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主题

尚硅谷区块链技术之以太坊 ​

01-以太坊理论 ​

以太坊简介 ​

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涉及工具

  • MetaMask-浏览器插件钱包
  • Remix-基于浏览器的Solidity 在线编辑器
  • (go语言)Geth-以太坊客户端
  • web3.js-以太坊javascipt API库
  • Ganache-以太坊客户端(测试环境私链)
  • Truffle-以太坊开发框架

环境准备

  • Chrome浏览器(最新版本70.0.3538.67)
  • Linux系统或虚拟机(ubuntu16.04.3)
  • 需要安装:go(1.9)，git(2.7.4),node(9.0.0),npm(5.7.1)
  • 文本编辑器(VisualCode)
  • 科学上网工具

1_以太坊综述 ​

1_以太坊综述

以太坊特点 ​

  • 以太坊是“世界计算机”，这代表它是一个开源的、全球分布的计算基础设施
  • 执行称为智能合约（smart contract）的程序
  • 使用区块链来同步和存储系统状态以及名为以太币（ether）的加密货币，以计量和约束执行资源成本
  • 本质是一个基于交易的状态机(transaction-based state machine)
  • 以太坊平台使开发人员能够构建具有内置经济功能的强大去中心化应用程序（DApp）；在持续自我正常运行的同时，它还减少或消除了审查，第三方界面和交易对手风险

以太坊的组成部分 ​

  • P2P网络

以太坊在以太坊主网络上运行，该网络可在TCP端口30303上寻址，并运行一个名为 D三Vp2p的协议。

  • 交易(Transaction)

以太坊交易是网络消息，其中包括发送者(sender)，接收者(receiver)，值(value)和数据的有效载荷(payload)。

  • 以太坊虚拟机(EVM)

以太坊状态转换由以太坊虚拟机(EVM)处理，这是一个执行字节码(机器语言指令)的基于堆栈的虚拟机。

  • 数据库(Blockchain)

以太坊的区块链作为数据库(通常是 Google 的 LeveIDB)本地存储在每个节点上，包含序列化后的交易和系统状态。

  • 客户端

以太坊有几种可互操作的客户端软件实现，其中最突出的是 Go-Ethereum(Geth)和Parity

以太坊中的重要概念 ​

  • 账户(Account)

    包含地址，余额和随机数，以及可选的存储和代码的对象。

    1. 普通账户(EOA)，存储和代码均为空
    2. 合约账户(Contract)，包含存储和代码

  • 地址(Address)

    一般来说，这代表一个EOA或合约，它可以在区块链上接收或发送交易。更具体地说，它是ECDSA 公钥的 keccak 散列的最右边的160位。

  • 交易(Transaction)

    • 可以发送以太币和信息
    • 向合约发送的交易可以调用合约代码，并以信息数据为函数参数。向空用户发送信息，可以自动生成以信息为代码块的合约账户

  • gas

    以太坊用于执行智能合约的虚拟燃料。以太坊虚拟机使用核算机制来衡量gas的消耗量并限制计算资源的消耗。

以太坊的货币 ​

以太坊的货币单位称为以太(ether)，也可以表示为ETH或符号三

以太币的发行规则:

  • 挖矿前(Pre-mine，Genesis) 2014年7月18月间，为众筹大约发行了7200万以太币。这些币有的时候被称之为“矿前”。众筹阶段之后，以太币每年的产量基本稳定，被限制不超过7200万的25%
  • 挖矿产出(Mining)
    • 区块奖励(block reward)
    • 叔块奖励(uncle reward)
    • 叔块引用奖励(uncle referencing reward)
  • 以太币产量未来的变化 以太坊出块机制从工作量证明(PoW)转换为股权证明(PoS)后，以太币的发行会有什么变化尚未有定论。股权证明机制将使用一个称为Casper的协议。在Casper协议下，以太币的发行率将大大低于目前幽灵(GHOST)协议下的发行率

以太坊的挖矿产出 ​

  • 区块奖励(Block rewards) 每产生一个新区块就会有一笔固定的奖励给矿工，初始是5个以太币，现在是3个。
  • 叔块奖励(Uncle rewards) 有些区块被挖得稍晚一些，因此不能作为主区块链的组成部分。比特币称这类区块为“孤块”，并且完全舍弃它们。但是，以太币称它们为“叔块”(uncles)，并且在之后的区块中，可以引用它们。如果叔块在之后的区块链中作为叔块被引用，每个叔块会为挖矿者产出区块奖励的718。这被称之为叔块奖励。
  • 叔块引用奖励(Uncle referencing rewards) 矿工每引用一个叔块，可以得到区块奖励的1/32作为奖励(最多引用两个叔块)

这样的一套基于POW的奖励机制，被称为以太坊的“幽灵协议”

以太坊区块收入 ​

普通区块收入 ​
  • 固定奖励(挖矿奖励)，每个普通区块都有
  • 区块内包含的所有程序的 gas 花费的总和
  • 如果普通区块引用了叔块，每引用一个叔块可以得到固定奖励的1132
叔块收入 ​
  • 叔块收入只有一项，就是叔块奖励，
  • 计算公式为：叔块奖励= ( 叔块高度 + 8 –引用叔块的区块高度) * 普通区块奖励/ 8

幽灵”(GHOST)协议 ​

  • 太坊出块时间:设计为12秒，实际14~15秒左右
  • 快速确认会带来区块的高作废率，由此链的安全性也会降低
  • "幽灵”协议:Greedy Heaviest Observed SubTree,"GHOST"
    • 计算工作量证明时，不仅包括当前区块的祖区块，父区块，这还要包括祖先块的作废的后代区块(“叔块”)，将他们进行综合考虑。-目前的协议要求下探到第七层(最早的简版设计是五层)，也就是说废区块只能以叔区块的身份被其父母的第二代至第七代后辈区块引用，而不能是更远关系的后辈区块。
    • 以太坊付给以“叔区块”身份为新块确认作出贡献的废区块718的奖励把它们纳入计算的“侄子区块”将获得区块奖励的1/32，不过，交易费用不会奖励给叔区块。
    • 1936年，英国数学家艾伦·图灵(Alan Turing)创建了一个计算机的数学模型，它由一个控制器、一个读写头和一根无限长的工作带组成。纸带起着存储的作用，被分成一个个的小方格(可以看成磁带);读写头能够读取纸带上的信息，以及将运算结果写进纸带;控制器则负责根据程序对搜集到的信息进行处理。在每个时刻，机器头都要从当前纸带上读入一个方格信息，然后结合自己的内部状态查找程序表，根据程序输出信息到纸带方格上并转换自己的内部状态，然后进行移动纸带
    • 如果一个系统可以模拟任何图灵机，它就被定义为“图灵完备"(Turing Complete)的。这种系统称为通用图灵机(UTM)，
    • 以太坊能够在称为以太坊虚拟机的状态机中执行存储程序，同时向内存读取和写入数据使其成为图灵完备系统，因此成为通用图灵机。考虑到有限存储器的限制，以太坊可以计算任何可由任何图灵机计算的算法。
    • 简单来说，以太坊中支持循环语句，理论上可以运行“无限循环”的程序。

去中心化应用 ​

  • 基于以太坊可以创建智能合约((Smart Contract)来构建去中心化应用(Decentralized Application，简称为 DApp)
  • 以太坊的构想是成为 DApps 编程开发的平台
  • DApp至少由以下组成
    • 区块链上的智能合约
    • Web前端用户界面

以太坊应用 ​

  • 基于以太坊创建新的加密货币(CryptoCurrency，这种能力是 2017 年各种 ICO 泛滥的技术动因)
  • 基于以太坊创建域名注册系统、博彩系统
  • 基于以太坊开发去中心化的游戏，比如2017 年底红极一时的以太猫(CryptoKitties，最高单只猫售价高达 80W美元)

代币(Token) ​

  • 代币(token)也称作通证，本意为“令牌”，代表有所有权的资产货币、权限等在区块链上的抽象
  • 可替代性通证(fungible token):指的是基于区块链技术发行的互相可以替代的，可以接近无限拆分的token
  • 非同质通证(non-fungible token):指的是基于区块链技术发行的唯一的，不可替代的，大多数情况下不可拆分的token，如加密猫(Cryptokitties)

名词解释 ​

  • EIP:Ethereum lmprovement Proposals，以太坊改进建议
  • ERC:Ethereum Request for Comments的缩写，以太坊征求意见。一些EIP被标记为ERC，表示试图定义以太坊使用的特定标准的提议
  • EOA:External Owned Account，外部账户。由以太坊网络的人类用户创建的账户
  • Ethash:以太坊1.0 的工作量证明算法
  • HD钱包:使用分层确定性(HDprotocol)密钥创建和转账协议(BIP32)的钱包。
  • Keccak256:以太坊中使用的密码哈希函数。Keccak256 被标准化为SHA-3
  • Nonce:在密码学中，术语nonce用于指代只能使用一次的值。以太坊使用两种类型的随机数，账户随机数和POW随机数

2_初始以太坊 ​

2_1_初识以太坊pdf

初识以太坊--钱包、测试网络和简单交易

以太币单位 ​

  • 以太坊的货币单位称为以太，也称为ETH或符号三
  • ether被细分为更小的单位，直到可能的最小单位，称为wei; 1 ether =10^18wei
  • 以太的值总是在以太坊内部表示为以wei表示的无符号整数值
  • 以太的各种单位都有一个使用国际单位制(SI)的科学名称，和一个口语名称。

以太币各单位名称 img_13.png

以太坊钱包 ​

以太坊钱包是我们进入以太坊系统的门户。它包含了私钥，可以代表我们创建和广播交易。

  • MetaMask:一个浏览器扩展钱包，可在浏览器中运行,
  • Jaxx:一款多平台、多币种的钱包，可在各种操作系统上运行，包括Android,ioS,Windows,Mac和Linux.
  • MyEtherWallet(MEW):一个基于web的钱包，可以在任何浏览器中运行
  • Emerald Wallet:旨在与 ETC 配合使用，但与其他基于以太坊的区块链兼容。

私钥、公钥和地址 ​

  • 私钥(Private Key): 以太坊私钥事实上只是一个256位的随机数，用于发送以太的交易中创建签名来证明自己对资金的所有权
  • 公钥(Public Key): 公钥是由私钥通过椭圆曲线加密secp256k1算法单向生成的512位(64字节)数。
  • 地址(Address): 地址是由公钥的 Keccak-256 单向哈希，取最后20个字节(160位)派生出来的标识符。

安全须知 ​

  • keystore文件就是加密存储的私钥。所以当系统提示你选择密码时:将其设置为强密码，备份并不要共享。如果你没有密码管理器，请将其写下来并将其存放在带锁的抽屉或保险箱中。要访问账户，你必须同时有keystore文件和密码。
  • 助记词可以导出私钥，所以可以认为助记词就是私钥。请使用笔和纸进行物理备份。不要把这个任务留给“以后”，你会忘记。
  • 切勿以简单形式存储私钥，尤其是以电子方式存储。
  • 不要将私钥资料存储在电子文档、数码照片、屏幕截图、在线驱动器、加密PDF等中。使用密码管理器或笔和纸。
  • 在转移任何大额金额之前，首先要做一个小的测试交易(例如，小于1美元)。收到测试交易后，再尝试从该钱包发送。

切换网络 ​

  • Main Network(NetworkID:1) 主要的、公共的，以太坊区块链。真正的ETH，真正的价值，真正的结果。
  • Ropsten Test Network(Network lD: 3) 以太坊公共测试区块链和网络，使用工作量证明共识(挖矿)。该网络上的ETH没有任何价值。
  • Kovan Test Network(Network lD: 42) 以太坊公共测试区块链和网络，使用“Aura”协议进行权威证明 POA 共识(联合签名)。该网络上的 ETH 没有任何价值。此测试网络仅由 Parity 支持。
  • Rinkeby Test Network(Network lD: 4) 以太坊公共测试区块链和网络，使用“Clique”协议进行权威证明 POA 共识(联合签名)。该网络上的 ETH 没有任何价值。
  • Localhost 8545 连接到与浏览器在同一台计算机上运行的节点。该节点可以是任何公共区块链(main或 testnet)的一部分，也可以是私有 testnet. 让天下没有难学的技，
  • Custom RPC 允许将Metamask连接到任意兼容geth的RPC接口的节点。该节点可以是任何公共或私人区块链的一部分。

获取测试以太 ​

在区块浏览器中查看 ​

搜索地址的交易记录 ​

2_2 获取Rinkeby测试以太 ​

【腾讯文档】2_2_获取Rinkeby测试以太.pdf

2-3 在remix上构建简单的水龙头合约 ​

【腾讯文档】2_3_在remix上构建简单的水龙头合约.pdf

solidity

// Our first contract is a faucet! 
contract Faucet { 
 
    
  // Give out ether to anyone who asks 
    
  function withdraw(uint withdraw_amount) public { 
   
           // Limit withdrawal amount 
           require(withdraw_amount <= 100000000000000000); 
   
           // Send the amount to the address that requested it 
           msg.sender.transfer(withdraw_amount); 
          } 
   
    
  // Accept any incoming amount 
    
  function () public payable {} 
   
}

3_1 以太坊客户端 ​

[3_1_以太坊客户端.pdf]

什么是以太坊客户端 ​

  • 它实现以太坊规范并通过p2p以太坊客户端是一个软件应用程序，网络与其他以太坊客户端进行通信。如果不同的以太坊客户端符合参考规范和标准化通信协议，则可以进行相互操作。
  • 以太坊是一个开源项目，由“黄皮书”正式规范定义。除了各种以太坊改进提案之外，此正式规范还定义了以太坊客户端的标准行为。
  • 因为以太坊有明确的正式规范，以太网客户端有了许多独立开发的软件实现，它们之间又可以彼此交互。

基于以太坊规范的网络 ​

  • 存在各种基于以太坊规范的网络，这些网络基本符合以太坊“黄皮书”中定义的形式规范，但它们之间可能相互也可能不相互操作。
  • 这些基于以太坊的网络中有:以太坊，以太坊经典，ElaExpanse，Ubiq，Musicoin等等
  • 虽然大多数在协议级别兼容，但这些网络通常具有特殊要求，以太坊客户端软件的维护人员、需要进行微小更改、以支持每个网络的功能或属性。

以太坊的多种客户端 ​

以太坊全节点 ​

  • 全节点是整个主链的一个副本，存储并维护链上的所有数据，并随时验证新区块的合法性。
  • 区块链的健康和扩展弹性，取决于具有许多独立操作和地理上分散的全节点。每个全节点都可以帮助其他新节点获取区块数据，并提供所有交易和合约的独立验证。
  • 运行全节点将耗费巨大的成本，包括硬件资源和带宽
  • 以太坊开发不需要在实时网络(主网)上运行的全节点。我们可以使用测试网络的节点来代替，也可以用本地私链，或者使用服务商提供的基于云的以太坊客户端;这些几乎都可以执行所有操作。

远程客户端和轻节点 ​

  • 远程客户端

不存储区块链的本地副本或验证块和交易。这些客户端一般只提供钱包的功能，可以创建和广播交易。远程客户端可用于连接到现有网络，MetaMask 就是一个这样的客户端。

  • 轻节点

不保存链上的区块历史数据，只保存区块链当前的状态。轻节点可以对块和交易进行验证。

全节点的优缺点 ​

  • 优点
    • 为以太坊网络的灵活性和抗审查性提供有力支持，
    • 权威地验证所有交易。
    • 可以直接与公共区块链上的任何合约交互
    • ·可以离线查询区块链状态(帐户，合约等)
    • ·可以直接把自己的合约部署到公共区块链中。
  • 缺点
    • 需要巨大的硬件和带宽资源，而且会不断增长,
    • 第一次下载往往需要几天才能完全同步。
    • 必须及时维护、升级并保持在线状态以同步区块

公共测试网络节点的优缺点 ​

  • 优点
    • 一个 testnet 节点需要同步和存储更少的数据，大约10GB，具体取决于不同的网络。
    • 一个 testnet 节点一般可以在几个小时内完全同步。
    • 部署合约或进行交易只需要发送测试以太，可以从“水龙头”免费获得。
    • 测试网络是公共区块链，有许多其他用户和合约运行(区别于私链)
  • 缺点
    • 测试网络上使用测试以太，它没有价值。因此，无法测试交易对手的安全性，因为没有任何利害关系。
    • 测试网络上的测试无法涵盖所有的真实主网特性。例如，交易费用虽然是发送交易所必需的，但由于gas免费，因此testnet上往往不会考虑。而且一般来说，测试网络不会像主网那样经常拥堵。

本地私链的优缺点 ​

  • 优点
    • 磁盘上几乎没有数据，也不同步别的数据，是一个完全“干净”的环境。
    • 无需获取测试以太，你可以任意分配以太，也可以随时自己挖矿获得。
    • 没有其他用户，也没有其他合约，没有任何外部干扰。
  • 缺点
    • 没有其他用户意味与公链的行为不同。发送的交易并不存在空间或交易顺序的竞争。
    • 除自己之外没有矿工意味着挖矿更容易预测，因此无法测试公链上发生的某些情况。
    • 没有其他合约，意味着你必须部署要测试的所有内容，包括所有的依赖项和合约库。

运行全节点的要求 ​

  • 最低要求
    • 双核以上CPU
    • 硬盘存储可用空间至少80GB
    • 如果是SSD，需要4GB以上RAM，如果是HDD，至少8GB RAN
    • 8 MB/s下载带宽
  • 推荐配置
    • 四核以上的快速CPU
    • 16GB 以上 RAM.
    • 500GB 以上可用空间的快速SSD
    • 25+ MB/s下载带宽

Geth( Go-Ethereum) ​

  • Geth是由以太坊基金会积极开发的 Go 语言实现，因此被认为是以太坊客户端的“官方”实现。
  • 通常，每个基于以太坊的区块链都有自己的Geth实现
  • 以太坊的 Geth github 仓库链接: https://github.com/ethereum/go-ethereum

JSON-RPC ​

  • 以太坊客户端提供了 API和一组远程调用(RPC)命令，这些命令被编码为 JSON。这被称为 JSON-RPCAPI。本质上，JSON-RPCAPI就是一个接口，允许我们编写的程序使用以太坊客户端作为网关，访问以太坊网络和链上数据。
  • 通常，RPC 接口作为一个 HTTP 服务，端口设定为8545。出于安全原因，默认情况下，它仅限于接受来自localhost 的连接。
  • 要访问JSON-RPCAPI，我们可以使用编程语言编写的专用库，例如JavaScript的web3.js。
  • 或者也可以手动构建HTTP请求并发送/接收JSON编码的请求，如:

$ curl -X POST-H "Content-Type: application/json" --data '{"jsonrpc":"2.0", "method":"web3_clientVersion", "params":[],"id": 1}' http:/localhost:8545

3_2 搭建以太坊私链 ​

【腾讯文档】3_2_搭建以太坊私链

3_3 Geth控制台命令 ​

3_3_Geth控制台命令

Geth Console 是一个交互式的 JavaScript 执行环境,里面内置了一些用来操作以太坊的 JavaScript对象，我们可以直接调用这些对象来获取区块链上的相关信息。这些对象主要包括:

  • eth: 主要包含对区块链进行访问和交互相关的方法:
  • net: 主要包含查看 p2p 网络状态的方法:
  • admin: 主要包含与管理节点相关的方法;
  • miner: 主要包含挖矿相关的一些方法;
  • personal: 包含账户管理的方法;
  • txpool: 包含查看交易内存池的方法:
  • web3: 包含以上所有对象，还包含一些通用方法。常用命令有:
    • personal.newAccount(): 创建账声:
    • personal.unlockAccount0: 解锁账户:
    • eth.accounts: 列出系统中的账户:
    • eth.getBalance0: 查看账户余额，返回值的单位是 Wei;

4_1_以太坊账户与合约 ​

https://docs.qq.com/pdf/DU2hZZHJQUEFCZ2NO

合约账户 ​

EOA 外部账户(用户账户/普通账户)

  • 有对应的以太币余额
  • 可发送交易(转币或触发合约代码)
  • 由用户私钥控制没有关联代码

内部账户(用户账户/普通账户)

  • 有对应的以太币余额
  • 有关联代码
  • 由代码控制
  • 可通过交易或来自其它合约的调用消息来触发代码执行
  • 执行代码时可以操作自己的存储空间，也可以调里其它合约

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以太坊交易(Transaction) ​

签名的数据包，由EOA发送到另一个账户

  • 消息的接收方地址
  • 发送方签名
  • 金额(VALUE)
  • 数据(DATA，可选)
  • START GAS
  • GAS PRICE

消息(Message) ​

  • 合约可以向其它合约发送“消息
  • 消息是不会被序列化的虚拟对象，只存在于以太坊执行环境(EVM)中
  • 可以看作函数调用
  • 消息发送方
  • 消息接收方
  • 金额(VALUE)
  • 数据(DATA，可选)
  • START GAS

合约(Contract) ​

  • 可以读/写自己的内部存储(32字节key-value的数据库)
  • 可向其他合约发送消息，依次触发执行
  • 一旦合约运行结束，并且由它发送的消息触发的结束，EVM就会中所有子执行(sub-execution):止运行，直到下次交易被唤醒

03-项目2: 硅谷拍卖系统（去中心话eBay） ​

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