【区块链学习笔记】以太坊、智能合约

一、以太坊

以太坊是区块链2.0时代的代表，也是全球第一个ICO项目。

1. 定义

以太坊（Ethereum)：是一个开源的有智能合约功能的公共区块链平台，通过其专用加密货币以太币（Ether）提供去中心化的以太虚拟机（Ethereum Virtual Machine）来处理点对点合约，属于区块链2.0架构。

从上述的定义可以看出以太坊和比特币相似，都是一个基于区块链技术的分布式计算平台。不过它更强调自己是一个智能合约系统，其实它的本质和比特币是一样的。只不过可以在这个平台里任意生成多个不同的比特币系统而已。

以太坊涉及到三个基本概念：

• 以太币：简称ETH，以太币是以太坊的内部燃料，为以太坊上各种币的自动交易提供主动的流动性，同时也适用于智能合约执行的费用支付，它是以太坊内置的资产。
• 以太坊虚拟机：简称EVM，支撑执行任何复杂的代码和算法的虚拟机。
• 智能合约：指的是由计算机程序定义、可自动执行的承诺和协议。简单来说就是，脚本代码。

2. 以太坊与比特币的关系

比特币存在的不足：

• 比特币区块链缺少图灵完备。图灵完备是指一切可计算的问题都可以计算。
• 比特币区块链的扩展性比较差，不能应用在除了比特币以外的其它领域。

以太坊的优化：

1. 建立了一个图灵完备的底层系统，可以通过简单的程序来实现各类数字资产的生产。
2. 一个可编程、图灵完备的区块链网络，可以实现更多的非资产类的功能型产品。

以太坊技术=区块链技术+智能合约

3. 以太坊的共识

下面三个版本的以太坊的共识机制均采用PoW，目前来看正在往混合共识机制转换，以太坊的混合共识机制是PoW+POS，从而使矿工与持币者的利益得到平衡。

二、智能合约

1. 智能合约的定义

智能合约：指的是由计算机程序定义、可自动执行的承诺和协议。

• 计算机科学领域——一种计算机协议
• 技术角度——一种计算机程序

以太坊智能合约：代码（即合约功能）和数据（即合约状态）的集合，存在于以太坊区块链的特定地址。合约账户能够在彼此之间传递信息，进行图灵完备的运算。合约依靠以太坊虚拟机(EVM)以字节代码的二进制格式在区块链运行。

以太坊智能合约可以分为5种：

• 数据库合约：仅用作数据存储。允许其他合约写入、更新和获取数据，以及检查调用者权限。
• 管理员合约：在数据库合约上运行。执行批量读/写操作。
• 合约管理合约（CMC）：目的是管理其他合约。主要任务是跟踪系统的所有合约/组件，处理这些组件之间的通信，并简化模块化设计。保持此功能与正常业务逻辑分离。
• 应用逻辑合约（ALC）：包含应用程序特定的代码。一般来说，如果合约使用控制器和其他合约来执行特定的任务，则它是ALC。
• 公用合约：执行特定的任务，并且可以被其他合约无限制地调用。它可能使用某种算法散列字符串，提供随机数字或其他东西。通常不需要太多存储空间，而且只有很少或没有依赖关系。

2. 智能合约的工作原理

• 构建智能合约。智能合约由区块链内的多个用户共同参与制定，可用于用户之间的任何交易行为。协议当中明确了双方的权利和义务。开发人员将这些权利和义务以电子化的方式进行编程，代码中包含会触发合约自动执行的条件。
• 存储合约。一旦编码完成，这份智能合约就被上传到区块链网络上，即全网验证节点都会接收到合约。
• 执行合约。智能合约会定期检查是否存在相关事件和触发条件，满足条件的事件将会推送到待验证的队列中，区块链上的验证节点先对事件进行签名验证以确保其有效性，等大多数验证节点对该事件达成共识后，智能合约将成功执行并通知用户。

3. 智能合约的优点

优点：

• 高效的实时更新能力。由于智能合约的执行不需要第三方或中心化的代理服务的参与，能够在任何时候响应用户的请求，大大地提升了交易的效率。用户只需要通过网络就可以方便快捷地办理业务。
• 准确执行。合约的所有条款和执行过程是提前制定好的，并且是在计算机的控制下执行，因此，所有的执行结果都是准确无误的
• 较低的人为干预风险。在智能合约部署之后，合约的所有内容都无法修改，合约当中的任何一方都不能干预合约的执行。如果合约人恶意毁约，就会受到相应的处罚，而这种处罚也是在合约制定之初就已经决定了，在合约生效之后就无法更改。
• 去中心化。一般来说，智能合约不需要中心化的权威机构来仲裁合约是否按规执行，合约的监督和仲裁都由计算机来完成。
• 较低的运行成本。智能合约无需人为干预，能够大大减少合约履行、裁决和强制执行所产生的人力成本。

4. 智能合约的编译更改

智能合约源码

在部署智能合约之前，需要两件事情:编译代码和应用程序的二进制接口，二进制接口是一种参考模板，用于定义如何与合同进行交互。

智能合约编译工具的安装

安装智能合约编译工具solc，solc是一个Solidiy命令行编译器，是Solidity编译方法之一。
在ubuntu系统，在终端输入命令行就可以成功安装。

在Ubuntu系统
在终端中执行以下命令: 
sudo add-apt-repository ppa:ethereum/ethereum
sudo apt-get update
sudo apt-get install solc
which solc

在MAC OSX系统，也是在终端输入命令行。

在Mac OSX系统中
在终端中执行以下命令:
brew tap ethereum/ethereum
brew install solidity
which solc

在Windows系统中，需要安装chocolatey，该工具可以在windows上管理软件，然后执行命令行就可以了。

在Windosw系统中
需要安装chocolatey (https/chocolsteyorg/)，该工具可以在windows上管理软件。
在终端中执行以下命令:
cinst -pre solC-stable

最后是通过源码安装solc。

在终端中执行以下命令:。
git clone https://github.com/ethereum/cpp-ethereum.git
mkdir cpp-ethereum/build
cd cpp-ethereum/build
cmake -DISONRPC=OFF -DMINER=OFF -DETHKEY=OFF -DSERPENT=OFF-DGUI=OFF -DTESTS=OFF -DJSCONSOLE=OFF
make -j4
make install
which solc

在命令行输入下面的bin命令进行智能合约代码solc编译:

solc --bin HelloWorld.sol

除了字节码数据，还需要一个abi接口，通过执行abi命令：

solc --bin HelloWorld.sol

得到abi信息，在之后的测试部署中可能会用到。

5. 智能合约的测试

以下是智能合约示例

pragma solidity ^0.4.20;
contract Simplestorage {
    
    
	uint storedData;
	function set(uint x){
    
    
		storedData= x;
	}
	function get() constant returns(uint){
    
    
		return storedData;
	}
}

三种智能合约测试的方式：
Remix+MetaMask
wallet +MetaMask
truffle

智能合约测试工具安装及使用

1. Remix+MetaMask
   remix是一个浏览器版的solidity开发IDE（集成开发环境），可以使用在线版，也可以安装到本地。MetaMask是一个浏览器插件，作用相当于一个轻型的以太坊钱包，谷歌或者火狐浏览器都可以使用。安装方法是直接在浏览器应用商店中搜索MetaMask，或者在MetaMask官网下载安装。
   以太坊钱包安装完成之后，首先使用Remix发布智能合约，发布成功之后，右边就会显示已经发布成功的智能合约以及合约相关的信息，包含合约地址以及暴露到外部的接口。
2. wallet +MetaMask
   如果已经安装好了MetaMask，那么直接打开以太坊钱包的官网https://wallet.ethereum.org/
3. truffle（首先需要自行安装node环境以及cnpm )
   (1）安装 truffle：
   cnpm i-g truffle
   (2）创建项目工程：
   mkdir truffle && cd truffle
   truffle init
   (3）项目结构：
   contracts目录下存的是solidity合约代码，migrations中存的是js脚本，test中存的是测试用例。
   (4）编写代码、部署、调试
   contracts中新建Hello.sol文件;
   注意：
   类名Hello需要跟文件名Hello.sol保存一致
   Migrations.sol文件不能删除。
   在migrations目录下添加对应的js脚本2_depoly_hello.js
   代码添加完后，打开终端，切换到项目所在路径，执行代码。

三、以太坊虚拟机EVM

传统意义上的虚拟机
虚拟机：实际上不是物理计算机，而是一个用来模仿物理计算机的软件环境，但虚拟机可以像物理计算机一样运行程序。用于托管虚拟机的物理计算机通常可以支持多台虚拟机。另外，不仅在系统层上有虚拟机的概念，在程序语言上也有虚拟机的概念。

虚拟机是用来解决什么问题呢?
为了抽象掉硬件底层。从系统层来说，硬件和操作系统都越来越多样化了。
它可以自动兼容所有硬件。总结一下，虚拟机技术实现基本上都是将硬件层或是系统层进行了一次抽象，以致对应用层屏蔽掉了底层的实现细节，有利于应用的快速实现和部署。

1. 虚拟机的分类

按层次来说可以分为三大类：

• 高级语言虚拟机：是就一个代码解释器，不需要二进制代码，只需要中间代码，然后虚拟机处理后，再移交给CPU 和存储结构。虚拟机模拟的是代码的执行。
• 操作系统层的虚拟机：所有操作系统接口调用都会被该容器截获，经过处理后，发送到当前适当的平台上。
• 硬件层的虚拟机：是最复杂的工程，是虚拟化技术的一大重点，是对硬件层以及硬件驱动层的模拟。

然而它们的实现越往底层难度就越大。

2. 区块链虚拟机

传统的精简指令集计算机：这种计算机CPU只提供了有限的执行指令和存储器，但是各种类型的应用都能在这台计算机上运行。

原理：因为系统存在一个“虚拟机”将高层语言的实现都转换成了CPU的相关执行指令。高层语言提供语法，人们使用高级语言开发相关应用。

由低到高的层次结构分别为:硬件指令，虚拟机，高级语言和应用层。

如果要在区块链里支持各种应用，也需要有这样的层次结构，因此需要区块链提供一套指令，并且区块链里的虚拟机可以对这些指令作相关的解释。另外，高级语言的实现需要有一个编译器将实现编译成虚拟机支持的指令。这样，区块链就完美支持了语言和业务的分离，从而可以在区块链里开发各种业务应用。

虚拟机架构的组成部分：

• 指令∶区块链系统底层支持的原子操作指令
• 虚拟机∶对原子操作指令的解释
• 编译器：将高级语言转换为虚拟机支持的指令
• 高级语言：用于实现在区块链里运行业务应用

还有两个重要的组成部分∶

• 区块链系统提供的原始API，用于在编写智能合约需要时，获取系统相关数据或是状态;
• ABI，一个智能合约发布后，其他的应用需要知道这个合约提供了什么功能接口以及数据结构。

当所有的部分都就绪后，我们就可以用高级语言和API编写符合业务逻辑的智能合约，然后用相关编译器将智能合约编译成 byte codes，并且也会生成相关的ABI描述。经过严格测试后，就可以将智能合约的byte codes和ABI以交易的形式发布到区块链中。

矿工会验证你交易的合法性，如果入块成功，将会返回智能合约地址。用户会调用这个合约地址来获取 ABI，再根据 ABI 里对功能接口的描述来发起—笔对功能接口调用的交易，从而实现相关功能或是获取相关结果。矿工同样也会对这笔交易进行合法性验证及入块处理。

将经过严格测试的智能合约代码发布到区块链上可以理解为一个特殊的交易——包括了可执行代码的交易，然后会被矿工记录在某个块中。当需要调用这个智能合约时，只需向这个智能合约的地址发送一个交易即可。因为每个节点都需要安装以太坊客户端，而每个客户端都自带了一个EVM(以太坊虚拟机)。通过交易触发智能合约后，智能合约的代码就能在EVM上被执行。

这种方式相当于把程序部署到了很多的电脑上，随时都可以通过交易来触发这些智能合约的执行，从而也完成了去中心化程序的部署和调用。
DAPP就是基于以太坊运行的去中心化应用，这种应用涉及到传统行业的方方面面。

四、以太坊的共识机制与挖矿原理

1. 共识机制

以太坊为什么需要共识机制呢？
分布式系统中多个主机通过异步通信的方式组成网络集群，在这样的一个异步系统中需要主机之间进行状态复制，以保证每个主机达成一致的状态共识。在运行的过程中，可能出现主机故障导致无法通信，也有可能主机性能下降、网络拥塞这些都可能导致错误信息在系统内传播，因此需要在不可靠的异步网络中定义容错协议以保证各主机达成安全可靠的状态共识。

以太坊共识机制的版本

如果单纯根据代币余额来决定记账者，必然使富有者胜出，导致记账权的中心化，降低共识的公正性。因此，如何解决记账权中心化问题？不同的PoS机制在权益证明的基础上，采用了不同的方式来增加记账权的随机性，来辟负中心化。

2. 以太坊的挖矿原理

挖矿流程
共识机制：PoW（工作量证明）
算法：Ethash (Dagger-Hashimoto算法的改良版本）

对于每个块，首先计算一个种子，该种子仅和当前块的信息有关，然后根据种子生成一个32M的随机数据集，根据随机数据集生成一个1G大小的DAG（有向无环图）。

挖矿的过程就是从DAG中随机选择元素（类似于比特币挖矿中查找合适Nonce），再进行哈希运算，可以从Cache快速计算DAG指定位置的元素，进而哈希验证。

挖矿步骤

• 生成一个钱包
• 有一台电脑，把电脑调成挖矿的最高效状态
• 下载个挖矿软件开始挖矿，挖到矿后，挖到的币会发到钱包里面。