區塊鏈快速入門（八）——以太坊

標籤：狀態   性問題   root   圖形介面   防止   lib   ruby   img   rip   

區塊鏈快速入門（八）——以太坊一、以太坊簡介

以太坊(Ethereum)項目的最初目標是打造一個運行智能合約的平台(Platform for Smart Contract)，支援圖靈完備的應用，按照智能合約的約定邏輯自動執行，理想情況下將不存在故障停機、審查、欺詐以及第三方幹預等問題。
以太坊平台目前支援Golang、C++、Python等多種語言實現的用戶端。由於核心實現上基於比特幣網路的核心思想進行了拓展，因此在很多設計特性上都與比特幣網路十分類似。
基於以太坊項目，以太坊團隊目前運營了一條公開的區塊鏈平台——以太坊網路。智能合約開發人員使用官方提供的工具和以太坊專用應用開發語言Solidity，可以很容易開發出運行在以太坊網路上的去中心化應用(Decentralized Application，DAPP)。DAPP應用將運行在以太坊的虛擬機器(Ethereum Virtual Machine，EVM)裡。使用者通過以太幣(Ether)來購買燃料
(Gas)，維持所部署應用的運行。
以太坊項目官網：www.ethereum.org
以太坊項目代碼託管：www.github.com/ethereum
以太坊區塊鏈底層也是一個P2P網路平台，智能合約運行在網路中的以太
坊虛擬機器裡。網路自身是公開可接入的，任何人都可以接入並參與網路中資料的維護，提供運行以太坊虛擬機器的資源。
以太坊區塊鏈的技術特點主要包括:
A、支援圖靈完備的智能合約，設計了程式設計語言Solidity和虛擬機器EVM
B、選用記憶體需求較高的雜湊函數，避免出現強算力礦機、礦池***
C、叔塊(Uncle Block)激勵機制，降低礦池的優勢，並減少區塊產生間隔
D、採用賬戶系統和世界狀態，而不是UTXO，容易支援更複雜的邏輯
E、通過Gas限制代碼執行指令數，避免迴圈執行***
F、支援POW共識演算法，並計劃支援效率更高的POS演算法
此外，Team Dev還計劃通過分區(Sharding)方式來解決網路可擴充性問題。

二、以太坊核心概念1、智能合約

智能合約(Smart Contract)是以太坊中最為重要的一個概念，即以電腦程式的方式來締結和運行各種合約。以太坊支援通過圖靈完備的進階語言(包括Solidity、Serpent、Viper)等來開發智能合約。
智能合約作為運行在以太坊虛擬機器(Ethereum Virual Machine，EVM)中的應用，可以接受來自外部的交易請求和事件，通過觸發運行提前編寫好的代碼邏輯，進一步產生新的交易和事件，可以進一步調用其它智能合約。
智能合約的執行結果可能對以太坊網路上的賬本狀態進行更新。對賬本狀態的修改由於經過了以太坊網路中的共識，一旦確認後無法被偽造和篡改。

2、賬戶

以太坊直接用賬戶來記錄系統狀態。每個賬戶儲存餘額資訊、智能合約代碼和內部資料存放區等。以太坊支援在不同的賬戶之間轉移資料，以實現更為複雜的邏輯。
以太坊賬戶分為兩種類型：合約賬戶(Contracts Accounts)和外部賬戶(Externally Owned Accounts，EOA)。
合約賬戶：儲存執行的智能合約代碼，只能被外部賬戶來調用啟用。
外部賬戶：以太幣擁有者賬戶，對應到某公開金鑰。賬戶包括nonce、balance、
storageRoot、codeHash等欄位，由個人來控制。
當合約賬戶被調用時，儲存其中的智能合約會在礦工處的虛擬機器中自動執行，並消耗一定的燃料。燃料通過外部賬戶中的以太幣進行購買。

3、交易

交易(Transaction)，在以太坊中是指從一個賬戶到另一個賬戶的訊息資料。訊息資料可以是以太幣或者合約執行參數。
以太坊採用交易作為執行操作的最小單位。每個交易包括如下欄位:
To：目標賬戶地址。
Value：可以指定轉移的以太幣數量。
Nonce：交易相關的字串,用於防止交易被重放。
gasPrice：執行交易需要消耗的Gas價格。
Startgas：交易消耗的最大Gas值。
Signature：簽名資訊。
在發送交易時，使用者需要繳納一定的交易費用，通過以太幣方式進行支付
和消耗。目前，以太坊網路可以支援超過比特幣網路的交易速率(可以達到每秒幾十筆)。

4、以太幣

以太幣(Ether)是以太坊網路中的貨幣。
以太幣主要用於購買燃料，支付給礦工，以維護以太坊網路運行智能合約的費用。以太幣最小單位是wei，一個以太幣等於 10^18個wei。
以太幣可以通過挖礦來產生，成功產生新區塊的以太坊礦工可以獲得5個以太幣的獎勵以及包含在區塊內交易的燃料費用。使用者也可以通過交易市場來直接購買以太幣。
目前每年大約可以通過挖礦產生超過一千萬個以太幣，單個以太幣的市場價格目前超過200美金。

5、燃料

燃料(Gas)，控制某次交易執行指令的上限。每執行一條合約指令會消耗固定的燃料。當某個交易還未執行結束，而燃料消耗完時，合約執行終止並復原狀態。
Gas可以跟以太幣進行兌換。以太幣的價格是波動的，但運行某段智能合約
的燃料費用可以是固定的，通過設定Gas價格等進行調節。

三、以太坊主要設計1、智能合約

以太坊採用以太坊虛擬機器（EVM）作為智能合約的運行環境。以太坊虛擬機器是一個隔離的輕量級虛擬機器環境，運行在其中的智能合約代碼無法訪問本網、檔案系統或其它進程。
對同一個智能合約來說，通常需要在多個以太坊虛擬機器中同時運行多份，以確保整個區塊鏈資料的一致性和高度的容錯性，但也限制了整個網路的容量。
以太坊為編寫智能合約設計了圖靈完備的進階程式設計語言，降低了智能合約開發的難度。目前Solidity是最常用的以太坊合約編寫語言之一。智能合約編寫完畢後，用編譯器編譯為以太坊虛擬機器專用的二進位格式(EVM bytecode)，由用戶端上傳到區塊鏈當中，在礦工的以太坊虛擬機器中執行。

2、交易模型

以太坊採用了賬戶的模型，狀態可以即時的儲存到賬戶裡，而無需像比特幣的UXTO模型去回溯整個交易曆史。

3、共識

以太坊目前採用基於成熟的POW共識的變種演算法Ethash協議作為共識機制。
為了防止ASIC礦機礦池的算力***，跟原始POW 的計算密集型Hash 運算不同，Ethash 在執行時候需要消耗大量記憶體，反而跟計算效率關係不大。因此，很難製造出專門針對Ethash的晶片，反而通用機器可能更加有效。
雖然，Ethash相對原始的POW進行了改進，但仍然需要進行大量無效的運算，以太坊網路社區已經有計劃在未來採用更高效的Proof-of-Stake(POS)作為共識機制。

4、降低***

以太坊網路中的交易更加多樣化，也就更容易受到***。
以太坊網路在降低***方面的核心設計思想仍然是通過經濟激勵機制防止少數人作惡:
A、所有交易都要提供交易費用，避免DDoS***
B、程式運行指令數通過Gas來限制，所消耗的費用超過設定上限時就會被取消，避免出現惡意合約。
確保***者試圖消耗網路中虛擬機器的計算資源時，需要付出經濟代價(支付大量的以太幣)；同時難以通過構造惡意的迴圈或不穩定合約代碼來對網路造成破壞。

5、提高擴充性

可擴充性是以太坊網路承接更多業務量的最大制約。
以太坊項目未來希望通過分區(sharding)機制來提高整個網路的擴充性。分區是一組維護和執行同一批智能合約的節點群組成的子網路，是整個網路的子集。
支援分區功能前，以太坊整個網路中的每個節點都需要處理所有的智能合約，造成了網路的最大處理能力會受限於單個節點的處理能力。分區後，同一片內的合約處理是同步的，彼此達成共識，不同分區之間則可以是非同步，可以提高網路整體的可擴充性。

四、以太坊相關工具1、用戶端與開發庫

以太坊用戶端可用於接入以太坊網路，進行賬戶管理、交易、挖礦、智能合約等各方面操作。
以太坊社區現在提供了多種語言實現的用戶端和開發庫，支援標準的JSON-RPC協議。使用者可根據自己熟悉的開發語言進行選擇。
go-ethereum：Go語言實現
parity：Rust語言實現
cpp-ethereum：C++語言實現
ethereumjs-lib：javascript語言實現
ethereum(J)：Java語言實現
ethereumH：Haskell語言實現
pyethapp：Python語言實現
ruby-ethereum：Ruby語言實現
go-ethereum的獨立用戶端Geth是最常用的以太坊用戶端之一。使用者可通過安裝Geth來接入以太坊網路並成為一個完整節點。Geth也可作為一個HTTP-RPC伺服器，對外暴露JSON-RPC介面，供使用者與以太坊網路互動。
Geth的使用需要基本的命令列基礎，其功能相對完整，源碼託管於github.com/ethereum/go-ethereum

2、以太坊錢包

對於只需進行賬戶管理、以太坊轉賬、DAPP使用等基本操作的使用者，則可選擇直觀易用的錢包用戶端。
Mist是官方提供的一套包含圖形介面的錢包用戶端，除了可用於進行交易，也支援直接編寫和部署智能合約。
所編寫的代碼編譯發布後，可以部署到區塊鏈上。使用者可通過發送調用相應合約方法的交易，來執行智能合約。

3、以太坊開發IDE

對於開發人員，以太坊社區湧現出許多服務於編寫智能合約和DAPP的IDE，例如：
Truffle：一個功能豐富的以太坊應用開發環境
Embark：一個DAPP開發架構，支援整合以太坊、IPFS等
Remix：一個用於編寫Solidity的IDE，內建調試器和測試環境

區塊鏈快速入門（八）——以太坊