以太坊-入门基础（以太坊白皮书）

梦里梦外; 2022-12-20 15:54 160阅读 0赞

### 文章目录 ###

*   *  一、以太坊白皮书
     *   *  1. 历史
         *   *  默克尔树
             *  其它的区块链应用
             *  脚本
         *  2. 以太坊
         *   *  以太坊账户
             *  消息和交易
             *  以太坊状态转换函数
             *  代码执行
             *  区块链和挖矿
         *  3. 应用
         *  4. ERC
     *  二、参考

## 一、以太坊白皮书 ##

以太坊官网： https://ethereum.org/en/  
白皮书官方地址：https://github.com/ethereum/wiki/wiki/White-Paper  
\[中文\] 以太坊白皮书  
https://github.com/ethereum/wiki/wiki/\[%E4%B8%AD%E6%96%87\]-%E4%BB%A5%E5%A4%AA%E5%9D%8A%E7%99%BD%E7%9A%AE%E4%B9%A6

### 1. 历史 ###

中本聪的创新是引入这样一个理念：将一个非常简单的基于节点的去中心化共识协议与工作量证明机制结合在一起。节点通过工作量证明机制获得参与到系统的权利，每十分钟将交易打包到“区块”中，从而创建出不断增长的区块链。拥有大量算力的节点有更大的影响力，但获得比整个网络更多的算力比创建一百万个节点困难得多。尽管比特币区块链模型非常简陋，但是实践证明它已经足够好用了，在未来五年，它将成为全世界两百个以上的货币和协议的基石。

从技术角度讲，比特币账本可以被认为是一个状态转换系统，该系统包括所有现存的比特币所有权状态和“状态转换函数”。状态转换函数以当前状态和交易为输入，输出新的状态。例如，在标准的银行系统中，状态就是一个资产负债表，一个从A账户向B账户转账X美元的请求是一笔交易，状态转换函数将从A账户中减去X美元，向B账户增加X美元。如果A账户的余额小于X美元，状态转换函数就会返回错误提示。

我们想把比特币系统建成为去中心化的货币系统，为了确保每个人都同意交易的顺序，我们需要将**状态转换系统**与**一个共识系统**结合起来。

比特币的去中心化共识进程要求网络中的节点不断尝试将交易打包成“区块”。网络被设计为大约每十分钟产生一个区块，每个区块包含一个时间戳、一个随机数、一个对上一个区块的引用（即哈希）和上一区块生成以来发生的所有交易列表。这样随着时间流逝就创建出了一个持续增长的区块链，它不断地更新，从而能够代表比特币账本的最新状态。

#### 默克尔树 ####

在2014年4月，比特币网络中的一个全节点-存储和处理所有区块的全部数据的节点-需要占用15GB的存储空间，而且还以每个月超过1GB的速度增长。目前，这一存储空间对台式计算机来说尚可接受，但是手机已经负载不了如此巨大的数据了。未来只有商业机构和爱好者才会充当完整节点。简化支付确认（SPV)协议允许另一种节点存在，这样的节点被成为“轻节点”，它下载区块头，使用区块头确认工作量证明，然后只下载与其交易相关的默克尔树“分支”。这使得轻节点只要下载整个区块链的一小部分就可以安全地确定任何一笔比特币交易的状态和账户的当前余额。

#### 其它的区块链应用 ####

将区块链的思想应用到其它领域的想法早就出现了。

*  域名币（namecoin）  
    官网： https://www.namecoin.org/  
    创建于2010年，被称为去中心化的名称注册数据库。像Tor、Bitcoin和BitMessage这样的去中心化协议，需要一些确认账户的方法，这样其他人才能够与用户进行交互。但是，在所有的现存的解决方案中仅有的可用的身份标识是象1LW79wp5ZBqaHW1jL5TciBCrhQYtHagUWy这样的伪随机哈希。理想的情况下，人们希望拥有一个带有象“george”这样的名称的账户。然而，问题是如果有人可以创建“george”账户，那么其他人同样也可以创建“george”账户来假扮。唯一的解决方法是先申请原则（first-to-file），只有第一个注册者可以成功注册，第二个不能再次注册同一个账户。这一问题就可以利用比特币的共识协议。域名币是利用区块链实现名称注册系统的最早的、最成功的系统。
 *  彩色币（Colored coins）  
    染色币是指利用比特币交易来记录除比特币之外的外部资产的创建，所有权和转让的这类技术。 所谓“外部资产”我们是指这些资产不直接存储在比特币区块上， 而不是指比特币本身，因为比特币是本身就是这个区块链的固有资产。  
    染色币用于跟踪第三方持有的数字资产和实物资产，并通过染色 币所有权证书来进行交易。 数字资产染色币可以代表无形资产，如股票证书，许 可证，虚拟财产（游戏装备）或大多数任何形式的许可知识产权（商标，版权等）。 有形资产染色币可以代表商品（黄金，白银，石油），土地所有权，汽车，船只， 飞机等所有权。
    
    该术语源于“着色”或标记某名义金额的比特币的想法，例如，1 聪，用来表示比 特币价值本身以外的东西。打个比方，我们给一美元的钞票标上一行信息说：“这 是 ACME 的股票证书”，或者“这张钞票可以兑换 1 盎司的银”，然后使用这个1美元钞票与作为其他资产权益证明来进行交易。

#### 脚本 ####

比特币系统的脚本语言存在一些严重的限制：

*  缺少图灵完备性 – 这就是说，尽管比特币脚本语言可以支持多种计算，但是它不能支持所有的计算。最主要的缺失是循环语句。不支持循环语句的目的是避免交易确认时出现无限循环。理论上，对于脚本程序员来说，这是可以克服的障碍，因为任何循环都可以用多次重复if 语句的方式来模拟，但是这样做会导致脚本空间利用上的低效率，例如，实施一个替代的椭圆曲线签名算法可能将需要256次重复的乘法，而每次都需要单独编码。
 *  价值盲（Value-blindness）。UTXO脚本不能为账户的取款额度提供精细的的控制。例如，预言机合约（oracle contract）的一个强大应用是对冲合约，A和B各自向对冲合约中发送价值1000美元的比特币，30天以后，脚本向A发送价值1000美元的比特币，向B发送剩余的比特币。虽然实现对冲合约需要一个预言机（oracle）决定一比特币值多少美元，但是与现在完全中心化的解决方案相比，这一机制已经在减少信任和基础设施方面有了巨大的进步。然而，因为UTXO是不可分割的，为实现此合约，唯一的方法是非常低效地采用许多有不同面值的UTXO（例如对应于最大为30的每个k，有一个2^k的UTXO)并使预言机挑出正确的UTXO发送给A和B。
 *  缺少状态 – UTXO只能是已花费或者未花费状态，这就没有给需要任何其它内部状态的多阶段合约或者脚本留出生存空间。这使得实现多阶段期权合约、去中心化的交换要约或者两阶段加密承诺协议（对确保计算奖励非常必要）非常困难。这也意味着UTXO只能用于建立简单的、一次性的合约，而不是例如去中心化组织这样的有着更加复杂的状态的合约，使得元协议难以实现。二元状态与价值盲结合在一起意味着另一个重要的应用-取款限额-是不可能实现的。
 *  区块链盲（Blockchain-blindness）- UTXO看不到区块链的数据，例如随机数和上一个区块的哈希。这一缺陷剥夺了脚本语言所拥有的基于随机性的潜在价值，严重地限制了博彩等其它领域应用。

使用脚本的方法非常容易实现和标准化，但是它的能力有限。存在扩展性差的缺陷。

### 2. 以太坊 ###

以太坊的目的是基于脚本、竞争币和链上元协议（on-chain meta-protocol）概念进行整合和提高，**使得开发者能够创建任意的基于共识的、可扩展的、标准化的、特性完备的、易于开发的和协同的应用。** 以太坊通过建立终极的抽象的基础层-内置有图灵完备编程语言的区块链-使得任何人都能够创建合约和去中心化应用并在其中设立他们自由定义的所有权规则、交易方式和状态转换函数。\*\*域名币的主体框架只需要两行代码就可以实现，诸如货币和信誉系统等其它协议只需要不到二十行代码就可以实现。\*\*智能合约-包含价值而且只有满足某些条件才能打开的加密箱子-也能在我们的平台上创建，并且因为图灵完备性、价值知晓（value-awareness）、区块链知晓（blockchain-awareness）和多状态所增加的力量而比比特币脚本所能提供的智能合约强大得多。

#### 以太坊账户 ####

在以太坊系统中，状态是由被称为“账户”（每个账户由一个20字节的地址）的对象和在两个账户之间转移价值和信息的状态转换构成的。以太坊的账户包含四个部分：

*  随机数，用于确定每笔交易只能被处理一次的计数器
 *  账户目前的以太币余额
 *  账户的合约代码，如果有的话
 *  账户的存储（默认为空）

以太币（Ether）是以太坊内部的主要加密燃料，用于支付交易费用。一般而言，以太坊有两种类型的账户：外部所有的账户（由私钥控制的）和合约账户（由合约代码控制）。外部所有的账户没有代码，人们可以通过创建和签名一笔交易从一个外部账户发送消息。**每当合约账户收到一条消息，合约内部的代码就会被激活，允许它对内部存储进行读取和写入，和发送其它消息或者创建合约。**

#### 消息和交易 ####

以太坊的消息在某种程度上类似于比特币的交易，但是两者之间存在三点重要的不同。第一，以太坊的消息可以由外部实体或者合约创建，然而比特币的交易只能从外部创建。第二，以太坊消息可以选择包含数据。第三，如果以太坊消息的接受者是合约账户，可以选择进行回应，这意味着以太坊消息也包含函数概念。

以太坊中“交易”是指存储从外部账户发出的消息的签名数据包。交易包含消息的接收者、用于确认发送者的签名、以太币账户余额、要发送的数据和两个被称为STARTGAS和GASPRICE的数值。**为了防止代码的指数型爆炸和无限循环，每笔交易需要对执行代码所引发的计算步骤-包括初始消息和所有执行中引发的消息-做出限制。** STARTGAS就是限制，GASPRICE是每一计算步骤需要支付矿工的费用。如果执行交易的过程中，“用完了瓦斯”，所有的状态改变恢复原状态，但是已经支付的交易费用不可收回了。如果执行交易中止时还剩余瓦斯，那么这些瓦斯将退还给发送者。创建合约有单独的交易类型和相应的消息类型；合约的地址是基于账号随机数和交易数据的哈希计算出来的。

#### 以太坊状态转换函数 ####

以太坊的状态转换函数：APPLY(S,TX) -> S’，可以定义如下：

1.  检查交易的格式是否正确（即有正确数值）、签名是否有效和随机数是否与发送者账户的随机数匹配。如否，返回错误。
2.  计算交易费用:fee=STARTGAS \* GASPRICE，并从签名中确定发送者的地址。从发送者的账户中减去交易费用和增加发送者的随机数。如果账户余额不足，返回错误。
3.  **设定初值GAS = STARTGAS，并根据交易中的字节数减去一定量的瓦斯值。**
4.  从发送者的账户转移价值到接收者账户。如果接收账户还不存在，创建此账户。**如果接收账户是一个合约，运行合约的代码，直到代码运行结束或者瓦斯用完。**
5.  如果因为发送者账户没有足够的钱或者代码执行耗尽瓦斯导致价值转移失败，恢复原来的状态，但是还需要支付交易费用，交易费用加至矿工账户。  
    否则，将所有剩余的瓦斯归还给发送者，消耗掉的瓦斯作为交易费用发送给矿工。 例如，假设合约的代码如下：
    
        if not self.storage[calldataload(0)]:
            self.storage[calldataload(0)] = calldataload(32)
    
    需要注意的是，在现实中合约代码是用底层以太坊虚拟机（EVM）代码写成的。上面的合约是用我们的高级语言Serpent语言写成的，它可以被编译成EVM代码。假设合约存储器开始时是空的，一个值为10以太，瓦斯为2000，瓦斯价格为0.001以太并且64字节数据，第一个三十二字节的块代表号码2和第二个代表词CHARLIE。的交易发送后，状态转换函数的处理过程如下：
    
    如果没有合约接收交易，那么所有的交易费用就等于GASPRICE乘以交易的字节长度，交易的数据就与交易费用无关了。另外，需要注意的是，合约发起的消息可以对它们产生的计算分配瓦斯限额，如果子计算的瓦斯用完了，它只恢复到消息发出时的状态。因此，就像交易一样，合约也可以通过对它产生的子计算设置严格的限制，保护它们的计算资源。

#### 代码执行 ####

以太坊合约的代码使用低级的基于堆栈的字节码的语言写成的，被称为“以太坊虚拟机代码”或者“EVM代码”。代码由一系列字节构成，每一个字节代表一种操作。一般而言，代码执行是无限循环，程序计数器每增加一（初始值为零）就执行一次操作，直到代码执行完毕或者遇到错误，STOP或者RETURN指令。

代码可以象访问区块头数据一样访问数值，发送者和接受到的消息中的数据，代码还可以返回数据的字节队列作为输出。

#### 区块链和挖矿 ####

虽然有一些不同，但以太坊的区块链在很多方面类似于比特币区块链。它们的区块链架构的不同在于，以太坊区块不仅包含交易记录和最近的状态，还包含区块序号和难度值。

状态存储在树结构中（tree structure），每增加一个区块只需要改变树结构的一小部分。因此，一般而言，两个相邻的区块的树结构的大部分应该是相同的，因此存储一次数据，可以利用指针（即子树哈希）引用两次。**一种被称为“帕特里夏树”（“Patricia Tree”）的树结构可以实现这一点，其中包括了对默克尔树概念的修改，不仅允许改变节点，而且还可以插入和删除节点。另外，因为所有的状态信息是最后一个区块的一部分，所以没有必要存储全部的区块历史**\-这一方法如果能够可以应用到比特币系统中，经计算可以对存储空间有10-20倍的节省。

### 3. 应用 ###

一般来讲，以太坊之上有三种应用。第一类是**金融应用**，为用户提供更强大的用他们的钱管理和参与合约的方法。包括子货币，**金融衍生品**，对冲合约，储蓄钱包，遗嘱，甚至一些种类的全面的雇佣合约。第二类是**半金融应用**，这里有钱的存在但也有很重的非金钱的方面，一个完美的例子是为解决计算问题而设的自我强制悬赏。最后，还有在线投票和去中心化治理这样的完全的**非金融应用**。

*  令牌系统
 *  金融衍生品和价值稳定的货币
 *  身份和信誉系统
 *  去中心化存储
 *  去中心化自治组织
 *  进一步的应用

### 4. ERC ###

ERC是Ethereum Request for Comments的缩写，代表以太坊开发者提交的协议提案，不同的协议内容分别用不同的ERC编号来表示。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2ludGhhdA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]从广为人知的ERC20开始，ERC系列协议经过不断地更新和拓展，其支持的功能也越来越丰富。最初的ERC20主要是用于发行诸多同质的、可相互替代的Token。ERC233、ERC621、ERC827等则是对ERC20协议的更正和扩展。这些协议都无法发行属性不同、独一无二的Token，于是ERC721便横空出世。

ERC721是为NFT（Non-Fungible Token）非同质通证所定义的一种标准，以此标准发行的Token最大的特点为每个Token属性均不相同，独一无二。

ERC721协议其实和ERC20协议很类似，通证名称、通证符号、通证支持的小数位等等都变动不大。但ERC721中每个通证都将是唯一的一串Hash码，这是实现每个通证独一无二特性的基础。基于此，ERC721协议产生相同数量通证所需要的编码程序也更复杂。

## 二、参考 ##

以太坊开发入门  
https://www.cnblogs.com/blockchainnote/p/11589104.html  
参考URL: https://ethereum.org/zh/

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