区块链技术与应用-以太坊

1. 概述

以太坊中的出块时间缩短为十几秒，设计了基于gost的协议。以太坊中的mining puzzle是memory hard的，限制了ASIC的使用（ASIC resistance）。

proof of work –> proof of stake

Bitcoin: decentralized currency
Ethereum: decentrailized contract(去中心化的合约)

2. 以太坊账户

基于账户的模型(account-based ledger)

有余额的概念，转账交易时只需验证账户上是否有足够的余额，不用验证币的来源，对于double spending attack有天然的防御。

缺点： replay attack
a向b转10个币，写入区块链中，b又广播一次a向b转账的交易
防范：

A -> B(10 ETH)
  nonce = 21
   singed by A

nonce 为交易次数，每一个交易的nonce唯一

以太坊中有两类账户：

• 外部账户（externally owned account）

  • 由公私钥对控制
  • 属性：
    balance（账户余额）
    nonce（计数器）

• 合约账户（smart contract account）

  • 特点：
    一个合约可以调用其他合约，但合约账户不能主动发起交易
  • 属性：
    nonce
    code
    storage

3. 状态树

为了实现从账户地址到账户状态的映射
addr -> state
160 bits    40个16进制的数
state： 外部账户（balance nonce)
        合约账户（nonce code storage)

(key, value)
RLP:Recursive Length Prefix

3.1. trie(字典树)

特点：

1. 每个节点的分支数目取决于key值中每个元素的取值范围（在以太坊中分叉数为17，因为是16进制，加上一位结束标志）
2. tire的查找效率取决于key的长度，键值越长，查找需要访问内存的次数越多。（在以太坊中key的长度为40）
3. 不会出现碰撞（只要地址不同就不可能碰撞）
4. 插入顺序不影响树的结构
5. 更新的局部性很好，只更新相关的分支

缺点：

1. 浪费存储空间

3.2. Patricia trie(tree)

为了解决trie的存储浪费，同时提高查找效率，引入了pt

pt 是前缀树，对于字典树进行路径压缩。

注意：
在pt中新插入元素，原来压缩的路径可能会扩展开

3.3. MPT(Merkle Patricia tree)

使用哈希指针的pt

以太坊中使用的是 modified MPT

保存历史状态是为了支持回滚操作

blockheader代码：

block代码：

extblock代码：

4. 交易树和收据树

对于状态树来说，查找的键值就是账户的地址，对于交易树和收据树来说，查找的键值就是这个交易在发布的区块里的序号，交易的排列顺序是由发布这个区块的节点决定的。

区别：

• 交易树和收据树是只把当前发布的区块的交易组织起来的；而状态树是把系统中所有账户的状态都要包含进来，不管这个账户与当前的交易有没有关系。

• 每个区块的交易树和收据树都是独立的，他们是不会共享节点的，一个区块和另一个区块发布的交易本身我们也认为是独立的。

作用：

• 提供Merkel proof
• 查找过去n天产生与某个只能合约相关的交易

4.1. bloom filter

可以支持高效的查找，判断某个元素是否在某个集合中。
思想： 为集合计算出一个紧凑的摘要，哈希映射
缺点：

• 哈希碰撞（false positive)
• 不支持删除操作（哈希碰撞）

通过bloom filter可以过快速过滤掉无关的区块

以太坊的运行过程可以看做是一个交易驱动的状态机（transaction-driven state machine)，状态的转换是确定的

5. GHOST 协议

在以太坊中出现分叉的情况更为常见

（uncle区块：当一个区块a被挖出时，感知到有相同的区块b被挖出，则b是c的uncle区块）被包含的uncle区块可获得7/8的出块奖励。

新区块如果包含一个uncle区块可以获得额外的1/32的出块奖励，一个新区块最多包含2个uncle block。

初代ghost协议存在的问题：

• 只能包含两个uncle区块
• 为了商业竞争，可能故意不包含uncle区块

修改协议：

• 祖父，曾祖父区块。。。都可以作为uncle区块，因为区块不太可能都是由同一个矿池挖出，所以会有其他区块包含uncle区块，使得uncle区块可以获得奖励。

• 以太坊中规定最多可以包含前6代的uncle区块，6代之前的不是uncle区块，或者说合法的uncle只有6个辈分。
• 对于当前块来讲，包含任意辈分的uncle，都能获得额外的1/32的出块奖励。

以太坊中有两种reward，block reward和gas fee，uncle block不能获得gas fee。gas fee与比特币中的交易费类似。

问题：

1. 包含uncle block时要执行uncle block中的交易吗？
   不检查uncle block中交易的合法性，值检查uncle是否符合挖矿难度

2. 如果分叉之后还跟着一串该怎么办？
   
   如果每个都给奖励，会降低分叉攻击的成本。以太坊中规定只给第一个区块奖励。

6. 挖矿算法

挖矿是保证区块链安全的一个重要保障，所以我们可以说block chain is secured by mining.

但是比特币的挖矿算法后来出现了ASIC芯片，使得具有强算力的设备在挖矿上有更大的优势，这与去中心化的思想是背道而驰的。（只能专业的机器，普通的计算设备不能参与挖矿）

后来出现的加密货币的挖矿算法在设计的时候尽量降低对于ASIC的依赖，增加对内存的需求，即

ASIC resistance
memory hard mining puzzle

LiteCoin 就是基于这种思想的加密货币

6.1. LiteCoin

使用基于scrypt的mining puzzle

开设一个很大的数组，按照顺序填充一些伪随机数，使用seed填充第一个值，后一个值是有前一个值取哈希得到的。
求解puzzle时，读取A位置的数，根据他的取值算出下一个读取的位置，比如是B，以此类推。

问题：

• 对于轻节点不友好，验证和求解需要同样的内存

实际上litecoin的内存只有128k

6.2. 以太坊

以太坊使用memory hard的挖矿算法。

• 有两个数据集，小数据集16M cache，大数据集1G dataset(DAG)。大数据集是从小数据集中生成出来的。
• 小数据集是轻节点保存的
• 大数据集是挖矿节点使用的
• 这两个数据集是不断增大的

6.2.1. 伪代码

生成小数据集：

生成大数据集：

挖矿/验证函数：

挖矿函数：

全部函数：

6.3. 几点说明

1. 以太坊实际上只有gpu挖矿，没有出现ASIC矿机，从这一点上讲是比较成功的。

2. 以太坊构思从工作量证明转向权益证明，即POW->POS，但至今没有转变。

3. 以太坊中使用了预挖矿（pre-mining)的过程，所谓预挖矿是指预留一些以太币给开发者。

7. 难度调整算法

与比特币的每隔2016个区块调整一次不同，以太坊是每隔区块都有可能调整难度。

难度调整算法：

以太坊发展的4个阶段：

拜占庭阶段调整挖矿难度具体代码实现：

8. 权益证明（proof of stake)

例如，根据持有币的多少来确定挖矿难度，持有币越多，挖矿难度越低，但这个设计会有问题，因为持有币多的人总会很容易挖到矿。所以有的加密货币要求投入的币会锁定一段时间。有时候叫做proof of deposit。

早期的权益证明会遇到两边下注的问题（nothing at stake）

在下面分支投入的币不会影响上面分支

8.1. Casper the Friendly Finality Gadget(FFG)

以太坊想要使用的权益证明

以太坊中引入了一个validator的概念：
validator（验证者）： 要成为一个validator，必须要投入一些以太币作为保证金，这些保证金会被系统锁定

validator职责：推动系统达成共识，投票决定哪条链是最长合法链，投票的权重取决于投入保证金的多少。

具体做法类似于数据库中的 two-phase commit,第一轮 prepare message， 第二轮 commit message

挖矿时每挖出100个区块，就作为一个epoch。 决定其能否作为一个 ，要进行投票。每一轮投票都要得到2/3以上的验证者才能通过。

在实际中不再区分这两个message，且将100个区块降为50个区块。每个epoch只用一轮投票，这轮投票对于上一个epoch来说是commit message，对于下一个epoch来说是prepare message，连续两轮投票都得到2/3以上的多数，才算有效。

验证者参与这个过程:

• 如果验证者履行职责，可以得到相应的奖励
• 如果验证者有不良行为，要受到相应的惩罚
  • 行政不作为（该投票不投票），扣除一部分保证金
  • 乱投票（两边下注），没收保证金（销毁）
• 每个验证者有一定任期，任期满了之后有一定等待期，在等待期可以接受其他节点检举揭发对其惩处，如果等待期通过，则可以取回保证金和相应的奖励

9. 智能合约

• 智能合约是运行在区块链上的一段带密码，代码逻辑定义了合约内容
• 智能合约的账户保存了合约当前的运行状态
  • balance： 当前余额
  • nonce： 交易次数
  • code：合约代码
  • storage： 存储，数据结构是一颗MPT
• Solidity是智能合约最常用的语言，语法上与JavaScript很相近

9.1. 如何调用智能合约

调用智能合约与转账类似，例如A转账给B，若B是一个普通账户，则与比特币中的转账是相同的；若B是一个合约账户，这个转账实际上是发起对B合约的一次调用，具体调用的函数是在data域中说明的。

9.1.1. 外部账户调用

其中：

• TO CONTRACT ADDRESS: 是被调用的合约的地址
• 中间一行是调用的参数

汽油费是给发布这个区块的矿工的，汽油费如果不给的话，矿工不会把这个交易打包进入区块。

9.1.2. 一个合约调用另一个合约

由于以太坊中合约账户不能主动发起交易，所以在这个例子中应该还有一个外部账户，调用了合约B。

9.1.3. fallback 函数

9.2. 智能合约的创建和运行

9.3. 汽油费（gas fee）

死循环不可解，是一个Halting Problem

9.4. 错误处理

如果汽油费不够，则会引起回滚，但是已经消耗的汽油费不退，此举是为了防止恶意节点发起拒绝服务攻击。

9.5. 嵌套调用

9.6. 智能合约可以获得的区块信息

• block.blockhash(uint blockNumber) returns (bytes32) : 给定区块的哈希—仅对最近的256个区块有效而不包括当前区块
• block.coinbase(address):挖出当前区块的矿工地址
• block.difficulity(uint):当前区块难度
• block.gaslimit(uint):当前区块gas限额
• block.number(uint):当前区块好
• block.timestamp(uint):自unix epoch起始当前区块以秒计的时间戳。

9.7. 智能合约可以获得的调用信息

• msg.data(bytes):完整的calldata
• msg.gas(unit):剩余gas
• msg.sender(address):消息发送者（当前调用）
• msg.sig(bytes4):calldata的前4字节（也就是函数表示服）
• msg.value(uint):随消息发送的wei的数量
• now(uint):目前区块时间戳（block.timestamp)
• tx.gasprice(uint):交易的gas价格
• tx.origin(address):交易发起者（完全的调用链）

9.8. 地址类型

9.8.1. transfer vs. send vs. call

这三个函数都可以用于转账

1. transfer和send 这两个是专门为了转账的函数，区别在于，transfer会导致连锁回滚；send不会导致连锁回滚
2. call本意是用来调用函数的，也可以转账。也不会连锁回滚。把剩下的汽油都发过去

10. the Dao

• DAO(Decentralized Autonomous Organization) 去中心化的自治组织

  • 建立在代码的基础上的组织， 组织的规章制度写在代码里，通过区块链的共识协议维护规章制度的正常执行

• DAC(Decentralized Autonomous Corporation)

• the Dao: 2016年5月出现的一个致力于众筹投资的组织。使用以太币换取代币，由投入币的多少确定投票资格。收益的取回方式：split Dao，split直到子Dao中只有一个用户。
  
  由于代码的漏洞，黑客发动了重入攻击。取走了很多以太币
  这件事引起了轩然大波，在社区引发了激烈讨论，以太坊开发团队首先试图冻结与the Dao相关的交易，发布软件升级，实现软分叉，但由于升级的代码中不收取与the Dao相关交易的汽油费，导致产生了很多攻击。后又发布另一个版本的升级，实现硬分叉。以太坊分为了两个社区，旧链改为ETC,新链仍使用ETH.

10.1. 反思

1. 关于智能合约的反思

• Is smart contract really smart?
  smart contract is anything but smart.

• Irrerocability is a double edged sword

• Nothing is irrevovable(不可篡改)

• Is solidity the right programming language?

2. what does decentralization mean?
   对规则的修改需要用去中心化的方式来修改

3. decentralized != distributed

11. 美链

当value很大时，amount可能会溢出，会导致体统上凭空出现很多代币。

12. 课程总结

• 中心化的组织也可以使用去中心化的支付方式
• 缺乏一种全球流通的货币
• 未来互联网的发展方向：支付渠道和信息渠道的统一
• 加密货币不应该与现有货币竞争
• 随着协议的改进，支付效率提高了很多
• 评价