生在公链进行重大决策时，一旦用户对原链决策不满，不同意该决策的用户可以完全复刻一条新链来维持原来的共识，给了用户最后选择的权利。典型案例为ETC（以太坊经典）和ETH（以太坊）两个fork生态，预示着相对传统操作系统——手机端的双强局面（iOS和安卓）和PC端的垄断局面（windows），未来Web3.0的公链体系或将会更加分散。
以太坊占据较高市场份额，Web3去中心化理念并不矛盾。按照以太坊创始人Vitalik的定义，如果将去中心化分成建筑、组织和逻辑三个维度来看，以太坊本身只是在逻辑上实现了中心化，而在建筑上（打破地理位置限制）、组织（权力分布）上的去中心化：以太坊不是归任何个人所有，而是所有参与者的公用基础设施。且其产品核心逻辑和理念就是去中心化。因此，即使以太坊本身形成一定市场地位上的“垄断”，最后所得的利益也并不会归结于某个人或者某家具体的公司，因此不存在对参与生态的用户利益的挤压。
图表：不同的中心化类型
资料来源：Vitalik Buterin 《The Meaning of Decentralization》(2017)，中金公司研究部
风险提示
当然，整个公链体系还在探索过程中，仍然存在诸多风险和不确定，我们总结主要以下几点：
► 政策监管风险：公链的Token仍然有被认定为证券需要接受相关行业更严格监管的风险，会给整个生态带来一定不确定性。
► 决策机制仍然存在被操纵可能性：公链决策权最终可能掌握在少数富豪手里（因为拥有更多的Token），这一点可能导致贫富差距进一步增加，且不同阶层不平权。
►系统安全性仍待加强。由于公链底层交易属性使得其必然成为黑客攻击重点目标，由此不断提升安全性，将是公链生态最终成功重要指标。
►经济动机过强：基于Token的经济体系是Web3核心创新，但如果其执行过度，也容易带来问题。比如动机单一，目前仍以经济激励为主，责任感、荣誉感、道德约束在体系中暂时难以体现。
►社会发展整体考量相对较弱：通过Token分配，Web3应用可以提前考虑类似科研、环保、基础设施建设等对社会整体利好，但对个人利益并没有直接利好的投资。然而，在加密经济体中，事物的外部性仍然较难被发现，这就导致人们无法对具有正外部性的操作做出良好的决策、对具有负外部性的操作加以限制，从而影响系统可持续性增长。
[1]https://blockchain-society.science/?p=940
[2]https://medium.com/borderless-capital/introduction-to-tokenomics-c7af75c09bfe
[3]https://papers.ssrn.com/sol3/papers.cfm?abstract_id=4105763
[4]https://newsletter.banklesshq.com/p/state-of-ethereum-report-q2-2022
[5]https://blog.ethereum.org/2022/08/24/mainnet-merge-announcement
[6]https://vitalik.ca/general/2021/12/06/endgame.html
[7]Kiayias,2017,Ouroboros:AProvablySecureProof-of-StakeBlockchainProtocol, https://eprint.iacr.org/2016/889.pdf
[8]Buterin, 2020, Combining GHOST and Casper, https://arxiv.org/pdf/2003.03052.pdf
[9]https://www.chaincatcher.com/article/2077776
文章来源
本文摘自：2022年9月21日已经发布的《Web3.0社区底座，以太坊升级在即》
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