ETH

• 以太币（Ether，ETH）：一种数字货币，在以太坊（Ethereum）区块链发行。
• 官方文档 (opens new window)
• 与 BTC 相比，以太坊提供了一种图灵完备的脚本语言，允许用户编写去中心化程序，部署在区块链中。

EVM

• 以太坊虚拟机 (EVM)：由以太坊所有节点共同维护的一个虚拟机，负责执行操作指令，比如转账、部署合约、调用合约等。

  • 用户通过广播交易的方式，请求 EVM 执行某些指令。
  • 以太坊区块链负责存储所有交易数据，而 EVM 负责读取区块链中的交易，转换成指令，然后执行。
  • EVM 的工作流程：
    1. 用户广播一个交易，被打包到最新一个区块，然后区块被广播到所有以太坊节点。
    2. 每个以太坊节点运行了一个 EVM 实例，会将最新一个区块中的交易放到 EVM 中执行，据此更新以太坊账户的数据，然后将最新数据保存在本机。

• EVM 的操作指令是一种堆栈语言，示例：

  POP             # 删除栈顶的一个值
  PUSH1 <uint8>   # 耗费 3 gas ，将 1 字节的数据压入堆栈
  PUSH2 <uint16>  # 耗费 3 gas ，将 2 字节的数据压入堆栈
  PUSH3 <uint24>  # 耗费 3 gas ，将 3 字节的数据压入堆栈
  
  ADD a b     # 耗费 3 gas ，计算两个数之和
  MUL a b     # 耗费 5 gas ，计算两个数的乘积
  SUB a b     # 耗费 3 gas ，计算两个数之差，即 a - b
  DIV a b     # 耗费 5 gas ，计算两个数的整除
  
  CALL        # 耗费 0 gas ，调用一个账户 address
  STOP        # 耗费 0 gas ，停止执行
  RETURN      # 耗费 0 gas ，停止执行并返回输出数据
  

  • 官方文档 (opens new window)

MPT

• 在存储层，以太坊以区块为单位记录交易。在抽象层，以太坊以 MPT（Merkle Patricia Trie） 数据结构记录全部账户的数据。
  • MPT 称为以太坊世界的状态机（world state），结合了两种树形结构的特点：
    • Merkle tree 哈希树
      • 每个叶子节点记录一个 ETH 账户的数据，比如余额、合约代码。
      • 父节点存放了其下所有子节点组合之后的哈希值。
    • Patricia trie 前缀树
      • 将前缀相同的账户存放在树的同一条路径上，方便查找。
  • 每打包一个新区块，会执行一些交易，修改 MPT 的一些叶子节点。因此每个区块时刻，MPT 数据都不同。
  • BTC 需要统计所有历史交易的输入、输出，才能计算出所有账户的 UTXO 即余额。而以太坊需要执行所有历史区块的交易，才能得到最新的 MPT 数据。
  • 目前以太坊 MPT 有几亿个节点，体积很大，因此以太坊客户端不必将整个 MPT 载入内存，而是根据节点路径从磁盘读取子树。

区块

• 一个区块的数据结构分为两部分：

  • header ：存储区块的元数据。
  • body ：存储一些交易信息。

• 以太坊的区块 header 包含以下字段：

  • slot ：出块周期的编号。
  • proposer_index ：该区块的提议者的 ID 。
  • parent_root ：前一个区块的 header 的哈希值。
  • state_root ：当前 MPT 根节点的哈希值。
  • nonce ：用于 PoW 挖矿。
    • 以太坊转向 PoS 之后弃用每个区块的 difficulty、nonce 字段，总是设置为 0 。

• 目前以太坊每 12 秒生成一个新区块，每个区块平均包含 150 条交易，因此每秒事务数（TPS）为 12 左右。

• 以太坊的原生代币名为 Ether ，简称为 ETH 。

  • 矿工打包区块时，会产生少量的 ETH 作为奖励，
  • ETH 总量没有上限。
  • ETH 数量的最小单位为 Wei ，1 ETH = 10^18 Wei 。

PoS

• 对于谁有权生成新区块，以太坊早期采用 PoW 共识算法，后来转向了 PoS 共识算法。主要原理：

  • 一个节点通过智能合约质押（staking） 32 个 ETH ，就能成为验证者（validator），负责投票验证新区块是否有效。
    • 如果行为不诚实，或者没有准时验证新区块，则质押的 ETH 减少一部分，作为惩罚。
    • 如果工作称职，则质押的 ETH 少量增加，作为奖励。
  • 至少 128 个验证者组成一个委员会（committee），以太坊网络上至少有 128 个 committee 。
    • 同一 committee 中，每个验证者按质押额度确定投票权重。
      • 假设一个 committee 所有验证者总共质押了 10000 ETH ，则一个质押了 32 ETH 的验证者，拥有 0.32% 的投票权。
  • 每 12 秒称为一个插槽（slot），允许打包一个区块。
    • 每个 slot ，随机选取一个 committee 负责打包区块。其中随机一个验证者担任提议者（proposer），有权打包一个新区块（可能没打包）。其他验证者负责投票验证。
  • 每 32 个 slot 称为一个时期（epoch），有 384 秒。
    • 每个 epoch ，将所有验证者以 committee 为单位分组。
    • 最新的一个 epoch 尚未完成，可能被篡改，不够安全。
    • 当一个 epoch 完成，并获得超过 2/3 的验证者投票认同时，该 epoch 变为合理（justified）状态，又称为 safe 状态。
    • 在 justified epoch 之前的 epoch 处于最终确定（finalized）状态，表示区块几乎不可能被篡改。
  • Slash ：如果发现不诚实的节点，提议者可以在新区块中记录对它的惩罚，罚掉一部分质押额给提议者。
    • 常见的违规行为：提议者在同一 slot 打包超过一个区块、验证者提交多个相互矛盾的投票
  • 如果区块链分叉，则不采用最长链，而是得到验证者投票最多的链。

• 与 PoW 相比，PoS 的优点：

  • 去掉了工作量成本，大幅降低了挖矿消耗的计算机硬件、电能，不过矿工打包新区块的奖励也很少。
  • 大幅降低了挖矿的门槛，避免大公司控制大量矿工算力，导致投票权中心化。不过拥有更多 ETH 的用户，可以控制更多验证者，也会导致投票权中心化。
  • 出块周期固定为 10s ，不像 BTC 会因为挖矿难度波动而改变出块时间。
  • 对 PoS 进行 51% 攻击，需要质押超过 50% 的 ETH ，成本几乎不可能实现，且攻击一次之后就会损失质押的 ETH 。

节点

• 一些主机运行以太坊客户端，根据以太坊协议相互通信，组成了以太坊网络。这些主机称为以太坊节点。

  • 每个节点会存储区块链数据的一个副本，但 EVM 在以太网中只存在一个实例。
  • 通常人们使用的是以太坊主网络，但还有测试网络等其它网络。每个网络中存在一条独立的区块链。

• 以太坊客户端的架构分为两层：

  • 执行客户端（execution client）
    • ：ETH v1 原有的客户端，负责保存最新的 MPT 数据、监听网络中广播的新交易并放到 EVM 中执行。
    • 工作在以太坊的执行层，加入主链的 p2p 网络，参与广播交易。
  • 共识客户端（consensus client）
    • ：ETH v2 新增的客户端，根据 PoS 算法验证区块数据是否有效。
    • 工作在以太坊的共识层，加入信标链的 p2p 网络，参与广播区块。
    • 用户可以在同一主机上同时运行一个执行客户端和一个共识客户端，两个进程以 RPC 方式相互通信。
      • 共识客户端可以独立运行，而执行客户端运行时依赖共识客户端。
    • 例如节点同步最新一个区块的流程：
      1. 共识客户端，根据区块八卦协议（block gossip protocol），从其它节点接收一个区块。
      2. 共识客户端，检查区块的格式是否有效，然后发送到执行客户端。
      3. 执行客户端，将区块中的所有交易放到 EVM 中执行，更新 MPT 数据，然后检查区块头的哈希值是否正确。
      4. 执行客户端，将验证数据传给共识客户端，表示该区块是有效的。
      5. 共识客户端，将区块保存到本机区块链的头部，然后在共识层网络中广播。

• 节点分类：

  • 全节点（Full Node）
    • ：存储了全部区块的完整数据。
    • 能独立验证区块数据，因此能担任矿工、验证者.
  • 轻节点（Light Node）
    • ：存储了全部区块的 header ，需要获取区块 body 时，再从全节点下载。
      • 可根据自己存储的 header ，验证全节点提供的各个区块是否正确。
    • 不能独立验证区块数据，因此不能担任矿工、验证者.
  • 归档节点（Archive Node）
    • ：存储了全部区块的完整数据，以及每个区块时刻的 EVM 状态。

• 启动以太坊客户端时，需要从网络获取最新的 EVM 数据。有多种同步方式：

  • 完全同步（full sync）
    • ：下载全部区块的完整数据，然后从创世区块开始依次执行各个区块的每一笔交易，最终得到最新的 EVM 数据。
    • 该同步方式的安全性最高，但是耗时为几周，占用几十 TB 的磁盘。
  • 快速同步（fast sync）
    • ：下载全部区块的完整数据，然后根据每个区块的 header 验证区块的 body 是否正确。最近的 64 个区块则按 full sync 方式同步。
    • 耗时为几十小时。
  • 快照同步（snap sync）
    • ：下载最近的一个 MPT 快照，下载 MPT 叶子节点的数据并验证，然后在本机生成 MPT 的非叶子节点。
    • 该同步方式由 Geth 团队发明，耗时为几小时，占用几百 GB 的磁盘。
  • 轻同步（light sync）
    • ：下载最近一些区块的完整数据，随机挑一些区块验证其 header、body 。
    • 耗时为几分钟，安全性最低。
    • 目前以太坊网络中支持 light sync 的服务器很少，因为全节点缺乏激励做这事。

• 相关概念：

  • https://etherscan.io/nodetracker (opens new window) ：查看全球的节点统计。
  • Geth (opens new window) ：最流行的一个以太坊执行客户端，采用 Golang 开发。
    • Geth 会监听 HTTP 端口，与其它节点进行 RPC 通信。
  • Prysm (opens new window) ：一个以太坊共识客户端，采用 Golang 开发。

账户

• 以太坊的账户地址分为两种：

  • 外部账户（Externally-owned）
    • ：供普通用户使用，由私钥控制。
    • 示例：

      0xcf4ec3c95d568ac6fc8413d163e645d3375639bbec5e90f74aa21d2e8eb38c20  # 私钥
      0xfd5aC7632B2044D8D3F5C7ce08b9d69e8b93493e                          # 公钥
      

  • 合约账户（Contract）
    • ：部署一个智能合约时会创建一个合约账户。地址为 40 位长度的十六进制数，没有私钥。
    • 两种账户都能交易代币、使用智能合约。
    • 创建外部账户是免费的，而创建合约账户需要付费。

• 生成外部账户的步骤：

  1. 根据椭圆曲线 secp256k1 生成一对公钥、私钥，长度都为 32 bytes 。
  2. 将私钥表示成 64 位长度的十六进制数。
  3. 计算公钥的 keccak256 哈希值，取最后 20 bytes ，表示成 40 位长度的十六进制数，作为账户地址。

• MPT 中，每个账户会记录以下数据：

  nonce         # 账户已执行的交易次数，从 0 开始递增
  balance       # 账户持有的 ETH 余额，单位为 Wei
  codeHash      # 合约账户的代码哈希值，用于从 EVM 数据库中获取智能合约。外部账户的该字段为空
  storageRoot   # 合约账户的存储哈希值，用于从 EVM 数据库中获取存储数据。外部账户的该字段为空
  

交易

• 用户想让 EVM 执行指令时，需要广播交易（transaction）请求，然后等待矿工将该指令打包到新区块。

  • 每个交易请求需要消耗 EVM 的一些计算资源，称为 Gas 。
  • 以太坊网络的负载时大时小，因此同样的交易需要消耗的 Gas 数量经常变化。

• 常见的交易类型：

  • 常规交易：在账户之间转账 ETH 。
  • 部署合约
  • 调用合约：发送一些 ETH 和输入参数到合约账户，执行合约代码。

• 用户请求交易时，需要付出一些 ETH 费用。分为两部分：

  • Base Fee（基础费用）
    • ：为了避免请求对 EVM 的负载过大，用户必须根据消耗的 Gas 量燃烧一些 ETH ，即永久销毁。
  • Priority Fee（优先费用）
    • ：付给矿工的小费，可以为 0 。给得越多，越容易被矿工打包。

• 用户请求交易时，需要声明以下信息：

  From          # 从哪个账户发送 ETH
  To            # 发送 ETH 到哪个账户
  value         # 发送的 ETH 数量，单位为 Wei
  data          # 自定义的数据，默认为空。常用于保存调用合约时的输入参数
  signature     # 用户根据私钥创建的签名，用于授权该交易
  
  gasLimit      # 该交易最多消耗多少单位的 Gas 。常规交易默认为 21000 ，调用合约可能需要更多 Gas 。
  maxFeePerGas  # Gas 最大单价。对于每单位 Gas ，用户最多愿意付出多少 Gwei
  maxPriorityFeePerGas  # 每单位 Gas 中，最多愿意付出多少 Gwei 作为矿工的小费
  gasPrice      # 每单位 Gas 等于多少 Gwei ，1 ETH = 10^9 Gwei
  

  • 用户请求交易之前需要估计最多付费：

    maxFeePerGas = (baseFeePerGas + maxPriorityFeePerGas)
    maxFee = maxFeePerGas * gasLimit
    

    实际付费为：

    FeePerGas = (baseFeePerGas + PriorityFeePerGas)
    Fee = FeePerGas * gasUsed
    

  • 如果实际付费 Fee 少于最多付费 maxFee ，则差额会退款。
  • 如果交易需要消耗的 Gas 超过 gasLimit ，则消耗完 gasLimit 之后交易会执行失败，不会退款。

• 每个交易打包到区块之后，会产生一个回执（Recipt），表示该交易的结果。包含以下信息：

  status    # 交易是否成功。取值 1、0 分别表示成功、失败。比如账户余额不足时会交易失败
  gasUsed   # 实际消耗多少 Gas
  txHash    # 交易的哈希值
  
  txHash    # 交易的哈希值
  

智能合约

• 多次让 EVM 执行请求时，可能会重复使用一些指令。可以将这些指令上传到区块链，供以后重复调用，称为智能合约（Smart Contract）。

  • 智能合约像 HTTP API ，但用户调用它时不是发出 HTTP 请求，而是发出以太坊交易请求。
  • 将程序的关键代码片段制作成智能合约，就可以实现去中心化程序（Decentralized Application ，DAPP）。

• 智能合约的工作流程：

  1. 开发人员编写一个智能合约，编译成 EVM 字节码之后上传到区块链（称为部署）。
  2. 某些用户发出以太坊交易请求，调用智能合约的 public 函数。

• 部署智能合约时，会根据部署者的账户地址、账户 nonce 生成一个全网唯一的合约账户地址。

  • 每个合约账户会在区块链中存储字节码、状态变量等数据。
  • 智能合约部署之后，永久保存在区块链上，对所有人公开可见、可调用。
  • 开发者通常会将源代码公布在社区，包含注释，方便大家阅读。而该源代码编译之后的字节码，与区块链中的一致。

• 部署智能合约之后不能修改代码，不像普通软件可以升级版本。因此部署之前应该仔细测试。

  • 有几种方式间接修改智能合约：
    • 迁移合约：迁移旧合约的数据到新合约，然后通知用户使用新合约地址。
    • 数据分离：将代码、数据分别存储到两个合约，称为逻辑合约（logic contract）、存储合约（storage contract），让用户调用逻辑合约。这样更换逻辑合约时，不需要迁移存储合约。
    • 代理模式：在数据分离的基础上，在存储合约中加入代理代码，成为代理合约。用户访问代理合约时，会间接调用逻辑合约。这样更换逻辑合约时，不需要通知用户。
  • 在函数中执行 selfdestruct(address); 可销毁智能合约：将合约账户的全部 ETH 发送到指定账户，然后在区块链中删除合约账户的代码、存储（不影响历史数据）。
    • 如果以后有账户发送 ETH 来调用该智能合约，则不会有反应，ETH 也会丢失。

代码示例

• 开发以太坊智能合约时，通常采用 Solidity 语言。它是一种面向对象的高级语言，静态类型。

• 例：用 Solidity 编写一个智能合约

  pragma solidity >= 0.7.0;   // 声明语法版本
  
  // 定义一个智能合约，名为 Coin
  // 本例定义一种自定义的代币，可调用函数来铸造代币、发送代币
  contract Coin {
      // 定义一些状态变量
      string dapp_name;
      address public deployer;
      // 定义 balances 变量，用于记录各个账户的代币余额。它是 mapping 数据类型，将 address 类型映射到 uint 类型
      mapping (address => uint) public balances;
  
      // 定义事件消息
      event Sent(address from, address to, uint amount);
      // 定义报错消息
      error InsufficientBalance(uint requested, uint available);
  
      // 构造函数，用于初始化合约。只会执行一次，就是当合约部署到区块链上时
      constructor() {
          deployer = msg.sender;  // 记录合约的部署者
      }
  
      // mint() 函数用于铸造 amount 数量的代币，发送给 receiver
      function mint(address receiver, uint amount) public {
          require(msg.sender == deployer);  // 要求合约调用者是合约部署者，否则终止函数，不允许铸造代币
          require(amount < 100);            // 限制一次铸造代币的数量
          balances[receiver] += amount;     // 修改 balances 变量，增加指定账户的代币余额
      }
  
      // send() 函数用于从合约调用者发送 amount 数量的代币，给 receiver
      function send(address receiver, uint amount) public {
          // 如果合约调用者的余额不足，则终止函数并报错
          if (amount > balances[msg.sender])
              revert InsufficientBalance(amount, balances[msg.sender]);
          balances[msg.sender] -= amount;
          balances[receiver] += amount;
          emit Sent(msg.sender, receiver, amount);
      }
  }
  

• 关于变量：

  • 在函数外创建的变量称为状态变量（State variable），用于记录智能合约的状态数据，每次赋值都会存储到区块链，每次读写都需要消耗较多 gas （比基本算术指令贵 100 倍）。
  • 在函数内创建的变量称为内存变量（memory variable），不会存储到区块链，因此使用成本低。
  • 智能合约每次被调用时，都有一些特殊的全局变量可用：

    block.number  // 当前的区块号
    msg.data      // 调用者发送的数据
    msg.sender    // 调用者的账户地址
    msg.value     // 调用者发送的 ETH 数量，单位为 wei
    tx.gasprice   // 当前交易的 gas 价格
    

• 常用的关键字：

  • contract ：用于定义智能合约，像 Java 的类，包含一些变量、函数。
  • function ：用于定义函数。
    • 函数不一定需要 return 返回值。
  • private ：用于声明函数、变量，表示只能在当前合约内访问。也可写作 internal 关键字。
  • public ：用于声明函数、变量，表示可以被其它合约访问。也可写作 external 关键字。
    • 编译器会自动为 public 类型的状态变量创建一个同名函数，供其它合约调用来获取状态变量的值。例如 address public deployer; 对应的函数为：

      function deployer() external view returns (address) {
          return deployer;
      }
      

      mapping (address => uint) public balances; 对应的函数为：

      function balances(address account) external view returns (uint) {
          return balances[account];
      }
      

  • returns ：放在函数头的末尾，用于声明函数返回值的类型。
  • view ：用于声明函数，表示该函数只用于读取，不会修改智能合约的状态，比如修改状态变量、发射事件、调用其它非 view 函数。
  • event、emit ：用于定义、发送事件。
    • 智能合约可以发送事件，保存到区块链上。而以太坊客户端可以监听区块链上的事件，从而及时知晓智能合约的执行状态，比如记录日志。
  • error ：用于定义报错信息。
  • revert ：用于终止函数，返回报错信息给合约调用者。
    • 通过 revert、require() 终止函数时，不会保存对状态变量的修改。

ERC20

• ERC20（Ethereum Request for Comments 20）是 2015 年发布的一种基于以太坊的代币标准。
  • 早期的区块链行业，开发者需要研发区块链协议，运行一条独立的区块链，才能发行一种数字货币。而使用 ERC20 ，开发者可以低成本发行很多种代币，依靠以太坊的生态，不需要运行一条独立的区块链。
• 用户部署一个实现以下 API 的智能合约，即可创建一种符合 ERC20 标准的代币（token）。

  // 返回代币的名称
  function name() public view returns (string)
  // 返回代币的符号，通常是名称的英文缩写
  function symbol() public view returns (string)
  // 返回代币的小数位数
  function decimals() public view returns (uint8)
  // 返回代币的总供应量
  function totalSupply() public view returns (uint256)
  // 返回 _owner 账户的代币余额
  function balanceOf(address _owner) public view returns (uint256 balance)
  // 从合约调用者转账代币到 _to 账户
  function transfer(address _to, uint256 _value) public returns (bool success)
  // 从 _from 账户转账代币到 _to 账户
  function transferFrom(address _from, address _to, uint256 _value) public returns (bool success)
  // 合约调用者授权给 _spender 账户，允许它从前者账户转走最多 _value 数量的代币
  function approve(address _spender, uint256 _value) public returns (bool success)
  // 返回 _spender 账户从 _owner 账户剩下有权转走的代币数量
  function allowance(address _owner, address _spender) public view returns (uint256 remaining)
  
  // transfer()、transferFrom() 函数应该触发该事件，包括转账数量为 0 的情况，不包括抛出异常的情况
  event Transfer(address indexed _from, address indexed _to, uint256 _value)
  // approve() 函数执行成功时应该触发该事件
  event Approval(address indexed _owner, address indexed _spender, uint256 _value)
  

  • 假设 decimals 为 4 ，则一个账户的 balance 为 100 时，实际上拥有 100/10^4=0.01 个代币。
  • 在 DEX 交易所，用户第一次交易某种 ERC20 代币之前，需要进行一次 approve() 授权，允许 DEX 智能合约转走用户的这种代币，从而进行交易。

ERC721

• ERC721 是 2018 年发布的一种基于以太坊的代币标准，称为不可替换代币（Non-Fungible Token，NFT）、非同质化代币。
  • NFT 代币适合代表一些独一无二的事物，比如彩票、门票、版权。
• ERC721 要求用户部署一个实现以下 API 的智能合约。

  // 返回某个账户拥有的代币数量
  function balanceOf(address _owner) external view returns (uint256);
  // 返回某个代币的所有者账户
  function ownerOf(uint256 _tokenId) external view returns (address);
  // 转账代币
  function transferFrom(address _from, address _to, uint256 _tokenId) external payable;
  ...
  

  • 每个代币有一个全局唯一的 tokenId ，数据类型为 uint256 。
• 相关概念：
  • 2017 年，网络游戏 CryptoKitties 发行了一种 NFT 代币，每个代币绑定一个猫的卡通图像。
    • 该游戏吸引了大量用户买卖 NFT 代币，甚至导致以太坊的网络拥堵。
    • 该游戏是第一个出名的区块链游戏，也推广了 NFT 技术。
  • 2017 年，世界上第一个 NFT 交易所 OpenSea (opens new window) 创立，随后成为了世界最大的 NFT 交易所。
    • 用户可在 OpenSea 平台上免费铸造 NFT 代币。不过有些用户将现实世界中不归自己所有的艺术品，铸造为自己的代币，导致抄袭或盗版。

扩展方案

• 以太坊的使用量变大之后，性能问题越来越严重：
  • TPS 低：每个区块能打包的交易数量少，即处理交易的速度慢，导致网络拥堵，大量交易等待被打包。
  • 费用高：因为网络拥堵，用户要争相付更高的交易费。
  • 耗时久：每个交易要等待区块打包、多次确认才算成功。
• 为了让以太坊有更多的功能、更好的性能，社区研究了一些扩展方案。主要分为两类：
  • 链上扩展：改进以太坊区块链，这需要修改以太坊协议。比如 ETH v2 。
  • 链下扩展：不修改以太坊协议，而是引入其它技术。比如跨链、layer2 。
• 以太坊改进提案（Ethereum Improvement Proposals ，EIP）：以太坊社区通过提案来讨论一些改进方案。
  • 全部提案 (opens new window)

ETH v2

• 在以太坊早期，开发人员就计划着将以太坊升级到 v2 版本，实施一些链上扩展方案。

• 以太坊升级到 v2 分为三个阶段：

  1. 2020 年，部署一条采用 PoS 的区块链，称为信标链（Beacon Chain）。
     • 启动信标链的前提条件，是至少 128*128=16384 个账户成为验证者，每个账户至少质押 32 ETH 。
  2. 2022 年，将信标链与主链合并，使得以太坊从 PoW 转向 PoS 。
  3. 创建 n=64 条分片链（Shard Chain），并行生成区块，保存到主链（也是信标链，因为已合并）。
     • 这会将全网的验证者随机分成 n 组，分别处理一条分片链。每条分片链都需要至少 16384 个验证者。
       • 当分片链的区块被打包、排序，并得到超过 2/3 的验证者投票认同之后，就会保存到主链。
       • 单个分片链的验证者较少，容易受到 51% 攻击。因此需要随机分配验证者到分片。
     • 分片链的优点是方便横向扩容，能将 TPS 提高 n 倍。

• 以太坊 v2 的主链、信标链、分片链分别称为执行层（execution layer）、共识层（consensus layer）、数据层（data layer）。

跨链

• 跨链（cross-chain）：泛指在不同区块链之间传递交易、代币等数据的技术。

  • 提供跨链服务的工具称为网桥（bridge）。
  • 不同区块链的功能、性能不同，通过跨链可以让用户同时使用多条区块链，组合它们的优势。例如：
    • 通过跨链将以太坊主网上的 ETH 转移到手续费更低的 layer2 链上，使用一段时间之后还可以转移回来。
    • 将一个 DAPP 在多个区块链上分别部署一个实例，多个实例之间通过跨链传递消息，从而相互通信。

• 封装代币（Wrapped token）：用一条区块链上的代币，代表另一条区块链上的代币进行使用，可跨链兑换。

  • ETH 是以太坊的原生代币，不兼容 ERC20 标准，因此不能与 ERC20 代币直接交易。
    • 2017 年，0x Labs 公司发行了一种名为 WETH 的 ERC20 代币，用户将 ETH 发送到智能合约之后，可得到等量的 WETH 。WETH 的兑换机制是去中心化的。
  • 在中心化交易所，用户可以将 BTC 兑换为法币、ETH 等其它类型的资产。而在 DEX 交易所，只支持同一条区块链上的代币交易。
    • 2019 年，Kyber、Ren、BitGo 等商家发行了一种名为 WBTC 的 ERC20 代币，全称为 wrapped BTC ，承诺可 1:1 兑换为 BTC 。用户可以在商家网站将 BTC 兑换为 WBTC ，然后在 DEX 交易所交易各种 ERC20 代币。WBTC 的兑换机制是中心化的。
    • 2020 年，Huobi 交易所发行了一种名为 HBTC 的 ERC20 代币，类似于 WBTC 。

• 当用户需要从源链转移一笔代币到目标链时，常见的跨链方式：

  • 锁定和铸币（Lock and mint）
    • ：锁定用户在源链上的代币，然后在目标链上铸造新代币，交给用户。
  • 销毁和铸币（Burn and Mint）
    • ：销毁用户在源链上的代币，然后在目标链上铸造新代币，交给用户。
  • 原子交换（Atomic Swap）
    • ：将源链上的代币，交换为目标链上的代币，像直接交易。

• 网桥按可信程度分为：

  • 受信任的网桥
    • 由中心化机构（比如 Binance 交易所）提供的网桥服务，用机构名誉保证网桥的安全性，用户在信任机构的前提下使用网桥。
  • 无信任的网桥
    • 由智能合约提供的网桥服务，用算法保证网桥的安全性，用户不需要信任第三方机构即可使用网桥。
    • 目前无信任的网桥技术尚未成熟，容易被黑客发现漏洞而攻击。

预言机

• 预言机（oracle）

  • ：一种中间件，能从区块链之外（称为链下）获取数据，写入区块链（称为链上）。也能从区块链输出数据到外部。
  • 智能合约本来只能读写区块链中的数据，难以与外部交互。有了预言机，智能合约就能读写区块链之外的数据，更像现实世界的合同，比如贸易合同、保险合同、借贷合同。
    • 例如某人向智能合约发送 1 ETH ，押注下周油价会大涨。一周后，智能合约可通过预言机知道油价的实际走势，判断此人是否赌对。

• 预言机的分类：

  • Input Oracle ：输入数据到区块链。
  • Output Oracle ：从区块链输出数据，比如发送 HTTP 请求给第三方网站。
  • Cross-Chain Oracle ：在不同的区块链之间传输数据。
  • Compute-Enabled Oracle ：在链下执行智能合约的某些计算操作。

• 预言机的难点：

  • 可信度：智能合约如何信任预言机输入的数据？
    • 通常只能实现一定程度上的可信度，做不到绝对可信。
    • 可对预言机采取激励、惩罚措施。
    • 可同时使用多个预言机，当多数预言机提供相同的数据时，才采纳。
  • 正确性：预言机如何保证输入的数据正确？预言机可能无意中传输错误的数据。
  • 可用性：部署在区块链中的智能合约会 24 小时持续工作，而区块链之外的预言机是否也持续可用，能及时输入数据？

• Chainlink (opens new window)

  • ：一个去中心化的预言机网络（Decentralized Oracle Networks，DON），于 2019 年开始在以太坊之上运行。
  • Chainlink 发行了一种名为 LINK 的 ERC677 代币（兼容 ERC20 标准）。
    • 用户调用预言机的 API 查询数据时，需要支付 LINK 作为费用。
    • 用户可运行 Chainlink 节点，加入 Chainlink 网络，然后出售自己的数据 API ，得到 LINK 作为报酬。
  • 提供的数据 API 主要分为几类：
    • Data Feeds ：查询某个数字货币的价格。
    • Any API ：获取各种链下数据，比如股票、天气。
    • VRF（Verifiable Random Function，可验证的随机函数）：一种随机数生成器。
  • 在 https://market.link (opens new window) 网站可搜索可用的 API 、节点。

layer2

• layer1 ：指用户直接访问区块链的场景，需要亲自广播交易。

• layer2 ：在区块链的基础上，增加一层应用供用户访问，然后将交易结果保存到 layer1 区块链。

  • 优点：layer1 提供的功能有限，而 layer2 能执行功能复杂的操作。
  • 缺点：layer2 应用可能出错，不如 layer1 可信、安全。

• 常见的几种 layer2 方案：

  • 状态通道（State channel）
    • ：在区块链之外临时创建一个通道，供两个用户进行任意数量的交易，然后将这些交易的结果保存到区块链。
    • 与 BTC 的闪电交易同理，通过密钥证明链下交易的有效性。
  • 汇总（Rollup）
    • ：在区块链之外执行任意数量的交易，然后将结果汇总、压缩之后，保存到区块链。
    • 难点：需要保证汇总交易的有效性。

• 乐观汇总（Optimistic rollup）：

  1. 先假设汇总交易是有效的，保存到区块链。
  2. 然后有一个时间窗口，任何人都可以提交欺诈证明（fraud proof），质疑汇总交易的有效性。
     • 如果欺诈证明成立，则惩罚汇总交易的提交者的保证金，奖励给质疑者。
     • 如果没人提交欺诈证明，或者提交的欺诈证明无效，则汇总交易最终生效。

• 零知识汇总（Zero-knowledge rollup）

  • ：将汇总交易保存到区块链时，包含零知识的有效性证明（Validity proof）。
  • 零知识证明
    • ：一种密码学算法，用于证明某个命题的存在，但不泄漏其具体内容。
      • 例如用户 A 向 B 证明自己拥有数据 data 时，可以让 B 随机选取 data 中的某个片段进行验证，如果验证 n 个片段都成功，则极大概率证明了 A 拥有数据 data 。
      • A 可以证明给多个校验者看，但后者不能传递证明给第三方，只有 A 亲自证明才有效。
    • 哈希校验就属于零知识证明。
    • 区块链常见的零知识证明算法是 ZK-SNARK、ZK-STARK 。可以在不透明用户转账金额是多少的情况下，证明该转账的确发生了。
  • 优点：零知识汇总的交易会立即生效，而乐观汇总要经过时间窗口之后才会生效。
  • 缺点：零知识证明比较复杂，难以兼容原生的 EVM ，需要进行大量 EVM 计算、消耗大量 gas 。
    • 目前一些开发者在研发兼容 zk-rollup 的 EVM ，称为 zkEVM ，试图提高效率、降低成本。

侧链

• 参考 BTC 的侧链方案。

Plasma

• Plasma ：一种区块链扩展方案，又称为子链。
• 原理：
  • 在以太坊主链之外，运行任意条子链。
  • 子链的共识规则可以与主链不同。
  • 用户可在子链与主链之间转移资产，转移时通过欺诈证明来仲裁。
    • 使用侧链、子链时，用户都可以从主链转移资产过来。而分片链是用于收集交易然后写入主链，不能独立使用。
  • 子链会定期将 merkle root 保存到主链，因此继承了主链的安全性。
    • 侧链不会将交易保存到主链，而子链会。因此当子链被攻击时，用户可以用最近的 merkle root 作为证明，将资产撤回主链。
    • 分片链会将交易的完整信息写入主链，而子链只是将 merkle root 写入主链。因此主链只能判断子链是否存在某交易，不知道交易的具体信息。因此子链不算 layer2 方案。
• Plasma 方案于 2017 年提出，只设计了代币交易的基础功能，不能执行智能合约。后来弃用了，因为明显不如 layer2 方案。

Validium

• Validium ：一种与 ZK-Rollops 类似的区块链扩展方案，但将交易数据保存在链下，只将 merkle root 、零知识证明保存到主链，因此不算 layer2 方案。
• 优点：只将少量数据写入主链，因此 gas 开销很低，支持很高的吞吐量。
• 缺点：如果用户不得到链下的交易数据，就不能生成 merkle proof ，导致不能提取资产。因此安全性较差。
• Validium 方案于 2020 年提出，最早应用在 StarkEx 项目中，用户可在每次交易时选择用 zk-rollup 还是 Validium 方案。

相关历史

• 2013 年，俄罗斯程序员 Vitalik Buterin 等人开始开发以太坊项目。

  • BTC 的最初目的是提供一种去中心化的货币，实现价值存储功能。而以太坊的最初目的是给数字货币增加一种功能：去中心化程序。

• 2015 年，以太坊主网正式上线，第一个版本称为 Frontier 。

  • 引入了难度炸弹（difficulty bomb）：从某个区块开始，指数级增加 PoW 挖矿的难度，从而逼迫矿工从 PoW 挖矿转向 PoS 挖矿。

• 2016 年 6 月，以太坊开始了 The DAO 项目，众筹了大量 ETH ，但是被黑客通过漏洞转走了 360 万个 ETH 。

  • 此时 1 ETH 价格为 $10 左右。
  • 事发后，以太坊社区投票决定硬分叉，将区块链回滚到事发之前的状态，从而回滚交易。
  • 一些社区用户反对该硬分叉，称它违反了区块链的不可篡改特性，因此继续使用原链，称为以太坊经典（ETC）。

• 2017 年 10 月，以太坊实施一次硬分叉升级，代号为拜占庭（Byzantium）。

  • 此时 1 ETH 价格为 $300 左右。
  • 将每个区块的挖矿奖励从 5 ETH 减少到 3 ETH 。
  • 将难度炸弹推迟一年。

• 2018 年 1 月，ETH 成为市值第二大的数字货币，仅次于 BTC 。

• 2019 年 2 月，以太坊实施一次升级，代号为君士坦丁堡（Constantinople）。

  • 将每个区块的挖矿奖励减少到 2 ETH 。
  • 将难度炸弹推迟一年。

• 2020 年 12 月 1 日，以太坊的信标链（Beacon Chain）启动，生成了第一个区块。

• 2021 年 8 月，以太坊实施一次升级，代号为伦敦（London）。

  • 此时 1 ETH 价格为 $2600 左右。
  • EIP1559 提案：之前，用户交易付出的 Gas 会全部交给矿工。之后，用户交易付出的 Gas 分为 Base Fee、Priority Fee 两部分。
    • 当一个新区块的 ETH 奖励少于燃烧的 Base Fee 时，ETH 的流通总量就会变少。
    • baseFeePerGas 是以太坊根据最近的网络负载计算出来的，因此用户只需要考虑 PriorityFeePerGas ，更容易预测交易需要付出的 Gas 。
  • 之前，区块有固定的容量限制。之后，取消区块的容量限制，改为限制 Gas 总量，从而方便打包大体积的请求。
    • 每个区块的所有交易消耗的 Gas 总量称为 Gas Used 。
    • 一般情况下，每个区块期望的 Gas Used 为 15,000,000 ，称为 Gas Target 。最多消耗的量是其 2 倍。
    • 如果上一个区块的 Gas Used 高于 Gas Target ，则增加新区块的 baseFeePerGas ，反之减少 baseFeePerGas 。
  • 将难度炸弹推迟到年底。

• 2022 年 9 月，以太坊实施一次升级，代号为巴黎（Paris）。

  • 将信标链合并（The Merge）到原区块链，以太坊正式从 PoW 转向 PoS 。