以太坊“合并”（The Merge）是以太坊发展史上里程碑式的事件，它标志着以太坊网络从工作量证明（Proof-of-Work, PoW）机制向权益证明（Proof-of-Stake, PoS）机制的平稳过渡，这一变革不仅将显著提升以太坊的可扩展性、安全性和可持续性，还将大幅降低其能源消耗，本文将详细拆解以太坊合并的完整流程，帮助读者理解这一复杂而又关键的技术转型。

合并的背景与意义：为何需要合并？

在合并之前,以太坊主网（执行层，Execution Layer）运行着工作量证明共识机制，依赖全球“矿工”们通过大量的计算能力竞争出块权，这导致了巨大的能源消耗和高昂的交易费用，同时也限制了网络的扩容潜力。

权益证明机制则通过验证者（Validators）质押ETH来参与共识，根据其质押份额和在线时间获得奖励，惩罚恶意行为，PoS机制被认为更高效、更安全、更环保，是以太坊实现“信标链”（Beacon Chain）愿景和未来升级（如分片）的基础。

合并的核心目标是将原有的PoW执行层与新的PoS共识层（信标链）整合，使信标链负责共识，执行层负责处理交易和智能合约，共同构成一个新的以太坊主网。

合并的核心组件：信标链与执行层

在深入了解合并流程前,需要先了解两个核心组件：

  1. 信标链（Beacon Chain）：于2020年12月启动，是以太坊PoS共识层的核心，它引入了验证者、质押、插槽（Slot）、 epoch（纪元）、证明（Attestation）、提议者（Proposer）、 attester（见证者）等关键概念，信标链本身不处理交易，只负责维护共识状态，协调各个验证者，确保网络的一致性。
  2. 执行层（Execution Layer）：即合并前的以太坊主网，负责执行交易、处理智能合约状态变更，并生成新的区块体（Block Body），在PoW时代，它由矿工负责出块；合并后，将由信标链指定的验证者（作为提议者）负责出块。

合并前的准备：信标链的运行与验证者质押

信标链自启动以来,已经独立运行了近两年时间，在这期间，全球数万名验证者通过质押至少32个ETH参与到信标链网络中，负责验证区块、投票 attestation，并维护网络的安全，这些验证者的存在是合并能够顺利进行的前提，因为他们将在合并后承担起以太坊共识的重任。

合并的触发条件：何时发生合并？

合并的触发并非依赖于一个固定的区块高度或时间点,而是基于信标链和执行层之间的“同步”，当执行层（原PoW主网）的客户端（如geth, nethermind等）能够通过“Engine API”与信标链客户端（如prysm, lodestar, teku等）进行通信，并且信标链能够为执行层提供有效的“randao混合值”（用于确定出块提议者）时，合并条件即满足。

这个过程可以理解为：执行层“听信标链的话”，信标链告诉执行层“现在是哪个出块者，该出什么区块了”，一旦这种协调机制建立，合并便会在下一个合适的“插槽”（Slot）发生。

合并的核心流程详解

合并过程可以分解为以下几个关键步骤：

  1. 最终区块（Final PoW Block）：

    • 在合并发生前,PoW矿工会继续正常出块，这些区块会被信标链的验证者通过“检查点”（Checkpoint）机制进行验证和确认。
    • 最后一个由PoW矿工成功出块并被信标链验证的区块,被称为“最终PoW区块”（Final PoW Block），之后，PoW矿工将不再能为以太坊主网提供新的区块。

  2. 过渡区块（Transition Block / Merge Block）：

    • 紧随最终PoW区块之后的第一个区块,过渡区块”或“合并区块”，这个区块的出块不再是PoW竞争的结果，而是由信标链根据PoS共识机制指定的验证者（作为“提议者”/Proposer）产生的。
    • 过渡区块的头部会包含一个特殊的“合并标志”（merge flag），并引用最终PoW区块和信标链的最新检查点，从而将执行层和共识层的历史连接起来。

  3. 信标链接管共识：

    • 从过渡区块开始,以太坊网络的共识机制正式从PoW切换到PoS，信标链成为共识的唯一权威，负责：
      • 选择出块提议者：基于验证者的质押余额和randao混合值，在每个区块开始前（每个Slot）随机选择一个验证者作为该区块的提议者。
      • 分配验证任务：为其他验证者分配验证（Attestation）任务，让他们对当前区块及其祖先区块的有效性进行投票。
      • 达成共识：通过验证者的投票和最终的“证明”（Attestation）聚合，确保网络中所有节点对区块链的状态达成一致。

  4. 执行层与共识层的协作：

    • 合并后,执行层客户端（如geth）不再负责共识，而是通过Engine API与信标链客户端通信，它接收来自信标链的出块指令（包括随机数、父区块哈希等），负责打包交易、执行智能合约，并将产生的区块体提交给信标链指定的提议者。
    • 信标链客户端则负责维护共识状态,验证提议者产生的区块是否符合共识规则，并将共识信息同步给执行层。

  5. 状态同步与最终性：

    • 合并后,新的区块会按照PoS的节奏持续产生（每个Slot约12秒，但出块间隔可能因网络状况略有不同）。
    • 信标链的“检查点机制”提供了“最终性”（Finality），一旦某个检查点被足够多的验证者投票确认（通常为2/3以上的质押ETH），该检查点及其之前的所有区块就被认为是最终确定的，不可逆转，这相比PoW的“概率性最终性”是一个巨大的进步。

合并后的影响与展望

  1. 能源消耗大幅降低：PoS机制摒弃了高能耗的挖矿过程，预计以太坊的能源消耗将减少约99.95%。
  2. 安全性提升：攻击者需要控制网络中超过1/3的质押ETH才能进行恶意攻击，成本极高。
  3. 为扩容铺平道路：合并是以太坊“三大升级”（合并、合并后 Surge、Verkle、Sharding）的第一步，为后续的分片技术（Sharding）等扩容方案奠定了基础，有望显著提升以太坊的交易吞吐量（TPS）和降低交易费用。
  4. 质押生态发展：验证者角色的重要性凸显，质押ETH参与网络维护将成为以太坊安全的重要支柱，相关的质押服务和工具也将持续发展。
  5. 矿工时代的终结：PoW矿工将停止为以太坊提供算力，相关的矿机和挖矿业务将转向其他PoW链或面临转型。