聲明 我不會帶你做“炒B、擼空、兌換”等任何靠虛擬資產(chǎn)發(fā)財?shù)氖虑?。我也不會教你WEB3開發(fā)，畢竟“遠(yuǎn)程”課程那么多，大家直接去報班就行。 我就是研究“合規(guī)的支付新技術(shù)”，僅此而已。

大家好，我是剛哥！

這次給大家介紹以太坊，不過以太坊比較龐大，所以這篇文章先介紹以太坊基礎(chǔ)知識與核心流程，后續(xù)再逐步介紹上層的WEB3應(yīng)用。

當(dāng)然，我的內(nèi)容會更加偏重與支付的結(jié)合。也就是WEB2.5又叫“PayFi”，因此我會沿著“跨境+WEB3+AI“的路徑來介紹“資產(chǎn)和資金”的上鏈。

好了，廢話就說到這里，下面我們直接開始介紹以太坊的基礎(chǔ)知識，我將從“場景-概念-原理”進(jìn)行“穿透式”的介紹，力求給你一個完整的視角。

【文章很長，建議先收藏，然后用直接聽】

01 以太坊-Ethereum

上篇文章介紹過，比特幣作為加密貨幣的開創(chuàng)者，奠定了區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)。同時比特幣因?yàn)椤昂碾?、緩慢、價格高、可編程差”等方面問題飽受詬病。

1.以太坊的誕生

在2013年有一位大神Vitalik Buterin提出了比特幣可編程性的改進(jìn)方案，由于方案比較激進(jìn)，在被比特幣維護(hù)者拒絕后，它創(chuàng)立了以太坊（Ethereum），并在2015年上線。

他將以太坊定義為一臺“世界計(jì)算機(jī)”，全世界鏈上的交易都可以通過它來完成結(jié)算。這相當(dāng)于“從功能手機(jī)升級到了智能手機(jī)”。

2.比特幣Vs以太坊

圖2：比特幣與以太坊比較

1）PoW-PoS：以太坊在比特幣區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)上進(jìn)行了多項(xiàng)改進(jìn)。最初采用工作量證明（PoW），但為減少能源消耗，于2020年轉(zhuǎn)向權(quán)益證明（PoS），不僅是能耗降低了99%，也使時效壓縮到12秒。

2）賬戶模型：以太坊還引入了賬戶模型，支持智能合約，實(shí)現(xiàn)自動化交易，并通過以太坊虛擬機(jī)（EVM）增強(qiáng)了可編程性，支持構(gòu)建復(fù)雜的去中心化應(yīng)用。

3）L2擴(kuò)容：為提升性能，以太坊提出了L2擴(kuò)容方案，通過鏈下處理數(shù)據(jù)，提高了性能并降低了成本，L1主鏈則主要負(fù)責(zé)結(jié)算。

并且以太坊還在持續(xù)的演進(jìn)，推出了“L1信標(biāo)鏈、EOF虛擬機(jī)、新型智能合約、跨鏈交易、預(yù)言機(jī)”等創(chuàng)新技術(shù)。

02 以太坊的架構(gòu)

以太坊的愿景是成為一臺“世界計(jì)算機(jī)” (The World Computer），它將是一臺全球化、去中心化且永不宕機(jī)的計(jì)算平臺。

任何人都能在上面構(gòu)建和運(yùn)行金融應(yīng)用程序，并且無需中介參與。支撐這個愿景是它一系列的技術(shù)創(chuàng)新和持續(xù)的架構(gòu)演進(jìn)。

1.以太坊架構(gòu)-世界計(jì)算機(jī)

圖3：以太坊-世界計(jì)算機(jī)（參考自網(wǎng)絡(luò)）

1）P2P網(wǎng)絡(luò)：作為一臺面向全球用戶的去中心化“計(jì)算機(jī)”需要面臨海量的全球用戶訪問，因此它基于P2P網(wǎng)絡(luò)，將全球上百萬臺計(jì)算機(jī)作為它的節(jié)點(diǎn)來服務(wù)全球用戶。

2）鏈上交易：每一個節(jié)點(diǎn)又是一個完整的“中心化”L1基礎(chǔ)設(shè)施，負(fù)責(zé)交易與合約的處理，完成交易受理、合約計(jì)算、創(chuàng)建/存儲區(qū)塊、共識投票/驗(yàn)證等處理，最終實(shí)現(xiàn)交易的不可逆。

3）上鏈/下鏈：以太坊不僅鏈上是開放的，還能與鏈下WEB2進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問與存儲。“預(yù)言機(jī)”可以實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)上鏈”，IPFS實(shí)現(xiàn)海量“數(shù)據(jù)存儲”，并且它們都可以通過加密簽名機(jī)制來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的不可篡改。

正是依托于這種“去中心化基礎(chǔ)設(shè)施”，以太坊構(gòu)建了一個“全球共享的計(jì)算平臺”，從而支撐了多樣化WEB3應(yīng)用的發(fā)展。

2.以太坊流程-世界狀態(tài)機(jī)

如何讓全球幾百萬臺計(jì)算機(jī)步調(diào)一致的處理每一筆交易，以太坊給出的方案是“世界狀態(tài)機(jī)”。

它通過區(qū)塊鏈“拍快照”的方式，讓全球服務(wù)器共同記錄處理結(jié)果，只要完成共識機(jī)制，全球服務(wù)器上的“狀態(tài)就一致”了。

大白話理解就是，“世界狀態(tài)機(jī)，把過程拍成快照，然后只看最新的結(jié)果”。

圖4：世界狀態(tài)機(jī)

它的處理過程如下：

1）交易驅(qū)動賬戶：賬戶的余額變動都是通過交易來驅(qū)動。

2）區(qū)塊快照存證：以太坊會把每次交易結(jié)果、賬戶余額拍個快照存在區(qū)塊鏈上。

3）共識達(dá)成一致：只要在規(guī)定時間內(nèi)達(dá)成共識，這個狀態(tài)就不可撤銷了。

下一筆新的交易在原有的賬戶余額上生成一個快照，然后繼續(xù)進(jìn)行全網(wǎng)共識，以太坊就是通過這種方式完成幾百萬用戶同時的在線交易處理。

03 以太坊基礎(chǔ)知識

我們知道比特幣的交易模型是“交易+UTxO”，它只是一個簡單的記賬系統(tǒng)，不適合處理復(fù)雜的邏輯。

以太坊為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的目的，“賬戶和交易”模型就必須重新設(shè)計(jì)。

1.以太坊交易模型

以太坊采用了一套非常復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)它的交易模型，為了便于大家理解和比較，我們先來看下它和傳統(tǒng)銀行的賬戶交易模型有什么區(qū)別。

1.1 傳統(tǒng)的賬戶交易

傳統(tǒng)銀行賬戶交易必須具備“客戶賬戶、內(nèi)部賬戶、交易明細(xì)、回單憑證”這幾項(xiàng)數(shù)據(jù)，才能提供適應(yīng)復(fù)雜交易場景和流程的支付體驗(yàn)。

并且傳統(tǒng)銀行要基于客戶實(shí)名來處理賬戶交易，那公開在互聯(lián)網(wǎng)的“匿名賬戶”又該如何交易呢？

圖6：銀行中心化賬戶交易 1.2 以太坊交易模型

以太坊的交易模型與“傳統(tǒng)交易模型”非常相似，它也有賬戶（外部賬戶、內(nèi)部賬戶）、交易、收據(jù)等信息。但作為“去中心化”設(shè)計(jì)，他也有很多的不同。

圖7：以太坊的交易模

1）無賬戶流水，它無需賬戶流水，因?yàn)槿ブ行幕~戶不存儲歷史記錄，節(jié)省存儲空間，歷史交易可通過應(yīng)用層技術(shù)如“The Graph”查詢。

2）無狀態(tài)設(shè)計(jì)，以太坊采用無狀態(tài)設(shè)計(jì)，不記錄賬戶和交易狀態(tài)，只保存交易結(jié)果收據(jù)，狀態(tài)流轉(zhuǎn)通過共識機(jī)制實(shí)現(xiàn)。

3）智能合約交易，以太坊通過智能合約控制交易，而非獨(dú)立的交易模塊。這些區(qū)別使得以太坊的賬戶和區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)更易于理解。

2.以太坊賬戶結(jié)構(gòu)

以太坊把他的賬戶定義為“Account State”（賬戶狀態(tài)），這也說明它保存的是賬戶的快照，最新的余額永遠(yuǎn)都保存在你最后一筆交易所發(fā)生的區(qū)塊中，具體結(jié)構(gòu)如下。

圖8：以太坊賬戶結(jié)構(gòu) 1）賬戶數(shù)據(jù)要素

• 匿名的地址：由于以太坊是匿名交易，所以，對于客戶擁有的賬戶，它通過一個“私鑰控制的地址”來指向賬戶。

• noce：用來記錄賬戶更新的次數(shù)。

• balance：用來記錄賬戶最新的余額。單位是Wei，是ETH的1/十億；

• codeHash（使用合約）：只有在合約賬戶中才有值。它存放合約代碼編輯后的字節(jié)碼，EVM虛擬機(jī)會根據(jù)這個字節(jié)碼去加載合約的代碼進(jìn)行處理。

• storageRoot（適用合約）：它是合約數(shù)據(jù)的根節(jié)點(diǎn)，其實(shí)合約也是存放在一棵Merkle Tree中的，這個我們在后面介紹。

以太坊整個賬戶結(jié)構(gòu)非常簡潔，最大的特點(diǎn)就是支持智能合約。所以它的賬戶類型包含以下兩種；

• 外部賬戶EOA(Externally owned account)：被私鑰控制且沒有任何代碼與之關(guān)聯(lián)。

• 合約賬戶CA(Contract account)：被它們的合約代碼控制且有代碼與之關(guān)聯(lián)。

圖9：外部賬戶與合約賬戶 3.區(qū)塊鏈（MPT）

經(jīng)過了這些鋪墊之后，終于要介紹以太坊的區(qū)塊鏈賬本了。因?yàn)?，以太坊的區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)要比特幣復(fù)雜了好幾倍。不過也不用擔(dān)心，我們知道它干什么用就行了。

以太坊的區(qū)塊鏈稱為MPT（Merkle Patricia Trie，默克爾-帕特里夏-字典樹），從名字看就知道很復(fù)雜，其實(shí)，它就是一棵用來存儲“賬戶狀態(tài)、交易和收據(jù)”信息的“復(fù)雜的Merkle Tree”。

圖11：以太坊MPT樹 1）擴(kuò)展的區(qū)塊頭：

顯著的特點(diǎn)是增加了關(guān)于“賬戶、交易、收據(jù)”的三個根節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)以太坊的PoS和Gas機(jī)制新增了一些字段。整個區(qū)塊鏈?zhǔn)褂昧恕癏ash鏈”結(jié)構(gòu)，將所有區(qū)塊連接起來。

2）以太坊中的四棵MPT樹

• 狀態(tài)樹 (State Trie）：存儲所有賬戶信息（余額、Nonce、代碼哈希、存儲根）。

• 交易樹 (Transactions Trie）：存儲當(dāng)前區(qū)塊的所有交易。

• 收據(jù)樹 (Receipts Trie）：存儲交易執(zhí)行后的結(jié)果（Gas 使用情況、日志等）。

• 存儲樹 (Storage Trie）：每個智能合約賬戶都有獨(dú)立的一棵存儲樹，用來存放合約變量。

這幾棵樹中任何信息修改，都需要重新生成一個區(qū)塊并共識，否則就會因?yàn)镠ash值的雪崩效應(yīng)造成整條鏈的分叉。

4.智能合約

以太坊的智能合約（Smart Contract）是一種存儲在區(qū)塊鏈上的自動化執(zhí)行程序。這里的“智能”不是“人工智能”，而是“可編程、自動化”的意思。它可以無需第三方介入，就能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的自動化交易。

以太坊的智能合約運(yùn)行在EVM（以太坊虛擬機(jī)）中，因此需要遵循ERC標(biāo)準(zhǔn)，它是EIP（以太坊改進(jìn)提案）的一個子協(xié)議。

4.1、智能合約協(xié)議

智能合約的ERC標(biāo)準(zhǔn)（即Ethereum Request for Comments以太坊征求意見），它是專門針對應(yīng)用場景推出的“通用接口標(biāo)準(zhǔn)”。

只要遵循ERC標(biāo)準(zhǔn)就能開發(fā)出“穩(wěn)定幣、DeFi金融、NFT數(shù)字資產(chǎn)、GameFi、智能合約錢包”等熱門的創(chuàng)新應(yīng)用。一些著名的ERC合約如下：

圖14：常用的智能合約標(biāo)準(zhǔn) 4.2、常見兼容合約項(xiàng)目

ERC標(biāo)準(zhǔn)其實(shí)只是一塊“樂高積木”，行業(yè)內(nèi)有很多著名的項(xiàng)目，會把ERC合約與多種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合，形成兼容以太坊智能合約各類項(xiàng)目。

圖15：智能合約的行業(yè)應(yīng)用

由此可見，以太坊的智能合約的應(yīng)用場景是非常豐富的，具體的合約我們在后面的應(yīng)用場景中再逐一介紹。下面我們來看下以太坊是如何執(zhí)行智能合約的。

5.虛擬機(jī)（EVM）

EVM（Ethereum Virtual Machine，即以太坊虛擬機(jī)）是以太坊智能合約的執(zhí)行環(huán)境，它被嵌入在每一個以太坊的“全節(jié)點(diǎn)”中來運(yùn)行智能合約。

智能合約使用Solidity語言開發(fā)，當(dāng)你開發(fā)完一個智能合約并完成編譯后，可以把他“部署”區(qū)塊鏈上，以太坊會給“你的合約”創(chuàng)建一個對應(yīng)的“CA賬戶”并保存在“Account Storage”中（就是前面CA賬戶外掛的Merkle樹）。

圖16：EVM運(yùn)行智能合約流程

只要用戶發(fā)送的交易請求中包含“智能合約字節(jié)碼”，EVM就會執(zhí)行“你的合約”，并按照以下步驟逐步執(zhí)行。

• 加載合約：EVM會根據(jù)你提供的字節(jié)碼去“CA賬戶”對應(yīng)的“Account Storage”中讀取對應(yīng)的智能合約，并加載到Virtual ROM中。然后通過“程序計(jì)數(shù)器”逐行讀取“合約指令”并執(zhí)行。

• 扣減Gas費(fèi)：在執(zhí)行前會先扣減Gas費(fèi)，這樣即使“你的合約”出現(xiàn)死循環(huán)，也會因?yàn)镚as耗盡而終止；

• 執(zhí)行合約：隨后你合約指令被壓入堆棧中（Stack），并在內(nèi)存中（Memory）運(yùn)行，最終執(zhí)行結(jié)果會被保存到“Account Storage”的數(shù)據(jù)庫中，完成出塊。

• 發(fā)送共識：合約執(zhí)行完成后，會將數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)送到共識層打包和驗(yàn)證，隨后廣播給全網(wǎng)完成共識。

顯然，這是一個完全自動化的精妙設(shè)計(jì)，他通過交易來驅(qū)動EVM執(zhí)行合約，合約自動完成交易處理，并且通過Gas費(fèi)來限制異常。整個過程全部自動化并且無需第三方介入。

04 以太坊運(yùn)行原理

講了這么多基礎(chǔ)概念，下面我們就把以太坊一筆交易的運(yùn)行流程給大家做個全流程的串聯(lián)，讓你對以太坊有個整體認(rèn)識。

以太坊的核心交易流程，其實(shí)就是進(jìn)行一次全網(wǎng)的PoS（權(quán)益證明），它的交易速度相較于比特幣要快很多。12秒就能完成驗(yàn)證和出塊，隨后發(fā)布到全網(wǎng)由見證者投票。最終共識12.8分鐘就能完成。

圖17：以太坊核心交易流程

下面我們就以收付款人通過一筆USDT合約轉(zhuǎn)賬交易來介紹一下整個處理過程。

1）選出提議者打包（12秒）

付款人向收款人地址轉(zhuǎn)賬USDT，交易信息被發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的Mempool。以太坊每12秒選出一個“提出者”來打包交易。提出者處理交易、計(jì)算合約并創(chuàng)建區(qū)塊，然后區(qū)塊經(jīng)過驗(yàn)證并廣播到全網(wǎng)，進(jìn)行共識投票。

2）上鏈驗(yàn)證者投票（6.4分鐘）

網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)作為驗(yàn)證者，確認(rèn)交易并更新余額和合約狀態(tài)。他們將驗(yàn)證結(jié)果簽名后廣播。大約6.4分鐘內(nèi)，若超過1/3節(jié)點(diǎn)同意，交易就基本不可逆。

3）最終共識并獎勵（12.8分鐘）

理論上，1/3共識仍有分叉風(fēng)險，因此需要更多節(jié)點(diǎn)投票。以太坊目標(biāo)是在12.8分鐘內(nèi)達(dá)到2/3共識，確保交易不會分叉，完成最終共識，參與者獲得獎勵。

顯然，以太坊這套機(jī)制在“打包排序”和“計(jì)算處理”上都限定了時間，以確保交易會被快速的處理。

你可能會問，要是有的節(jié)點(diǎn)沒有按時間處理完，或者處理一半掉線、宕機(jī)了怎么辦呢。其實(shí)以太坊的PoS會有一些技術(shù)機(jī)制來保障并且還會有處罰機(jī)制。這些內(nèi)容我們就在下一篇《PoS權(quán)益證明》中介紹了。

講在最后

在對以太坊的學(xué)習(xí)過程中，感受最大的就是他的公開和透明性，他的資料非常完善，底層代碼、合約代碼，甚至一些項(xiàng)目代碼都是開源，并且還有很多的區(qū)塊鏈瀏覽器、開源錢包讓你快速的體驗(yàn)產(chǎn)品。

當(dāng)然，最重要的還有AI大模型，它在WEB3這方面知識是非常全面的。只要你有一份目標(biāo)清晰的計(jì)劃（例如我的《WEB3知識地圖》），通過，“AI問答+搜索引擎+WEB3平臺體驗(yàn)與實(shí)踐”，學(xué)習(xí)WEB3一點(diǎn)都不難。

個人感覺，由于WEB3開放與開源，加上AI的加持，他學(xué)習(xí)的難度其實(shí)比傳統(tǒng)的支付和金融小很多。

當(dāng)然，如果有過來人帶下，那就能更加事半功倍了，希望我這篇文章能給你帶來幫助。

【參考資料】

以太坊白皮書：

https://ethereum.org/zh/whitepaper/

登鏈社區(qū)-精通以太坊第二版：

https://learnblockchain.cn/article/22102

以太坊智能合約協(xié)議：

https://eips.ethereum.org/erc

【實(shí)踐網(wǎng)站】

以太坊瀏覽器：https://etherscan.io/

MetaMask：https://metamask.io/zh-CN

Remix：https://remix.ethereum.org/

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