区块链2.0以太坊漫谈

Posted 2022-08-28 尹成

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：

（1）随机数，用于确定每笔交易只能被处理一次的计数器

（2）账户目前的以太币余额

（3）账户的合约代码，如果有的话

（4）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。

消息机制的一个重要结果：是以太坊的“头等公民”财产-合约与外部账户拥有同样权利，包括发送消息和创建其它合约的权利。这使得合约可以同时充当多个不同的角色，例如，用户可以使去中心化组织（一个合约）的一个成员成为一个中介账户（另一个合约），为一个偏执的使用定制的基于量子证明的兰波特签名（第三个合约）的个人和一个自身使用由五个私钥保证安全的账户（第四个合约）的共同签名实体提供中介服务。以太坊平台的强大之处在于去中心化的组织和代理合约不需要关心合约的每一参与方是什么类型的账户。

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。

（6）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：

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CHARLIE的交易发送后，状态转换函数的处理过程如下：

（1）检查交易是否有效、格式是否正确。

（2）检查交易发送者至少有2000*0.001=2个以太币。如果有，从发送者账户中减去2个以太币。

（3）初始设定gas=2000,假设交易长为170字节，每字节的费用是5，减去850，所以还剩1150。

（4）从发送者账户减去10个以太币，为合约账户增加10个以太币。

（5）运行代码。在这个合约中，运行代码很简单：它检查合约存储器索引为2处是否已使用，注意到它未被使用，然后将其值置为CHARLIE。假设这消耗了187单位的瓦斯，于是剩余的瓦斯为1150 - 187 = 963。

（6）向发送者的账户增加963*0.001=0.963个以太币，返回最终状态。 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。操作可以访问三种存储数据的空间：

·     堆栈，一种后进先出的数据存储，32字节的数值可以入栈，出栈。

·     内存，可无限扩展的字节队列。

·     合约的长期存储，一个密钥/数值的存储，其中密钥和数值都是32字节大小，与计算结束即重置的堆栈和内存不同，存储内容将长期保持。

代码可以像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。

EVM代码的正式执行模型令人惊讶地简单。当以太坊虚拟机运行时，它的完整的计算状态可以由元组(block_state, transaction, message, code,memory, stack, pc, gas)来定义，这里block_state是包含所有账户余额和存储的全局状态。每轮执行时，通过调出代码的第pc（程序计数器）个字节，当前指令被找到，每个指令都有定义自己如何影响元组。例如，ADD将两个元素出栈并将它们的和入栈，将gas（瓦斯）减一并将pc加一，SSTORE将顶部的两个元素出栈并将第二个元素插入到由第一个元素定义的合约存储位置，同样减少最多200的gas值并将pc加一，虽然有许多方法通过即时编译去优化以太坊，但以太坊的基础性的实施可以用几百行代码实现。

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。以太坊中的区块确认算法如下：

（1）检查区块引用的上一个区块是否存在和有效。

（2）检查区块的时间戳是否比引用的上一个区块大，而且小于15分钟。

（3）检查区块序号、难度值、 交易根，叔根和瓦斯限额（许多以太坊特有的底层概念）是否有效。

（4）检查区块的工作量证明是否有效。

（5）将S[0]赋值为上一个区块的STATE_ROOT。

（6）将TX赋值为区块的交易列表，一共有n笔交易。对于属于0……n-1的i，进行状态转换S[i+1]= APPLY(S[i],TX[i])。如果任何一个转换发生错误，或者程序执行到此处所花费的瓦斯（gas）超过了GASLIMIT，返回错误。

（7）用S[n]给S_FINAL赋值, 向矿工支付区块奖励。

（8）检查S-FINAL是否与STATE_ROOT相同。如果相同，区块是有效的。否则，区块是无效的。

这一确认方法乍看起来似乎效率很低，因为它需要存储每个区块的所有状态，但是事实上以太坊的确认效率可以与比特币相提并论。原因是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。

 

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：

链上令牌系统有很多应用，从代表如美元或黄金等资产的子货币到公司股票，单独的令牌代表智能资产，安全的不可伪造的优惠券，甚至与传统价值完全没有联系的用来进行积分奖励的令牌系统。在以太坊中实施令牌系统容易得让人吃惊。

关键的一点是理解所有的货币或者令牌系统，从根本上来说是一个带有如下操作的数据库：从A中减去X单位并把X单位加到B上，前提条件是：(1)：A在交易之前有至少X单位，(2)：交易被A批准。实施一个令牌系统就是把这样一个逻辑实施到一个合约中去。

用Serpent语言实施一个令牌系统的基本代码如下：

这从本质上来说是本文将要进一步描述的“银行系统”状态转变功能的一个最小化实施。需要增加一些额外的代码以提供在初始和其它一些边缘情况下分发货币的功能，理想情况下会增加一个函数让其它合约来查询一个地址的余额。就足够了。

理论上，基于以太坊的充当子货币的令牌系统可能包括一个基于比特币的链上元币所缺乏的重要功能：直接用这种货币支付交易费的能力。

实现这种能力的方法是在合约里维护一个以太币账户以用来为发送者支付交易费，通过收集被用来充当交易费用的内部货币并把它们在一个不断运行的拍卖中拍卖掉，合约不断为该以太币账户注资。这样用户需要用以太币“激活”他们的账户，但一旦账户中有以太币它将会被重复使用因为每次合约都会为其充值。

金融衍生品和价值稳定的货币：

金融衍生品是“智能合约”的最普遍的应用，也是最易于用代码实现的之一。实现金融合约的主要挑战是它们中的大部分需要参照一个外部的价格发布器；例如，一个需求非常大的应用是一个用来对冲以太币（或其它密码学货币）相对美元价格波动的智能合约，但该合约需要知道以太币相对美元的价格。最简单地方法是通过由某特定机构（例如纳斯达克）维护的“数据提供“合约进行，该合约的设计使得该机构能够根据需要更新合约，并提供一个接口使得其它合约能够通过发送一个消息给该合约以获取包含价格信息的回复。

当这些关键要素都齐备，对冲合约看起来会是下面的样子：

（1）等待A输入1000以太币。.

（2）等待B 输入1000以太币。

（3）通过查询数据提供合约，将1000以太币的美元价值，例如，x美元，记录至存储器。

（4）30天后，允许A或B“重新激活“合约以发送价值x美元的以太币（重新查询数据提供合约以获取新价格并计算）给A并将剩余的以太币发送给B。

这样的合约在密码学商务中有非同寻常的潜力。密码学货币经常被诟病的一个问题就是其价格的波动性；虽然大量的用户和商家可能需要密码学资产所带来的安全和便利，可他们不太会乐意面对一天中资产跌去23%价值的情形。直到现在，最为常见的推荐方案是发行者背书资产；思想是发行者创建一种子货币，对此种子货币他们有权发行和赎回，给予（线下）提供给他们一个单位特定相关资产（例如黄金，美元）的人一个单位子货币。发行者承诺当任何人送还一个单位密码学资产时。发还一个单位的相关资产。这种机制能够使任何非密码学资产被“升级“为密码学资产，如果发行者值得信任的话。 然而实践中发行者并非总是值得信任的，并且一些情况下银行体系太脆弱，或者不够诚实守信从而使这样的服务无法存在。

金融衍生品提供了一种替代方案。这里将不再有提供储备以支撑一种资产的单独的发行者，取而代之的是一个由赌一种密码学资产的价格会上升的投机者构成的去中心化市场。与发行者不同，投机者一方没有讨价还价的权利，因为对冲合约把他们的储备冻结在了契约中。注意这种方法并非是完全去中心化的，因为依然需要一个可信任的提供价格信息的数据源，尽管依然有争议这依然是在降低基础设施需求（与发行者不同，一个价格发布器不需要牌照并且似乎可归为自由言论一类）和降低潜在欺诈风险方面的一个巨大的进步。

身份和信誉系统：

最早的替代币，域名币，尝试使用一个类比特币块链来提供一个名称注册系统，在那里用户可以将他们的名称和其它数据一起在一个公共数据库注册。最常用的应用案例把象“bitcoin.org“（或者再域名币中，”bitcoin.bit“）一样的域名与一个IP地址对应的域名系统。其它的应用案例包括电子邮件验证系统和潜在的更先进的信誉系统。这里是以太坊中提供与域名币类似的的名称注册系统的基础合约：

合约非常简单就是一个以太坊网络中的可以被添加但不能被修改或移除的数据库。任何人都可以把一个名称注册为一个值并永远不变。一个更复杂的名称注册合约将包含允许其他合约查询的“功能条款“，以及一个让一个名称的拥有者（即第一个注册者）修改数据或者转让所有权的机制。甚至可以在其上添加信誉和信任网络功能。

去中心化存储：

在过去的几年里出现了一些大众化的在线文件存储初创公司，最突出的是Dropbox，它寻求允许用户上传他们的硬盘备份，提供备份存储服务并允许用户访问从而按月向用户收取费用。然而，在这一点上这个文件存储市场有时相对低效；对现存服务的粗略观察表明，特别地在“神秘谷“20-200GB这一既没有免费空间也没有企业级用户折扣的水平上，主流文件存储成本每月的价格意味着支付在一个月里支付整个硬盘的成本。以太坊合约允许去中心化存储生态的开发，这样用户通过将他们自己的硬盘或未用的网络空间租出去以获得少量收益，从而降低了文件存储的成本。

这样的设施的基础性构件就是我们所谓的“去中心化Dropbox合约“。这个合约工作原理如下：首先，某人将需要上传的数据分成快，对每一块数据加密以保护隐私，并且以此构建一个默克尔树。然后创建一个含以下规则的合约，每N个块，合约将从默克尔树中抽取一个随机索引（使用能够被合约代码访问的上一个块的哈希来提供随机性）。

然后给第一个实体X以太以支撑一个带有类似简化验证支付（SPV）的在树中特定索引处的块的所有权证明。当一个用户想重新下载他的文件，他可以使用微支付通道协议（例如每32k字节支付1萨博）恢复文件；从费用上讲最高效的方法是支付者不到最后不发布交易，而是用一个略微更合算的带有同样随机数的交易在每32k字节之后来代替原交易。

这个协议的一个重要特征是，虽然看起来象是一个人信任许多不准备丢失文件的随机节点，但是他可以通过秘密分享把文件分成许多小块，然后通过监视合同得知每个小块都还被某个节点的保存着。如果一个合约依然在付款，那么就提供了某个人依然在保存文件的证据。

去中心化自治组织：

通常意义上“去中心化自治组织（DAO, decentralized autonomous organization）”的概念指的是一个拥有一定数量成员或股东的虚拟实体，依靠比如67%多数来决定花钱以及修改代码。成员会集体决定组织如何分配资金。分配资金的方法可能是悬赏，工资或者更有吸引力的机制比如用内部货币奖励工作。这仅仅使用密码学块链技术就从根本上复制了传统公司或者非营利组织的法律意义以实现强制执行。至此许多围绕DAO的讨论都是围绕一个带有接受分红的股东和可交易的股份的“去中心化自治公司（DAC，decentralized autonomous corporation）”的“资本家”模式；作为替代者，一个被描述为“去中心化自治社区（decentralized autonomous community）”的实体将使所有成员都在决策上拥有同等的权利并且在增减成员时要求67%多数同意。每个人都只能拥有一个成员资格这一规则需要被群体强制实施。

下面是一个如何用代码实现DO的纲要。最简单地设计就是一段如果三分之二成员同意就可以自我修改的代码。虽然理论上代码是不可更改的，然而通过把代码主干放在一个单独的合约内并且把合约调用的地址指向一个可更改的存储依然可以容易地绕开障碍而使代码变得可修改，在一个这样的DAO合约的简单实现中有三种交易类型，由交易提供的数据区分：

（1）[0,i,K,V] 注册索引为i 的对存储地址索引为K 至 v 的内容的更改建议。

（2）[0,i] 注册对建议i 的投票。

（3）[2,i] 如有足够投票则确认建议i。

然后合约对每一项都有具体的条款。它将维护一个所有开放存储的更改记录以及一个谁投票表决的表。还有一个所有成员的表。当任何存储内容的更改获得了三分之二多数同意，一个最终的交易将执行这项更改。一个更加复杂的框架会增加内置的选举功能以实现如发送交易，增减成员，甚至提供委任制民主一类的投票代表（即任何人都可以委托另外一个人来代表自己投票，而且这种委托关系是可以传递的，所以如果A委托了B然后B委托了C那么C将决定A的投票）。这种设计将使DAO作为一个去中心化社区有机地成长， 使人们最终能够把挑选合适人选的任务交给专家，与当前系统不同，随着社区成员不断改变他们的站队假以时日专家会容易地出现和消失。 一个替代的模式是去中心化公司，那里任何账户可以拥有0到更多的股份，决策需要三分之二多数的股份同意。一个完整的框架将包括资产管理功能-可以提交买卖股份的订单以及接受这种订单的功能（前提是合约里有订单匹配机制）。代表依然以委任制民主的方式存在，产生了“董事会”的概念。

更先进的组织治理机制可能会在将来实现；现在一个去中心化组织（DO）可以从去中心化自治组织（DAO）开始描述。DO和DAO的区别是模糊的，一个大致的分割线是治理是否可以通过一个类似政治的过程或者一个“自动”过程实现，一个不错的直觉测试是“无通用语言”标准：如果两个成员不说同样的语言组织还能正常运行吗？显然，一个简单的传统的持股式公司会失败，而象比特币协议这样的却很可能成功，罗宾·汉森的“futarchy”，一个通过预测市场实现组织化治理的机制是一个真正的说明“自治”式治理可能是什么样子的好例子。注意一个人无需假设所有DAO比所有DO优越；自治只是一个在一些特定场景下有很大优势的，但在其它地方未必可行的范式，许多半DAO可能存在。

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