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以太坊基础知识结构详解

  • 25-02-17 10:40
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blog.csdn.net

以太坊的历史和发展

初创阶段

  • 2013年:Vitalik Buterin 发表了以太坊白皮书,提出了一个通用的区块链平台,不仅支持比特币的货币功能,还能支持更复杂的智能合约。
  • 2014年:以太坊项目启动,进行了首次ICO(Initial Coin Offering),筹集了约31,000 BTC(当时价值约1800万美元)。
  • 2015年7月:以太坊主网正式上线,发布了第一个版本“Frontier”。

发展阶段

  • 2016年3月:以太坊发布了第二个版本“Homestead”,标志着以太坊从实验阶段进入生产阶段。
  • 2016年6月:The DAO 事件发生,导致以太坊硬分叉,产生了两个独立的区块链:以太坊(Ethereum, ETH)和以太坊经典(Ethereum Classic, ETC)。
  • 2017年10月:以太坊发布了第三个版本“Metropolis”,引入了多项改进,如Zk-Snarks、隐私保护等。
  • 2020年12月:以太坊2.0(Eth2)正式启动,旨在通过权益证明(PoS)机制提高网络的可扩展性和安全性。

未来展望

  • 以太坊2.0:计划逐步实现从工作量证明(PoW)到权益证明(PoS)的过渡,提高网络的性能和可扩展性。
  • Layer 2 解决方案:通过Rollups、侧链等技术,进一步提升以太坊的交易处理能力和用户体验。

以太坊的工作原理详解

核心概念

区块链

  • 定义:区块链是一种分布式数据库,记录所有交易历史,确保数据的不可篡改性和透明性。
  • 结构:每个区块包含一组交易记录,并通过哈希值与前一个区块相连,形成链式结构。

交易

  • 定义:以太坊网络中的基本操作单位,可以是转账、调用智能合约等。
  • 格式:每笔交易包含发送方地址、接收方地址、金额、数据字段等信息。

区块

  • 定义:包含一组交易记录的数据结构,由矿工生成并通过共识机制确认。
  • 结构:每个区块包含区块头(Block Header)和区块体(Block Body)。
  • 区块头:包含前一个区块的哈希值、时间戳、难度值等信息。
  • 区块体:包含一组交易记录。

账户

  • 定义:以太坊中有两种类型的账户:外部账户(EOA)和合约账户。
  • 外部账户:由用户控制,通过私钥签名交易。
  • 合约账户:由智能合约代码控制,可以执行预定义的逻辑。
共识机制

工作量证明(Proof of Work, PoW)

  • 定义:通过计算复杂的数学问题来生成新区块,确保网络的安全性和一致性。
  • 过程:
    • 交易收集:矿工收集未确认的交易,形成一个新的区块。
    • 哈希计算:矿工通过不断改变区块头中的随机数(Nonce),寻找符合难度要求的哈希值。
    • 区块广播:找到符合条件的哈希值后,矿工将新区块广播到网络中。
    • 区块确认:其他节点验证新区块的有效性,并将其添加到区块链中。
    • 奖励分配:矿工获得区块奖励和交易费用。

权益证明(Proof of Stake, PoS)

  • 定义:通过质押一定数量的代币来参与区块生成和验证,减少能源消耗。
  • 过程:
    • 质押:用户将一定数量的ETH质押到网络中,成为验证者。
    • 区块提议:验证者按比例被选中,提议新区块。
    • 区块验证:其他验证者对提议的区块进行验证。
    • 区块确认:验证通过后,新区块被添加到区块链中。
    • 奖励分配:验证者获得区块奖励和交易费用。
智能合约

定义

  • 智能合约:运行在以太坊虚拟机(EVM)上的自动化合约,可以执行预定义的逻辑。
  • 编程语言:以太坊的主要智能合约编程语言是Solidity,类似于JavaScript。

编译和部署

  • 编译:智能合约需要编译成字节码,然后部署到以太坊网络上。
  • 部署:通过发送一笔特殊的交易,将智能合约的字节码部署到以太坊网络中,生成合约地址。

调用

  • 调用方法:用户可以通过发送交易来调用智能合约的方法。
  • Gas:执行智能合约操作所需的费用,以太坊网络中的交易需要消耗Gas。
以太坊虚拟机(EVM)

定义

  • EVM:一个沙盒环境,负责执行智能合约代码。
  • 特点:图灵完备,支持多种编程语言,隔离性强,确保智能合约的安全执行。

运行机制

  • 字节码执行:EVM将智能合约的字节码逐条执行,每条指令消耗一定的Gas。
  • 状态管理:EVM维护一个全局状态,记录所有账户的余额、合约代码等信息。

Gas

  • 定义:执行智能合约操作所需的费用,以太坊网络中的交易需要消耗Gas。
  • 作用:防止恶意攻击,确保网络的稳定性和安全性。
交易和区块的生命周期

交易的生命周期

  • 创建:用户创建一笔交易,包含发送方地址、接收方地址、金额、数据字段等信息。
  • 签名:用户使用私钥对交易进行签名,确保交易的完整性和不可否认性。
  • 广播:用户将签名后的交易广播到以太坊网络中。
  • 验证:节点验证交易的有效性,包括签名、余额等。
  • 打包:矿工将验证通过的交易打包到新的区块中。
  • 确认:其他节点验证新区块的有效性,并将其添加到区块链中。
  • 执行:EVM执行交易中的智能合约代码,更新全局状态。

区块的生命周期

  • 交易收集:矿工收集未确认的交易,形成一个新的区块。
  • 哈希计算:矿工通过不断改变区块头中的随机数(Nonce),寻找符合难度要求的哈希值。
  • 区块广播:找到符合条件的哈希值后,矿工将新区块广播到网络中。
  • 区块验证:其他节点验证新区块的有效性,包括交易的有效性、哈希值等。
  • 区块确认:验证通过后,新区块被添加到区块链中。
  • 奖励分配:矿工获得区块奖励和交易费用。

以太坊网络架构解析

P2P网络

  • 定义:以太坊使用Kademlia DHT(分布式哈希表)协议,实现节点之间的通信和数据共享。
  • 节点类型:
  • 全节点:存储完整的区块链数据,参与区块验证和交易处理。
  • 轻节点:只存储部分区块链数据,依赖全节点进行交易验证。
  • 归档节点:存储完整的区块链数据和历史状态,用于历史数据查询。

数据层

  • 区块链:记录所有交易历史,确保数据的不可篡改性和透明性。
  • 状态树:记录当前网络的状态,包括账户余额、合约代码等。
  • 交易池:未被确认的交易暂时存储在这里,等待矿工处理。

共识层

  • 工作量证明(PoW):当前主要的共识机制,通过计算复杂的数学问题来生成新区块。
  • 权益证明(PoS):未来的共识机制,通过质押ETH来参与区块生成和验证。

应用层

  • 智能合约:运行在EVM上的自动化合约,可以执行预定义的逻辑。
  • 去中心化应用(DApps):基于以太坊构建的应用程序,可以是金融、游戏、社交等各种类型。
以太坊2.0

目标

  • 提高可扩展性:通过分片(Sharding)技术,将网络分成多个子网络,提高交易处理能力。
  • 提高安全性:通过权益证明(PoS)机制,减少能源消耗,提高网络的安全性。
  • 提高可持续性:通过优化共识机制和网络架构,降低运营成本,提高网络的可持续性。

技术路线

  • 阶段0:信标链(Beacon Chain)上线,引入权益证明(PoS)机制。
  • 阶段1:分片链(Shard Chains)上线,提高交易处理能力。
  • 阶段2:实现EVM的升级,支持更多的编程语言和更复杂的智能合约。

以太坊的共识机制:PoW vs PoS

工作量证明(Proof of Work, PoW)

定义

  • PoW:通过计算复杂的数学问题来生成新区块,确保网络的安全性和一致性。

工作流程

  • 交易收集:矿工收集未确认的交易,形成一个新的区块。
  • 哈希计算:矿工通过不断改变区块头中的随机数(Nonce),寻找符合难度要求的哈希值。
  • 区块广播:找到符合条件的哈希值后,矿工将新区块广播到网络中。
  • 区块验证:其他节点验证新区块的有效性,并将其添加到区块链中。
  • 奖励分配:矿工获得区块奖励和交易费用。

优点

  • 安全性高:攻击者需要拥有超过50%的算力才能成功攻击网络。
  • 去中心化:任何人都可以参与挖矿,无需许可。

缺点

  • 能源消耗大:计算哈希值需要大量的计算资源,导致能源浪费。
  • 扩展性差:区块生成速度受限于计算能力,难以支持大规模交易。
权益证明(Proof of Stake, PoS)

定义

  • PoS:通过质押一定数量的代币来参与区块生成和验证,减少能源消耗。

工作流程

  • 质押:用户将一定数量的ETH质押到网络中,成为验证者。
  • 区块提议:验证者按比例被选中,提议新区块。
  • 区块验证:其他验证者对提议的区块进行验证。
  • 区块确认:验证通过后,新区块被添加到区块链中。
  • 奖励分配:验证者获得区块奖励和交易费用。

优点

  • 能源消耗低:不需要大量计算资源,减少了能源浪费。
  • 扩展性好:区块生成速度不受计算能力限制,可以支持更多交易。
  • 安全性高:攻击者需要持有大量代币,增加了攻击成本。

缺点

  • 中心化风险:持有大量代币的用户可能控制网络,导致中心化。
  • 无利害关系问题:验证者可能不关心网络的安全性,因为他们的损失相对较小。

以太坊虚拟机(EVM)深入解析

定义
  • EVM:一个沙盒环境,负责执行智能合约代码。它是图灵完备的,支持多种编程语言,确保智能合约的安全执行。
运行机制

字节码执行

  • 字节码:智能合约编译后的二进制代码。
  • 执行:EVM将智能合约的字节码逐条执行,每条指令消耗一定的Gas。

状态管理

  • 全局状态:EVM维护一个全局状态,记录所有账户的余额、合约代码等信息。
  • 状态树:使用Merkle Patricia Trie(MPT)数据结构,高效地存储和查询状态信息。

Gas

  • 定义:执行智能合约操作所需的费用,以太坊网络中的交易需要消耗Gas。
  • 作用:防止恶意攻击,确保网络的稳定性和安全性。

内存模型

  • 内存:临时存储数据,每次交易结束后清空。
  • 存储:永久存储数据,保存在区块链上。
  • 栈:用于存储临时变量和操作数,最大深度为1024。

指令集

  • 基本指令:如加法、减法、乘法等。
  • 控制流指令:如跳转、条件分支等。
  • 存储和内存操作指令:如读取、写入等。

以太坊的区块结构详解

区块概述

以太坊的区块是区块链的基本组成单位,每个区块包含一组交易记录,并通过哈希值与前一个区块相连,形成链式结构。区块的主要目的是记录和验证交易,确保网络的一致性和安全性。

区块结构

区块头(Block Header)
区块头包含了一些元数据,用于验证区块的有效性和连接前后区块。区块头的主要字段包括:

  • parentHash:前一个区块的哈希值,用于链接区块。
  • sha3Uncles:叔块的哈希值列表,用于奖励未能成功生成区块的矿工。
  • miner:生成该区块的矿工地址。
  • stateRoot:状态树的根哈希值,表示区块生成时的全局状态。
  • transactionsRoot:交易树的根哈希值,表示区块中的所有交易。
  • receiptsRoot:收据树的根哈希值,表示交易执行的结果。
  • logsBloom:布隆过滤器,用于快速查找日志。
  • difficulty:挖矿难度,用于调整挖矿难度。
  • number:区块高度,表示该区块在区块链中的位置。
  • gasLimit:区块的最大Gas限制,用于限制区块中交易的数量。
  • gasUsed:区块中所有交易消耗的总Gas。
  • timestamp:区块生成的时间戳。
  • extraData:额外数据,可以包含矿工的一些自定义信息。
  • mixHash:混合哈希值,用于PoW算法。
  • nonce:随机数,用于PoW算法。

区块体(Block Body)
区块体包含了一组交易记录和其他辅助数据。区块体的主要字段包括:

  • transactions:区块中的所有交易列表。
  • uncles:叔块列表,用于奖励未能成功生成区块的矿工。

以太坊的交易流程解析

交易概述

以太坊中的交易是网络的基本操作单位,可以是转账、调用智能合约等。交易的主要目的是在区块链上记录和执行特定的操作。

交易结构

交易字段

  • nonce:交易计数器,用于防止重放攻击。
  • gasPrice:每单位Gas的价格,以 wei 为单位。
  • gasLimit:交易的最大Gas限制。
  • to:接收方地址,如果为空则表示创建新合约。
  • value:交易金额,以 wei 为单位。
  • data:附加数据,用于调用智能合约方法或初始化新合约。
  • v、r、s:交易签名字段,用于验证交易的合法性。
交易流程

交易创建

  • 创建交易:用户创建一笔交易,包含上述字段。
  • 签名交易:用户使用私钥对交易进行签名,确保交易的完整性和不可否认性。

交易广播

  • 广播交易:用户将签名后的交易广播到以太坊网络中。
  • 交易池:交易被节点接收后,暂时存储在交易池中,等待矿工处理。

交易验证

  • 验证交易:节点验证交易的有效性,包括签名、余额、Gas限制等。
  • 选择交易:矿工从交易池中选择一批有效的交易,打包到新的区块中。

区块生成

  • 生成区块:矿工通过计算哈希值生成新区块。
  • 广播区块:矿工将新区块广播到网络中。

区块验证

  • 验证区块:其他节点验证新区块的有效性,包括交易的有效性、哈希值等。
  • 添加区块:验证通过后,新区块被添加到区块链中。

交易执行

  • 执行交易:EVM执行交易中的智能合约代码,更新全局状态。
  • 记录结果:交易执行的结果被记录在区块的收据中。

以太坊的Gas机制详解

Gas概述

Gas是以太坊网络中的一种计量单位,用于衡量执行交易或智能合约操作所需的计算资源。Gas机制的主要目的是防止恶意攻击,确保网络的稳定性和安全性。

Gas相关概念

Gas Limit

  • 定义:交易的最大Gas限制,用于限制交易中可以执行的操作数量。
  • 作用:防止交易执行无限循环或消耗过多资源。

Gas Price

  • 定义:每单位Gas的价格,以 wei 为单位。
  • 作用:用户可以通过设置更高的Gas价格来优先处理交易。

Gas Used

  • 定义:交易实际消耗的Gas数量。
  • 作用:用于计算交易费用。

Transaction Fee

  • 定义:交易费用,等于Gas Used * Gas Price。
  • 作用:支付给矿工的报酬,激励矿工处理交易。
Gas计算

基本操作

  • 简单操作:如加法、减法等,消耗较少的Gas。
  • 复杂操作:如存储、调用智能合约等,消耗较多的Gas。

存储操作

  • 存储读取:读取存储中的数据,消耗较少的Gas。
  • 存储写入:写入存储中的数据,消耗较多的Gas。

智能合约调用

  • 内部调用:调用同一合约中的方法,消耗较少的Gas。
  • 外部调用:调用其他合约中的方法,消耗较多的Gas。
Gas退款
  • 定义:某些操作(如删除存储中的数据)会退还部分Gas。
  • 作用:鼓励用户优化智能合约,减少资源消耗。
Gas限制
  • 区块Gas限制:每个区块的最大Gas限制,用于限制区块中可以包含的交易数量。
  • 交易Gas限制:每个交易的最大Gas限制,用于限制交易中可以执行的操作数量。
注:本文转载自blog.csdn.net的GTokenTool发币平台的文章"https://blog.csdn.net/2408_87746709/article/details/143814577"。版权归原作者所有,此博客不拥有其著作权,亦不承担相应法律责任。如有侵权,请联系我们删除。
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