Ethereum 核心技术解读

前言

比特币作为一种去中心化的数字货币，是极其成功的，但受限于比特币脚本（非图灵完备，只能处理一些简单的逻辑），并不能处理很复杂的业务。而Ethereum引入了智能合约，使去中心化的概念能够应用于更丰富的应用场景，因此也被称为区块链 2.0。本文将对以太坊核心技术进行解读，如有错漏，欢迎交流指正。

Ethereum 系统

2014 年 1 月，俄罗斯开发者 Vitalik Buterin 发布了以太坊白皮书并成立团队，旨在创造一个集成更通用的脚本语言的区块链平台。其中一位成员 Dr. Gavin Wood 发布了一份黄皮书，涉及Ethereum Virtual Machin(EVM)以太坊虚拟的相关技术，这就是Ethereum的诞生。

ethereum_overview

简单来说，Ethereum是一个开源的去中心化系统，使用区块链来存储系统状态变化，因此也被称为“世界计算机”；它支持开发者在区块链上部署运行不可变的程序，称为智能合约，因此可以支持广泛的应用场景；它使用数字货币Ether来衡量系统资源消耗，激励更多人参与Ethereum系统建设。

去中心化应用 DApp

狭义来说，DApp 其实就是一个集成了用户界面、支持智能合约、运行于以太坊区块链上的应用。

ethereum_architecture

如上图所示，Ethereum应用实例部署在区块链网络上（智能合约运行于区块链虚拟机中），而 Web 程序只需要通过Web3.js对区块链网络进行RPC远程调用，这样用户就可以通过浏览器（DApp 浏览器或 MetaMask 等插件工具）访问去中心化服务应用了。

账本

Ethereum区块链是一个去中心化的账本（数据库），网络中的所有交易都会存储在区块链中，所有节点都要本地保存一份数据，并且确保每一笔交易的可信度；所有的交易都是公开且不可篡改的，网络中的所有节点都可以查看和验证。

账户

当我们需要登录一个网站或系统（比如邮箱）时，往往需要一个帐号和一个密码，密码通过加密算法以暗文的形式存储在中心化的数据库中。然而，以太坊是一个去中心化的系统，那是怎么生成账户的呢？

和比特币系统原理类似

1. 首先生成一个仅有自己知道的私钥，假设为sk，采用ECDSA(Elliptic Curve Digital Signature Algorithm)椭圆曲线算法生成对应的公钥pk
2. 采用keccak256算法对公钥pk求哈希值
3. 截取后 160 位作为以太坊的地址

用户的私钥和地址一起组成了以太坊的账户，可以存储余额、发起交易等（比特币的余额是通过计算所有的UTXO得到的，而不是像以太坊一样存储在账户中）。

其实Ethereum账户分为两种类型，上述方式生成的叫Externally Owned Accounts(EOA)，外部账户，也就是常规用户拥有的账户，主要是用来发送/接收Ether代币或者向智能合约发送交易（即调用智能合约）。

而另一种则是Contract Accounts，合约账户，不同于外部账户，这种账户是没有对应的私钥的，而是在部署合约的时候生成的，存储智能合约代码。值得注意的是，合约账户必须要被外部账户或者其他合约调用才能够发送或接收Ether，而不能自己主动执行交易。

钱包

存储和管理Ethereum账户的软件/插件称为钱包，提供了诸如交易签名、余额管理等功能。钱包生成主要有两种方式，非确定性随机生成或根据随机种子生成。

Gas

Ethereum网络上的操作也需要“手续费”，称为Gas，在区块链上部署智能合约以及转账都需要消耗一定单位的Gas，这也是鼓励矿工参与Ethereum网络建设的激励机制，从而使整个网络更加安全、可靠。

每个交易都可以设置相应的Gas量和Gas的价格，设置较高的Gas费则往往矿工会更快处理你的交易，但为了预防交易多次执行消耗大量Gas费，可以通过Gas Limit来设置限制。Gas相关信息可以通过 Ethereum Gas Tracker 工具进行查询。

If START_GAS * GAS_PRICE > caller.balance, halt
Deduct START_GAS * GAS_PRICE from caller.balance
Set GAS = START_GAS
Run code, deducting from GAS
For negative values, add to GAS_REFUND
After termination, add GAS_REFUND to caller.balance

智能合约

上文提到，Ethereum区块链不仅仅存储交易信息，还会存储与执行智能合约代码。

智能合约控制应用和交易逻辑，Ethereum系统中的智能合约采用专属Solidity语言，语法类似于JavaScript，除此之外，还有Vyper、Bamboo等编程语言。智能合约代码会被编译为字节码并部署至区块链中，一旦上链则不可以再编辑。EVM作为一个智能合约执行环境，能够保障执行结果的确定性。

智能合约示例：众筹

让我们想象一个更复杂的场景，假设我要众筹 10000 元开发一个新产品，通过现有众筹平台需要支付不菲的手续费，而且很难解决信任问题，于是，可以通过一个众筹的 DApp 来解决这个问题。

先为众筹设置一些规则

1. 每个想参与众筹的人可以捐款 10-10000 元的金额
2. 如果目标金额达成了，金额会通过智能合约发送给我（即众筹发起人）
3. 如果目标在一定时间内（如 1 个月）没有达成，众筹的资金会原路返回至众筹用户
4. 也可以设置一些规则，比如一周后，如果目标金额没有达成，用户可以申请退款

因为这些众筹条款是通过智能合约实现并部署在公开的区块链上的，即使是发起者也不能篡改条款，且任何人都可以查看，解决了信任问题。

完整代码可以点击这里查看：Demo

交易

在Ethereum中，一个典型的交易是怎么样的呢？

1. 开发者部署智能合约至区块链
2. DApp 实例化合约、传入相应值以执行合约
3. DApp 对交易进行数字签名
4. 本地对交易进行验证
5. 广播交易至网络中
6. 矿工节点接收交易并进行验证
7. 矿工节点确认可信区块后广播至网络中
8. 本地节点与网络进行同步，接收新区块

架构

ethereum_architecture_simple

Ethereum采用的是一种Order - Execute - Validate - Update State的系统架构。在这种架构下，当产生一笔新的交易，矿工会进行PoW工作量证明机制的运算；验证完成后，将区块通过gossip协议广播至网络中；网络中的其他节点接收到新区块后，也会对区块进行验证；最终，提交至区块链，更新状态。

具体来看，Ethereum系统有共识层、数据层、应用层等核心组件，其交互逻辑如下：

ethereum_architecture_concrete

如上图所示，Ethereum数据由Transaction Root和State Root组成。Transaction Root是所有交易组成的树，包含From、To、Data、Value、Gas Limit和Gas Price；而State Root则是所有账户组成的树，包含Address、Code、Storage、Balance和Nonce。

总结

以上就是对Ethereum核心技术的一些解读，智能合约的引入给区块链的应用带来了更多可能性，但仍有很多安全性、隐私性和效率问题需要考虑。针对复杂的企业级应用场景，联盟链是更好的选择，后续将会对Hyperledger Fabric进行详尽的分析，敬请期待！

参考资料

1. COMP7408 Distributed Ledger and Blockchain Technology, Professor S.M. Yiu, HKU
2. Udacity Blockchain Developer Nanodegree, Udacity
3. 区块链技术与应用，肖臻，北京大学
4. 区块链技术进阶与实战，蔡亮 李启雷 梁秀波，浙江大学 | 趣链科技
5. Ethereum Architecture, zastrin
6. Learn Solidity: Complete Example: Crowd Funding Smart Contract, TOSHBLOCKS