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历史重演？详解以太坊2.0与硬分叉

22-08-10 10:00

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原文标题：《历史重演？详解以太坊 2.0 与硬分叉》

原文作者：菠菜菠菜，Buidler DAO

「The Merge」正在到来

以太坊 2.0 的升级自 Vitalik Buterin 在 2013 年发布「下一代智能合约和去中心化应用平台」—以太坊白皮书以来就一直热议不断，在经历过数次跳票后，以太坊终于要迎来具有历史性意义的「The Merge」升级，以太坊主网将和以太坊信标链进行合并并完成由 POW 工作量证明机制迁移至 POS 权益证明机制的转变，但「The Merge」只是一个开始，以太坊还将迎来「The Surge」、「The Verge」、「The Purge」和「The Splurge」等升级引入分片链并优化数据结构以及客户端成为最终版本。

「可以做发达之后处于守势的苹果，但绝对不能做固步自封的诺基亚」，共识机制的转变是以太坊在成为真正的」世界计算机「路上必须要经历的考验，尽管升级后以太坊的未来充满了未知，但以太坊迈出了在区块链发展中历史性的一步！

*本文章仅为个人分析，不构成任何投资意见，如出现不正确的内容欢迎各位指出

文章速览：

01/ 以太坊为什么要升级？

能源消耗问题

可扩展性问题

安全问题

公链竞争

02/ 以太坊 2.0 将会引来哪些重要升级？

以太坊的」协调者「—信标链

以太坊的「数据仓库」—分片链

POS 权益证明机制如何运行？

03/ POS 权益证明机制下的以太坊惩罚机制是什么样的？

有哪些惩罚机制？

如何检测到节点作恶？

04/ 历史重演？以太坊 2.0 升级面临硬分叉会发生什么？

现在的硬分叉与过去 ETC 分叉有什么区别？

以太坊 2.0 升级会出现多条硬分叉吗？

Miner 是否可以拆除难度炸弹？为什么难度炸弹会使得 Miner 更容易产生意见上的分歧？

TL；DR

POW 工作量证明机制下的以太坊正面临着能源消耗大、可扩展性低、算力越来越集中威胁网络以及高性能公链不断侵蚀市场的问题，进行扩容升级才能维持以太坊在公链中的霸主地位

正在与目前 POW 机制主链平行运行的 POS 机制信标链将会在」The Merge「升级后与主链合并并替代 POW 机制成为主链新的共识机制

分片技术可以将以太坊的数据放在 64 条分片链上进行处理，极大的提高了 TPS 处理速度，并且分片节点的硬件要求门槛很低，甚至可能实现在个人笔记本和手机上运行节点，使得网络节点更加去中心化

在 POS 权益证明机制下信标链将会根据币龄随机分配验证节点负责提议区块并需要通过三分之二网络节点的验证投票后才可出块，在极端情况下协议将会启动紧急状态解决无法出块的情况

POS 权益证明机制下的以太坊有两套惩罚机制：节点异常运作的惩罚（Penalties）和节点作恶要面临的削减（Slashing），削减（Slashing）惩罚更严重最高面临损失全部权益且会被驱逐出协议，而惩罚（Penalties）只是进行罚款

验证节点需额外运行 Slasher 节点才可以检测网络上的作恶行为，运行 Slasher 节点并没有利润可言属于利他行为，全网仅需一个诚实且正常运作的节点即可检测所有作恶行为

以太坊 2.0 升级面临的硬分叉与 ETC 分叉时情况不同，大量的不可复制资产如中心化稳定币等问题将会使得以太坊 POW 的分叉链陷入混乱，链上基础设施生态也可能会因为缺乏 POW 链预言机的运行而导致无法正常运作，并且中心化稳定币的发行商在分叉的未来上有决定性影响

以太坊 POW 的分叉链将不会只出现一条，难度炸弹和其他因素可能使得 Miner 们出现分歧导致出现多条 POW 分叉链，最终大部分分叉链的结局可能都会随着时间而消亡

1. 以太坊为什么要升级？

能源消耗问题

POW 工作量证明机制最让人诟病的就是其能耗问题，大量的算力被浪费在了竞争出块权中，这意味着随着以太坊生态的不断壮大将会有大量的电力被浪费，下图显示了以 TWh/yr 为单位的各个行业的估计年能耗（检索于 2022 年 6 月），以太坊的总能耗约为 112 TWh/年已经高于 Netflix 每年的总能耗，POS 权益证明机制下的以太坊能耗方面比 POW 工作量证明机制降低了 99.5%，这使得以太坊更加环保的同时也更具有可持续性。

数据来源：ethereum.org

可扩展性问题

随着以太坊生态的不断完善和用户量不断增长，用户交互的需求正在不断增长，以太坊需要可以处理更多事务的能力，当前 POW 工作量证明机制下的以太坊 TPS 处理速度仅仅每秒 15-17 笔交易，当以太坊交互数量暴增的时候就会出现网络堵塞导致出现「GAS 战争」使得交互变得无比昂贵且确认交易极其缓慢，在「312」黑天鹅事件中 MakerDAO 就曾因为 GAS 费暴涨问题导致出现「零元购」，2017 年加密猫的爆红事件导致以太坊的网络拥堵甚至 GAS 费达到了以太坊历史最高的平均 GAS 价格 939.59 Gwei，这是极其昂贵的，没有人愿意在如此昂贵的 GAS 费下进行交互。

数据来源：etherscan

截止至 2022 年 8 月 4 日，此时的以太坊 GAS 费平均价格仅 18 Gwei，与 939.59 Gwei 相差 52.2 倍。

数据来源：etherscan

POW 工作量证明机制下的以太坊是不足以支撑起大量的交互请求的，这是以太坊要成长为「世界计算机」的最大阻力之一，以太坊 2.0 的升级可以很好的解决这个问题，在分片链开始上线后结合 Layer2 的 Rollups 技术理论上 TPS 的上限可以达到 10 万笔/秒，相比于 POW 工作量证明机制的 TPS 处理速度可以说是天差地别。

安全问题

对于 POW 工作量证明机制的以太坊来说，Mining Pool 的存在使得以太坊的算力呈中心化趋势且对以太坊的整体网络安全产生了威胁，POW 机制下攻击成本体现在设备以及算力的堆积上，当某人或者集体掌握了 51% 以上的算力就可以对以太坊发动「51% 攻击」且协议本身无法对这种情况起到有效抑制效果，但在以太坊合并转变 POS 权益证明机制后发动攻击的成本转变为了购买大量的 ETH 进行质押，在投入资产的同时协议还可以对发动恶意攻击的节点进行罚没资产，这种惩罚在工作量证明机制的运作下是无法实现的。

以太坊升级后安全模式会发生改变，因为引入了分片链。信标链将随机分配验证者到不同的分片上 - 这使得验证者几乎不可能通过攻击一个特定的分片来串通，从而攻击网络。在工作量证明模式的区块链中，协议无法控制并分配 Miner，所以分片在 POW 机制中无法获得如此高的安全性，这使得 POS 机制下的以太坊更具有安全性。

在分片链上线后人们可以使用笔记本电脑和手机就可以运行分片链客户端，这会鼓励更多的人成为验证者，增加网络的去中心化并减少攻击面。

图片来源：ethereum.org

公链竞争

公链作为区块链领域最重要的基础设施一直都是市场的焦点，以太坊作为龙头公链一直不断面临着许多号称「以太坊杀手」的新兴高性能公链的挑战，以太坊的 TVL 市场份额正在被不断蚕食，从 2021 年最高的将近 97% 的市场份额到目前降低到 59.05% 的市场份额，公链之间的竞争已经进入了白热化，POW 工作量证明机制下的以太坊已经逐渐无法适应时代的需求，以太坊能做的只有进行升级扩容才能维持住以太坊在多公链时代下的霸主地位。

数据来源：Defillama

2. 以太坊 2.0 将会引来哪些重要升级？

以太坊的「协调者」—信标链

信标链（Beacon Chain）是以太坊用来解决 POS 权益证明共识问题以及协调分片链的区块链，在 2020 年 12 月 1 日上线，目前正在与以太坊主链平行并独立运行着，它可以让 ETH 持有者质押 ETH 成为验证节点来替代 POW Miner，同时也可以在分片链上线后与分片链进行连接并进行协调工作向分片链随机分配验证者从而构成一个可以相互协作的整体，但信标链目前无法处理账户以及智能合约。

「The Merge」升级最重要的就是将信标链以及主链进行合并，合并后信标链上的验证节点将会替代所有的 POW Miner 负责整个以太坊的共识机制，并且主网将为 POS 权益证明系统带来执行智能合约的能力，向所有 ETH 持有人和使用者保证过渡顺利。

以太坊的「数据仓库」—分片链

以太坊分片链（Shard Chain）指的是创建多个新链/分片链来同时处理以太坊上的数据，从而达到减少网络拥堵、增加 TPS 处理速度以及降低 GAS 费的效果，分片链没有处理智能合约的权利，而是成为以太坊的」数据仓库「，分片链的验证者将会由信标链来负责随机协调分配，在分片链上线后，以太坊将切割成 64 个分片链来同步运行，理论上配合 Layer2 的 Rollups 技术可以使得以太坊的 TPS 处理速度达到 10 万笔/秒，这极大提高了整个以太坊的吞吐量，使得以太坊可以承载更大的生态以及用户量，分片技术将会在下一次升级」The Surge「中上线。

分片技术（Sharding）在理论上可以用来解决所谓的」不可能三角「问题，即可扩展性、去中心化、安全性。

可扩展性：分片链可以处理比单条链更多的事务，解决网络拥堵问题。

去中心化：分片链大大降低了硬件需求的门槛，使得人人都可以通过消费级笔记本电脑甚至是手机都可以运行分片链客户端。

安全性：信标链的随机分配机制使得攻击者无法将他们的力量聚集在一条分片链上，并且只要有一条分片出现坏块，一旦发现就会被丢弃，整条链都会避免这个坏块。

分片链如何与信标链连接？

分片链与信标链链接需要依靠交联 (crosslinks) 来进行实现，交联 (crosslinks) 是指将一个信标区块和分片区块连接起来并可以引用，同区块下分片区块会接受来自同区块的信标区块的哈希值，该信标区块的哈希值内包含了该信标区块接受到的所有交联 (crosslinks) 的哈希值，而在下一个区块中的信标区块将会接受来自上一个区块的分片区块的交联 (crosslinks) 并将本区块的信标区块的哈希值发送给同区块的分片区块，某些信标区块可能会丢失分片区块的引用，但是每个分片区块必须连接到信标区块，所以错过的分片区块可以交联 (crosslinks) 在下一个信标区块中。

由于信标链目前只支持 64 个分片，所以一个信标区块最多可以容纳 64 个交联 (crosslinks)，如果出现一个区块中有 63 个分片区块没有被提议出块的话，那么下一个信标区块将会出现只有 1 个交联 (crosslinks) 的情况，信标链就像以太坊的「颈椎」，所有的分片链都是连着这条以太坊的「颈椎」的」颈椎骨「。

POS 权益证明机制如何运行？

POS 权益证明是区块链用来实现分布式共识的一种共识机制，在 POW 工作量证明机制中，Miner 通过算力的堆积竞争出块权，而在 POS 权益证明机制中，Miner 通过质押的 ETH 数量来竞争出块权，Miner 需要质押至少 32 个 ETH 成为验证节点或质押任意数量的 ETH 参与联合质押来参与 Mining，当用户在分片上提交交易时，验证者将负责将交易添加到分片区块中，信标链通过算法伪随机选择验证者以提出新的块。

POS 权益证明机制如何进行验证并出块？

要作为验证者参与，用户必须将 32 ETH 存入存款合约并运行三个独立的软件：执行客户端、共识客户端和验证者，当验证者被选中进行出块时，该区块还需三分之二的总活跃验证者进行签名确认才可出块，从而保证以太坊的安全使得该区块具有「最终性」，因为不可能存在两个区块同时获得三分之二总活跃验证者的签名，当一个验证者没有被选中出块时，它们将参与验证另一个验证者的出块提议，并确认一切都正常。

关于出块时间，在工作量证明下，区块的时间由挖矿难度决定，而在权益证明中，速度是固定的。权益证明以太坊的时间分为插槽（Slot）和周期（Epoch），这决定了系统中共识的节奏，即每一隔 12 秒出一个插槽（Slot），每个周期（Epoch）包含 32 个插槽（Slot），即每隔 6.4 分钟产生一个周期，每个插槽（Slot）只能创建一个有效区块，每个插槽（Slot）中随机选择一个验证者作为区块提议者，该验证器负责创建一个新分片区块并将其发送到网络上的其他节点。

同样在每个插槽（Slot）中，信标链会随机选择一个由至少 128 个验证者组成的「委员会 (committees)」来对每一个分片区块进行证明，其投票用于确定所提议区块的有效性，「委员会 (committees)」验证者的数量不是固定的而是随着区块的变化而改变，每个周期过后，「委员会 (committees)」都由不同的、随机的参与者解散与改革，这有助于避免委员会中的不良参与者伤害到分片，「委员会 (committees)」除了验证投票之外，还需要负责将自己所在的插槽（Slot）中的分片区块尝试交联 (crosslinks) 某个信标链上的特定的信标区块。

通过观察信标链的区块链浏览器我们可以看到，下图详细信息显示该周期（Epoch）被 99.8% 的活跃验证者即总质押量 13,177,296 个 ETH 中的 13,150,835 个 ETH 的权益投票签名并出块，每个插槽（Slot）中的分片区块都由不同的验证者出块并经过三分之二以上活跃验证者的投票签名通过出块。

数据来源：beaconcha.in

POS 权益证明机制如何选择验证节点出块？

POS 权益证明机制的出块是由协议伪随机根据权益选择一个验证者来负责出块，验证者被选择出块的概率会随着质押的 ETH 数量以及币龄（CoinAge）的增长而增长，币龄（CoinAge）是 POS 权益证明机制下的一个参数，Miner 没有出块的时间越长，币龄越长（CoinAge）且被选中出块的概率越大，但当 Miner 被选中出块后币龄（CoinAge）将会归零并重新开始累积。

假设质押年收益率为 10%，老王质押了 100 个 ETH 成为节点进行 Mining，此时老王是币龄为 0，但是老王有 30 天没有被选择出块，此时老王的币龄为 30100=3000，那么如果此时老王被选择出块的话他的币龄会归零并根据区块奖励=币龄年利率/365 的公式获得 0.82ETH=3000*10%/365。

大致出块机制如下图，币龄只能增加被选中的概率，可能出现多次低币龄节点出块的可能性，但长期看质押 ETH 越多的节点越容易被选中，造成了越有钱越占优势的现象。

如果信标链一直无法出块怎么办？

在 POS 权益证明机制下的以太坊中，一个区块需要经过三分之二的验证节点投票通过才可以出块来确保区块的」最终性「，如果发生极端情况导致信标链一直无法通过三分之二的验证节点投票而使得以太坊陷入停滞该怎么办呢？

当发生这种极端情况时，以太坊将会启动一种紧急状态：不活动泄漏（Inactivity leak），这种紧急状态的触发条件为信标链连续四个周期（Epoch）都没有通过三分之二验证节点验证投票时，就会进入不活动泄漏（Inactivity leak）状态，进入这种状态后，协议将会减少未验证投票的节点权益，最终使得参与验证投票的节点的权益超过总验证节点权益的三分之二从而达到恢复信标链的正常运行。

3. POS 权益证明机制下的以太坊惩罚机制是什么样的？

有哪些惩罚机制？

在 POW 工作量证明机制中，Miner 如果对区块链数据进行修改只会产生一个自己的小分叉无法被集体共识认可，最终还是得和原区块链保持同步，虽然在没有 51% 算力的情况下对区块链数据进行篡改并不会对区块链产生影响，但 Miner 并不会受到任何惩罚，但在 POS 权益证明机制下的以太坊中，验证节点的不当行为将会受到来自协议的惩罚，惩罚大致分为两种：惩罚（Penalties）和削减（Slashing）。

惩罚（Penalties）和削减（Slashing）的区别在于，惩罚（Penalties）是由于验证节点一直不活动或者产生了不正确的证明而导致的处罚，但惩罚（Penalties）只会对验证节点的余额进行罚款并不会把该验证节点从协议中驱逐出去。

数据来源：beaconcha.in

而削减（Slashing）则是更为严重的一种惩罚机制，只有试图攻击以太坊网络整体稳定性的验证节点才会被进行削减（Slashing）处罚，在面临着最高损失高达所有权益的罚款的同时该作恶节点还会被驱逐出协议，通常被削减（Slashing）的情况分为：

作为提议者，在一个插槽（Slot）中提议出两个完全冲突的区块【如果只是简单的提议出两个相同的块则不会面临削减（Slashing）】

作为验证投票者，在一个插槽（Slot）中为两个完全冲突的区块都进行验证并投票，这被称为」双重投票「【如果是对两个相同的区块进行验证投票则不会面临削减（Slashing）】

作为验证投票者不按顺序进行」环绕投票「试图反对历史

如果作恶节点被进行了削减（Slashing）处罚，该节点将立即受到惩罚并不在进行验证，并将继续受到持续约 36 天的惩罚，并在 36 天后的某个周期（Epoch）之后才可以退出，惩罚的金额视作恶的严重程度而定，最高罚没所有权益。

如何检测到节点作恶？

验证节点本身并不会检测以太坊网络上的作恶行为，而是需要在通过运行信标链节点的同时再去运行一个叫 Slasher 的节点才可以具备捕获在以太坊网络中可罚没的犯罪行为的能力，Slasher 节点就相当于以太坊网络中的」警察「，为了检测节点作恶行为，Slasher 会记录网络上每个验证者的证明和提议历史，然后将这些历史与广播的内容交叉引用以查找作恶证据，但是运行一个 Slasher 节点并不一定会带来盈利，因为作恶行为并不常见且举报奖励并不高，并且运行 Slasher 节点需要消耗大量的磁盘空间且更加耗能，这意味着允许 Slasher 节点完全是一种利他行为，但是理论上整个以太坊网络只需要有一个诚实的，功能正常的 Slasher 节点在运作就可以发现所有的作恶行为。

当允许 Slaher 的验证节点发现作恶行为时，该节点会把作恶证据打包进发生作恶的插槽（Slot）中并对作恶节点发起削减（Slashing）处罚，下图例子中我们可以看到，作为验证投票者的 13209 节点在 134045 周期（Epoch）的 4,289,592 插槽（Slot）为两个冲突的区块进行了验证投票，作恶证据被打包放进了下一个为 4,289,593 的插槽（Slot）中。

数据来源：beaconcha.in

该作恶节点被 70929 节点举报，随后该 13209 节点被协议进行了削减（Slashing）处罚，立刻被罚款的同时，在 134051 周期（Epoch）中被驱逐出协议并且将受到连续 36 天的持续罚款直到 142238 周期（Epoch）才可退出取出余额。

数据来源：beaconcha.in

作为举报者的 70929 节点获得了约 0.89ETH 的举报奖励。

4. 历史重演？以太坊 2.0 升级面临硬分叉会发生什么？

关于以太坊 2.0 升级讨论的一个热点必定离不开以太坊 POW 硬分叉这个话题，那么什么是硬分叉（Hard fork）呢？

硬分叉（Hard fork）就是当区块链发生永久性分歧，在区块链系统重大更新后，没有升级的节点无法验证已经升级的节点生产的区块，这时硬分叉就会发生，将会分裂出两条条某区块之前账本完全相同的区块链，硬分叉也可以主动发起，最经典的案例就是来自于以太坊的硬分叉—以太坊经典（Ethereum Classic），硬分叉发起的原因是因为当时一个众筹了 1200 万枚 ETH 的项目 The DAO 被黑客攻击盗取了当时大约价值 5000 万美元的 ETH 使得以太坊收到了很大的打击，之后以太坊创始人 Vitalik Buterin 决定主动发起硬分叉来回滚区块链以挽回以太坊受到的损失，然后一部分人依然坚守在被盗的那条以太坊上拒绝升级，使得以太坊分裂成了以太坊经典和现在的以太坊。

现在的硬分叉与过去 ETC 分叉有什么区别？

以太坊 2.0 升级是共识机制的彻底改变，在「The Merge「合并后 POS 权益证明机制将直接取代 POW 工作量证明机制，POW Miner 们面临着需要寻找其他出路的情况，这一改变触及了所有 POW Mine r 的利益，这导致 Miner 们可能会集体发动硬分叉，事实上本文在撰写期间已经有 Miner 团体发布声明要硬分叉出一条 POW 以太坊，以太坊会再次发生硬分叉基本板上钉钉了，那么这次硬分叉和以往会有什么不同呢？

事实上，本次以太坊 2.0 升级导致的硬分叉和当年以太坊经典分叉的区别还是很大的，首先当时以太坊还处在初始阶段，并没有很丰富的生态，但经过了这么多年的发展，以太坊已经成长为了公链中的龙头，承载着最丰富的生态以及最庞大的资金体量，如果以太坊再次发生硬分叉，由于硬分叉出来的链历史账本是一样的，就会出现两份 USDT、USDC 以及 wBTC 等不可复制资产，两个以太坊上的协议比如 MakerDAO、AAVE 等，那么出现这种情况的时候，分叉导致多出来的中心化稳定币如 USDT、USDC 这种资产会因为无法兑现为法币导致最终归零，这时以太坊分叉链上的生态将变得极其混乱，如果没有好的解决方案那么该分叉链将会变得无利可图无法运作下去，以太坊创始人 Vitalik Buterin 在 8 月 3 日首尔举行的 BUIDL Asia 上发表了自己的观点：」中心化稳定币可以决定」有争议「的硬分叉的未来「，可以看出，中心化稳定币的发行方在硬分叉中起到了决定性的作用。

信息来源：cointelegraph.com

以太坊 2.0 升级会出现多条硬分叉吗？

以太坊 2.0 升级中不会只存在一个硬分叉，可能会出现很多条 POW 硬分叉链，但最终这些 POW 硬分叉链能不能活下来还是个未知数，对于以太坊基金会以及开发人员来说，统一战线在主链—POS 信标链上很容易达成共识，但对于 Miner 团体来说，由于去中心化导致 Miner 很难统一战线形成利益共同体，并且难度炸弹（Difficulty Bomb）的存在使得 Miner 团体更加容易产生意见上的分歧，那么什么是难度炸弹（Difficulty Bomb）呢？

难度炸弹（Difficulty Bomb）是一个可以根据区块时间调整整条链的 Mining 难度值的机制，在 2015 年被提出并写入了以太坊代码中，目的是人为增加 Mining 难度使得 POW Miner 失去动力转而加入 POS 信标链从而让 POW 机制顺利的过渡到 POS 机制，当难度炸弹被激活后，Mining 难度将会指数型增长，这就使得 Mining 的区块奖励会变得越来越低直到毫无利润可言导致所有 Miner 退出 POW 链，历史上难度炸弹曾开启过多次，但每次都被以太坊基金会以及开发人员硬分叉进行推迟了，下图中可以观察到以太坊的出块时间在难度炸弹开启后呈大幅上升趋势并在硬分叉推迟后恢复到正常时间，关于为什么难度炸弹被推迟多次的原因是以太坊 2.0 的升级就像在「高速上换轮胎」需要十分谨慎所以十分缓慢，以太坊基金会以及开发人员并没有做好升级的准备，所以多次推迟难度炸弹。

数据来源：bitinfocharts.com

在最近一次的难度炸弹推迟 EIP-5133 提案中，难度炸弹被推迟到了 2022 年 9 月中旬。

信息来源：eips.ethereum.org

Miner 是否可以拆除难度炸弹？为什么难度炸弹会使得 Miner 更容易产生意见上的分歧？

难度炸弹是可以被 Miner 拆除的，只要在难度炸弹发生之前硬分叉出一条新链并修改难度炸弹发生的时间即可达到拆除效果，这对于 Miner 团体来说可能会有一些技术上的风险以及产生额外的资源消耗，而且在难度炸弹开始前的哪个区块开始分叉？难度炸弹推迟到什么时候？

这些问题上可能会让 Miner 们产生意见分歧无法统一战线使得出现多种不同的以太坊 POW 分叉链。

虽然以太坊可能会出现多条不同的 POW 硬分叉，但是最关键需要解决的问题就是链上不可复制资产以及生态问题，以太坊上核心协议的开发团队们大概率都会追随 POS 信标链，留在分叉链上的基础设施生态比如 AAVE、MakerDAO 等协议可能也会因为缺少 POW 链上预言机的运行变得无法正常运作，最终将会成为旧时代的产物变得毫无价值，要在 POW 分叉链上重建新的生态也是一件极其困难且高成本的事情，最终 POW 分叉链面临的结局可能都会随着时间而消亡成为人们心中的一道记忆，但一切皆有可能，以太坊硬分叉结局到底如何，让我们拭目以待！