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【区块链】以太坊

news 来源：原创 2025/8/16 12:11:54

学习视频源链接：
https://www.bilibili.com/video/BV1Vt411X7JF/
本文是根据肖老师的视频进行的笔记记录

bitcoin 1.0 区块链以太坊 2.0区块链

以太坊设置了 memory hard mining puzzle ，这造成了asic resistance，
后续 proof of work （工作证明）将改成 proof of stake （权益证明）

Mining Puzzle (挖矿谜题)

还增加了对智能合约的支持：智能合约 (Smart Contract)
bitcoin ： decentralized currency 去中心化的货币 ——取代了政府的发币权力
ethereum ： decentralized contract 去中心化的协议 —— 取代了合同权力

btc： satoshi
eth： wei
去中心化的货币有什么好处？跨过转账快，手续少，交易费少
为什么有去中心化的合同？如果合同的签署方来自世界各地，用司法维护合同可用性比较困难。
1 eth 账户
bitcoin 为了维护隐私，打一枪换一个地方
Eth 使用了 account- based ledger ，对double spending attack 有天然的防范作用，也不用记录币的来源。
有人篡改账户余额怎么办？发布交易的时候，不需要说明自己的余额，余额是状态树维护的。
但是对应double spending attack （是付款方不诚实 —— 在bitcoin能出现， eth不能出现）
replay attack （是收款方不诚实，在bitcoin能出现，eth 上需要加一个计数器，交易次数 nonce ，记录这个账户有史以来发布过多少次数）
交易次数 nonce 受到发布者签名保护，

重放攻击 (Replay Attack)

1.1 externally owned account
类似 bitcoin ：用公私钥控制
组成：
balance 余额
nonce 计数器（应该叫counter）
1.2 smart contract account
合约账户不能主动发起交易
组成：
code
storage

合约：要求有比较稳定的身份。

Eth 状态树

以太坊的区块链结构与比特币有一些不同。以太坊不是使用简单的二叉树，而是采用了一种称为"区块头"(block header)的结构来连接区块。
在以太坊中，每个区块头包含以下关键字段:
parentHash: 父区块的哈希，这是区块链的主要连接方式
ommersHash: 叔块(uncle blocks)列表的哈希
stateRoot: 状态树(state trie)的根哈希
transactionsRoot: 交易树(transaction trie)的根哈希
receiptsRoot: 收据树(receipts trie)的根哈希
以太坊的区块头哈希(也就是区块的标识符)是通过对上述区块头字段以及其他字段(如nonce, difficulty, number等)进行Keccak-256(也称为SHA-3)哈希计算得出的。
以太坊不像比特币那样使用简单的链式结构，而是使用了一种称为"Patricia Merkle Trie"的数据结构来管理状态、交易和收据。这些"树"的根哈希被包含在区块头中。
在以太坊的代码实现中，可以查看core/types/block.go文件，其中定义了区块头的结构和哈希计算方法。

addr -> state的映射
地址是 160 bits 40个 16进制的数
区块链删除东西比较难，不合适。

数据结构： trie（branching factory） Trie 数据结构详解
branching factory 0-f
查找效率取决于key的长度
不会出现碰撞（hash肯定会有冲突，但是这个不会）
在健值稀疏时，如果可以合并key，就可以提高效率，引入了 patricia trie （tree）路经压缩后的 trie

以太坊中的MPT (Merkle Patricia Trie)

为啥要把账户地址弄这么稀疏？ 2的 160次方。
防止碰撞
每次出现一个区块，都要新建一个mtp，但是很多都是共享的。

智能合约是图灵完备的，

Bitcoin与以太坊区块链回滚机制对比
单笔交易回滚

以太坊状态树与RLP编码详解
3. 交易树 & 收据树
交易数和收据树节点一一对应。他们都是mpt ，支持查找操作，而且数据结构得到了统一。
mpt 也是一种merkler tree 但是
收据树为了智能合约比较复杂，可以快速查询一些结果

每个交易树和收据树都是独立的，不会像状态树一样共享节点。
交易树/收据树可以证明 merkle proof

布隆过滤器在以太坊中的应用
bloom filter 有可能出现 false positive ，可能出现误报，但是不可能出现漏报

bloom filter。不支持删除操作，如果支持删除的话，那个位置不能是0、1 ，需要变成计数器，但是计数器也要防止越界。

先查一下哪个块头在不在bloom filter，如果有的话，再去对交易树，到底有没有。

三棵树的根hash值都在块头里

以太坊运行过程，可以看成是交易驱动的状态机 transaction- driven state machine，这个状态机的状体就是所有账户的状态，就是状态树。交易是什么？每次发布的区块里包含的交易。
通过执行这些交易，可以通过系统从当前状态驱动到下一个状态。

Btc 也可以认为是transaction- driven state machine ，但是状态是utxo ，发布的区块驱动现在的状态转移到下一个状态。

btc 和以太坊中的状态转移都必须是确定性的，因为所有的矿工都要执行相同的状态转移。

收据就是这个，

区块块头数据结构

这个bloom是由每个收据的bloom 合并得到的

createbllom ：合并每个收据的bloom ，生成区块的bloom
logsbloom ：生成每个收据的bloom，
bloom9: bloomfilter 中使用的hash 函数，

GHOST 共识协议
出块速度快的好处是什么？提高系统的throughput（吞吐），降低系统反应时间。
bitcoin和以太坊本质上都是应用层的共识协议，底层运行在 overlay network ，底层运行时间比较长，十几秒出一个新块，且底层运行的网络比较慢，所以分支是常态，这对共识协议有什么挑战呢？
会出现以下问题：
挖矿中心化（Mining Centralization）
中心化偏见 (Centralization Bias)
如何解决呢？采用基于ghost 协议的机制
bitcoin ：只有在最长合法链才有初块奖励，其他的分叉的初块奖励是作废的。

ghost：挖到矿，这个链条作废了，我们给你一定的补偿（uncle block ）
uncle block 得到 7/8 *3 的初块奖励，一个主链块最多合并两个uncle block，他能得到2（两个） x 1/32 x 3 + 3 个初块奖励
他合并的是uncle block，挖的时候，已经知道uncle block 的存在，然后把它们包在 block header 上。

有没有什么缺陷？
如果矿工处于竞争关系，就不包含
仅能包含叔叔辈的

怎么办呢？
不论资排辈，不管是叔叔辈、爷爷辈、只要能合并就合并，只要给钱就合并。只在当前这个区块在七代内有共同主线，才能算uncle 为什么这么设计？如果不限制叔叔的备份，这个实现起来对全节点来说，维护的东西太多了。而且，设计最多隔着七代，而且奖励对前面的逐步减少，所以鼓励出现分叉之后尽早合并。不管你包含的是哪一个辈分的叔叔，

以太坊中的区块奖励与燃料费
gas fee （tx fee）—— 比较低（曾经约为1%）

以太坊中没有规定定期初块奖励减半。
以太坊中的5个以太币，变成3个亿台币，是为了挖矿难度调整，挖矿炸弹难度大幅下降，然后block 从5->3

以太坊的燃烧机制详解

需要查uncle block是不是符合挖矿难度要求的，符合就认为是合法的叔叔区块。至于这个叔叔区块里面的交易是否合法，我们是不检查的，因为可能和主链交易是冲突的。
以太坊防止分叉攻击的综合机制
只有分叉后的第一个区块才能得到uncle reward，所以降低了分叉攻击的风险。

挖矿算法
对于基于工作量证明的区块链系统来说，挖矿是保证安全的：block chain is secured by mining.

bug bounty。 bitcoin 的 bug bounty 经受了考验，但是bitcoin 有个漏洞是，只有专业设备才能挖到矿，也与最开始bitcoin 论文 one cpu，one vote 背道而驰。
所以bitcoin 出现了很多加密货币，包括以太坊，一个设计原则就是 asic resistance 。
如何实现这个设计原则呢？要实现 memory hard mining puzzle
eg. liteCoin , puzzle 基于 scrypt 。开设很大数组，增加对内存读取，特别像普通计算机对内存的需求。
好的：mining 的时候是 memory hard
坏的：对轻节点验证时也是 memory hard。。。。
导致： litecoin真正使用时，对内存设置不能太大。。。所以实际上litcoin使用时，seed 仅有128k
但是，对冷启动的时候是很有帮助的。早期的设计理念对于聚集人气是很重要的。。。

与bitcoin 的对比：除了出块速度两分半，是bitcoin 的四倍，

5.2 以太坊怎么设计的？
小的 16 m cache （轻节点用这个就行）：从seed 节点运算，把整个数组从前往后填满整个伪随机数。
然后生成一个更大的数组。按照伪随机的原则从小的cache 读取一些元素，

大的 1gb dataset DAG （由小的生成）
以太坊如何生成 Dataset (DAG)
部分伪代码

5.3 转向 pow -> pos
从工作量证明转向权益证明
类似股份制公司。对于asic 的厂商是个严重的威胁。
转入权益证明后就不挖矿了。
以太坊上采用了预挖矿 —— pre-mining 预留一部分给以太坊的开发者。
pre-sale ：类似风投

工作量证明导致asic 才能挖矿，这样不公平？
但是另一个角度来说，通用计算机挖矿可能导致云厂商被租用，导致大面积攻击，也有可能不公平。

6 难度调整算法。

当难度炸弹开始发挥的时候，正好是工作量证明转向权益证明的时机

权益证明不那么完美，所以工作量证明还是继续挖，（想转没法转）但

北京时间9月15日，OKLink数据显示，世界上最活跃的区块链网络以太坊在区块高度15537393触发合并机制，并产出首个PoS区块（高度为15537394），自此以太坊共识正式从PoW转为PoS机制，完成了此次“The Merge”升级。最新行情数据显示，以太坊报价来到了1630美元，合并升级对其价格没有立刻产生影响。

比特币改进提案 (BIP: Bitcoin Improvement Proposal)

权益证明 proof of stake

矿工为什么要挖矿？初块奖励，收益
为什么要给他们这些收益：为了激励矿工，挖矿去维护区块链
采用权益证明的加密货币，会采用virtual mining
虚拟挖矿(Virtual Mining)详解
infanticiside ：如果一个加密货币采用工作证明，如果恶意算力攻击，很容易对初创货币造成infanticiside

pos 必须首先搞到足够多的币，才能发动攻击。所以pos是一个闭环。
有的加密货币 pow和 pos 甚至是结合的。

casper the friendly finality gadset （ffg）

Casper FFG (Friendly Finality Gadget): 以太坊最终性机制详解
区块链中的 Epoch（纪元）详解

包含在finality的交易是不会被推翻的吗？

8 智能合约
智能合约是运行在区块链上的一段代码，代码的逻辑定义了合约的内容
智能合约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，数据结构是一棵mpt
solidity 是智能合约最常用的语言，语法上与javascript很接近

拍卖的时候，也得上交锁定的保证金。

外部账户如何调用智能合约？
创建一个交易，接受地址为要调用的那个智能合约的地址，data域填写要调用的函数及其参数的编码值。

一个合约调用另一个合约

以太坊智能合约中的函数
以太坊智能合约的创建与运行
以太坊Gas费用详解

evm和 jvm类似，也是加一层虚拟机，为智能合约的运行提供一层同一环境。
evm 寻址空间： 256位

汽油费不够的话，执行的状态会回滚，但是gas fee 是不退的。
因为担心造成恶意攻击。

公共数据是免费的。

智能合约中的连锁回调问题

bitcoin 的每一个交易最多1m

但是以太坊的很复杂，所以根据操作复杂度
gaslimit ：这个区块所有交易能消耗的上限。
每一个矿工可以对gaslimit 进行微调 1/1024

以太坊交易收据(Transaction Receipt)数据结构

所有的全节点都需要在本地执行转账交易。（分布式共识机制）

所以汽油费是怎么扣的？
三棵树在全节点在本地维护的树
状态树：每个账户的状态（包括余额）：收到
先挖矿还是先执行？先执行，没有办法先挖矿。
问题：如果执行完了，没挖到矿，有啥补偿？
汽油费是给挖到矿的。所有的都是免费的，有点像陪太子读书，挖矿慢的就很吃亏。

就不会出现因为没有汽油费，而不验证的情况？ —— 危害区块链安全。（区块链安全——所有全节点独立验证。）
如果他跳过验证步骤，以后就没法挖矿了。因为不验证，本地的三棵树状态就不对了，自己算出来的根hash值别人认为是不对的。
为什么必须执行验证步骤才能更新这三棵树，因为发布出来的东西没有这三棵树的内容，真是块头里面有根hash值，只有通过验证步骤，才能更新三棵树

发布到区块链上的交易是不是全都成功进行的？如果智能合约执行中出现了错误，要不要也发不到区块链上？
因为要扣掉汽油费，所以需要发布到区块链上，形成共识。

以太坊，就是交易驱动的状态机（共识），因为所有全节点需要到达同一个状态。
所以以太坊不支持多核，除了多线程外，所有可能有不确定性的结果的，都不支持

以太坊的智能合约，不能产生真正意义上的随机数。

多线程的问题：多个核对内存访问顺序不同，执行结果有可能不确定

地址类型：

addr.balance ：这个地址的余额
addr.transfer（12345）：当前这个合约，往address上转入的钱

以太坊中的随机性问题
发送eth 的三种方法：

以太坊转账ETH的三种方法及其区别

写完一个智能合约，发布到区块链里，
智能合约的发布与调用流程
写一个solidy 的程序，然后线下宣传，然后

auctionEnd 只有某个人调用，才能执行
没办法设置为拍卖调用结束，自动调用。
但是不存在ended 并发执行，因为没有并发执行
答案：

红框中通过循环退款有问题：调用时忘记 fullback函数了
code is law ：智能合约的规则是由代码决定的，一旦发布到区块链上就无法修改了——无人能修改规则，但是规则中有漏洞也改不了了。
智能合约如果设计不好，容易拿不出去。
智能合约锁仓是个常用操作。。。
有点类似于不可撤销信托。

需要多次测试，在专门测试网站上测试好了再来。

这个递归重复取钱会持续到什么时候？ gas不够、钱包不够、调用栈溢出了。
这个如何修改呢？先清零，在转账。

重放攻击

decentralized 不等于 distribute

大部分的分布式基本都是为了更快。但是以太坊、比特币要求的是state machine （状态机）
状态机不是为了块，而是为了容错。最初的状态机应用是 mission critical application

9 . ETH-TheDAO
通用概念：
DAO: decentralized Autonomous Organization
DAC: decentralized Autonomous Corporation .

案例：
The DAO :运行在以太坊上的智能合约
一共存活三个月。
怎么取回收益呢？
splitDAO 拆分完后得到 childDAO，极端的就是一个人的childDAO,然后就是取回
有七天的讨论期
有28天锁定期。
但是问题在哪？ splitDAO代码有问题

这个代码先赚钱，然后再把余额减去相应数量，再把调用者账户清零。

应该先把调用者账户清零，再转账

splitDAO代码漏洞分析

10 eth 反思
智能合约其实不智能，就是一个代码合同
智能合约发布后，没办法阻止被调用。
nothing is irrevoable
用脚投票——区块链用挖矿投票

分叉恰恰是去中心化的，存在分叉，恰恰是民主的体现。

decentralized 不等于 distribute

状态机的目的不是比速度快，而是为了容错。
这个不是分布式系统的常态。
不要把智能合约当成是大规模计算/大规模存储的服务，智能合约是用来编写控制逻辑的，只有那些需要在互不信任的实体之间建立信任，才需要智能合约。

美链 beauty chain

有可能红框部分会栈溢出，导致扣了很少的货币，但是发了正常数量的代币。
所以代币直接通货膨胀了

预防措施： safemath库

12 总结：
应用：

比特币虽然是非中心化的，但是采用比特币这个非中心化支付模式，不一定只能用在非中心化的领域。比方说亚马逊是中心化的，但是可以采用bitcoin

1 . bitcoin 不应该和已有支付方式竞争。
bitcoin ： world wide currency
新的加密货币在支付效率已经大大提高了
bitcoin 1m 字节，10分钟一个块
评价支付方式效率好坏，要放到时代背景下看

物理世界中的智能合约 ATM

不是一种最完美的制度，但是是一种进步。

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