雷鋒網(wǎng)按：本月初，第三屆以太坊開發(fā)者大會(huì)DevCon3在墨西哥坎昆舉行。萬向區(qū)塊鏈旗下萬云平臺(tái)CTO奚海峰在參會(huì)后對(duì)這趟旅程的所見所聞進(jìn)行了總結(jié)，并在上周萬向分享會(huì)上進(jìn)行了演講，全面地解讀了以太坊的生態(tài)現(xiàn)狀和未來發(fā)展。本文授權(quán)轉(zhuǎn)載自公眾號(hào)萬向區(qū)塊鏈，作者奚海峰。

一、以太坊基礎(chǔ)概念

以太坊作為一個(gè)區(qū)塊鏈產(chǎn)品和技術(shù)平臺(tái)，初衷是希望區(qū)塊鏈可以像手機(jī)操作系統(tǒng)一樣，當(dāng)開發(fā)者想構(gòu)建應(yīng)用時(shí)不必重復(fù)創(chuàng)造和維護(hù)區(qū)塊鏈，直接使用以太坊即可。不僅用于轉(zhuǎn)賬，還可用于像資產(chǎn)發(fā)行、眾籌、域名注冊(cè)、權(quán)屬登記、預(yù)測(cè)市場(chǎng)、投票、物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用場(chǎng)景。以下是以太坊的一些基礎(chǔ)概念。

賬戶類型

區(qū)塊鏈最基本的結(jié)構(gòu)是賬戶體系，以太坊在原比特幣的外部控制賬戶基礎(chǔ)上增加了合約賬戶。合約賬戶是由一段代碼（智能合約）控制的賬戶。不同的賬戶間通過交易來實(shí)現(xiàn)交互，交易可以從一個(gè)外部控制賬戶發(fā)到另一個(gè)外部控制賬戶，實(shí)際上就是簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)賬。

如果從外部賬戶發(fā)一個(gè)交易到合約賬戶，就是對(duì)這個(gè)合約賬戶里包含代碼的某個(gè)函數(shù)進(jìn)行調(diào)用。此外，一個(gè)合約賬戶也可以嵌套式地調(diào)用另外一個(gè)合約賬戶的代碼。

Gas和Gas Price

為避免智能合約被惡意使用造成死循環(huán)，以太坊加入了燃料（Gas）的概念。執(zhí)行智能合約的某個(gè)操作，或者存儲(chǔ)一些數(shù)據(jù)都要花費(fèi)相應(yīng)數(shù)量的Gas；在執(zhí)行一個(gè)智能合約時(shí)，必須在一定Gas限度內(nèi)完成，否則程序就會(huì)終止。Gas Price是智能合約調(diào)用者指定的，表示他愿意為每個(gè)Gas支付多少以太幣，這種成本因素進(jìn)一步約束黑客濫用以太坊資源的沖動(dòng)。

交易

一個(gè)交易由若干關(guān)鍵字段構(gòu)成：

• Nonce：隨機(jī)數(shù)，它可用來避免交易被重放。

• Startgas：指調(diào)用方愿意為這次調(diào)用支付的Gas上限，在調(diào)用之前從賬戶里扣除。如果調(diào)用結(jié)束時(shí)，Startgas沒有花完，剩下的就會(huì)退回到調(diào)用者賬戶。如果執(zhí)行過程消耗的Gas超越了預(yù)先支付的Startgas，執(zhí)行就中止。

• To：指這個(gè)交易的目標(biāo)地址。

• Value：轉(zhuǎn)賬的以太幣數(shù)量。

• Data：目標(biāo)為合約賬戶時(shí)，對(duì)調(diào)用函數(shù)名和參數(shù)的編碼。

狀態(tài)機(jī)

每個(gè)賬戶實(shí)際上都維護(hù)一個(gè)狀態(tài)，這個(gè)狀態(tài)在執(zhí)行代碼的時(shí)候發(fā)生轉(zhuǎn)移，可以理解為以太坊每個(gè)節(jié)點(diǎn)都在維護(hù)一個(gè)巨大的狀態(tài)機(jī)。就是通過執(zhí)行交易去觸發(fā)代碼的執(zhí)行，代碼會(huì)修改賬戶的內(nèi)部狀態(tài)，包括代幣里面存儲(chǔ)的值，這樣使得整個(gè)以太坊從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)到另一個(gè)狀態(tài)。

以太坊虛擬機(jī)（EVM）

智能合約運(yùn)行在虛擬機(jī)里面，虛擬機(jī)相當(dāng)于模擬的計(jì)算機(jī)，它有堆棧、內(nèi)存、存儲(chǔ)、環(huán)境變量、日志，所以它叫圖靈完備。用這個(gè)虛擬機(jī)可以寫任意復(fù)雜的邏輯，這也正是為什么要引入Gas機(jī)制的原因。

高級(jí)編程語(yǔ)言

虛擬機(jī)運(yùn)行的智能合約代碼，是編譯為EVM可以理解的二進(jìn)制碼部署在智能合約當(dāng)中的。但是作為編程人員直接用這種代碼寫程序較難，因?yàn)樗且粋€(gè)低級(jí)語(yǔ)言。所以以太坊提供了高級(jí)語(yǔ)言如Solidity、Viper、LLL、Bamboo來寫智能合約，然后編譯成EVM代碼。

應(yīng)用二進(jìn)制接口ABI

應(yīng)用二進(jìn)制接口ABI是智能合約函數(shù)調(diào)用的二進(jìn)制編碼格式。在向一個(gè)合約賬戶發(fā)送交易時(shí)，需要指明調(diào)用合約代碼里的哪個(gè)函數(shù)，如果這個(gè)函數(shù)帶參數(shù)，還要把參數(shù)值傳遞過去，這些東西都要有一個(gè)二進(jìn)制編碼。

Merkle Tree

在以太坊里有一個(gè)非常重要的概念“Merkle Tree”。在Merkle Tree里,從根結(jié)點(diǎn)向下（葉子節(jié)點(diǎn)除外），每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的值都是下面節(jié)點(diǎn)的值合并后算哈希的結(jié)果。這樣的好處是可以很容易形成對(duì)于葉子節(jié)點(diǎn)上的交易數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。以太坊對(duì)Merkle Tree做了改進(jìn)，以便高效地進(jìn)行插入和刪除操作。

二、以太坊面臨的安全挑戰(zhàn)

智能合約風(fēng)險(xiǎn)

以太坊作為一個(gè)帶有圖靈完備虛擬機(jī)的區(qū)塊鏈平臺(tái)，它的優(yōu)勢(shì)很明顯，但優(yōu)勢(shì)往往也是它的劣勢(shì)。對(duì)于以太坊來講，因?yàn)樗奶摂M機(jī)支持任意編程邏輯，在寫智能合約的時(shí)候很有可能會(huì)引入bug，比如之前的The DAO事件造成以太坊的硬分叉，Parity錢包7月份和11月份兩次bug被黑客利用造成的資產(chǎn)損失等。所以面對(duì)這些安全風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)該怎么辦？

一是可以通過以太坊的協(xié)議和EVM本身的升級(jí)來加強(qiáng)安全性。二是可以應(yīng)用代碼審計(jì)公司或者是自己編制嚴(yán)格的審計(jì)流程對(duì)自己的代碼進(jìn)行審計(jì)。另外，可以使用形式化驗(yàn)證工具來加強(qiáng)安全性，如區(qū)塊鏈安全公司Zeppelin開發(fā)的工具，可以使得區(qū)塊鏈上部署的智能合約代碼修改起來更方便。蘇黎士聯(lián)邦理工大學(xué)軟件可靠性實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的安全審查工具Securify，給開發(fā)人員提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的界面，可以對(duì)輸入的智能合約代碼進(jìn)行形式化驗(yàn)證，然后找出里面存在的漏洞。

隱私風(fēng)險(xiǎn)

我們都知道，在區(qū)塊鏈社區(qū)中特別注重隱私保護(hù)，而zk-SNARKs（“簡(jiǎn)明非交互零知識(shí)證明”）是此次DevCon上一個(gè)非常熱門的話題。這個(gè)機(jī)制是讓一個(gè)證明者，在不提供任何額外的有用信息的情況下，使驗(yàn)證者相信某個(gè)論斷是正確的，是一種概率證明而不是確定性證明。

比如Alice有一把開門的鑰匙，她需要向Bob證明她擁有這個(gè)鑰匙。有兩種做法，第一種是Alice把鑰匙給Bob，Bob拿這個(gè)鑰匙開了門進(jìn)去，Bob知道Alice確實(shí)擁有進(jìn)門的鑰匙。另外一種做法是，Bob知道這個(gè)房子里有一樣?xùn)|西，他告訴Alice，Alice到房間里把這個(gè)東西拿出來給Bob看。由于Alice能做到這一點(diǎn)，Bob知道Alice有開門的鑰匙。第二種方法就是所謂的零知識(shí)證明，可以在不泄露鑰匙的情況下，向Bob證明Alice擁有它?，F(xiàn)階段，對(duì)隱私保護(hù)做得最好的是Zcash，Zcash對(duì)零知識(shí)證明應(yīng)用得非常純熟。

三、以太坊面臨的擴(kuò)容挑戰(zhàn)

以太坊面臨的另外一個(gè)重大問題，就是它的性能擴(kuò)展。以太坊上面現(xiàn)在已經(jīng)部署了成百上千的智能合約，但它之初的設(shè)計(jì)是基于PoW共識(shí)機(jī)制，每秒只能處理幾十個(gè)交易，無法滿足很多應(yīng)用對(duì)交易性能的實(shí)際要求。以太坊被認(rèn)為是第二代區(qū)塊鏈，現(xiàn)在第三代區(qū)塊鏈的崛起勢(shì)頭對(duì)以太坊形成了某種競(jìng)爭(zhēng)壓力，所以當(dāng)務(wù)之急是如何在保持以太坊平臺(tái)平穩(wěn)運(yùn)行的前提下，盡快把它切換到PoS的共識(shí)機(jī)制下，提高平臺(tái)的性能。

現(xiàn)在以太坊面臨的在性能擴(kuò)展上的問題是，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都要處理每一個(gè)交易，這意味著整個(gè)區(qū)塊鏈的容量是被單一節(jié)點(diǎn)的處理能力和存儲(chǔ)能力所限制。另外，以太坊設(shè)計(jì)之初就不支持交易的并行處理，這些都限制了其性能的進(jìn)一步提升。

四、以太坊的擴(kuò)容之路

為了解決擴(kuò)展性，Vitalik提出了Sharding（分片）方案，即“一個(gè)區(qū)塊鏈，兩套系統(tǒng)”。Sharding具體方案是將以太坊網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)分解為眾多分片(shard)，分片間僅能異步通訊，每一個(gè)分片僅處理全網(wǎng)絡(luò)的一部分交易，分片也分為主分片與新分片。Vitalik 稱新分片為“宇宙星系”。

主分片與新分片在共識(shí)與治理上會(huì)有不同處理方式，主分片采取保守的方式，依然是PoW，然后進(jìn)入一種混合的PoS模式，實(shí)際上就是PoW加PoS，以保障網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性；新分片采取積極改進(jìn)的方式，以便進(jìn)行更多的試驗(yàn)，但不影響主分片，新分片則直接使用PoS模式，實(shí)現(xiàn)權(quán)益證明。如果能實(shí)現(xiàn)這樣的治理構(gòu)架，系統(tǒng)將會(huì)更穩(wěn)定。

在新老分片中間的同步狀態(tài)是通過一個(gè)叫無狀態(tài)的客戶端來做的。所謂無狀態(tài)就是，當(dāng)把新分片的一些局部狀態(tài)想要同步到主分片的時(shí)候，共識(shí)節(jié)點(diǎn)不需要存儲(chǔ)所有網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，僅存儲(chǔ)區(qū)塊頭部信息即可。另外發(fā)送交易時(shí)，提交Merkle 證明即可以改變狀態(tài)。因?yàn)镸erkle是自洽的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它可以向主分區(qū)證明這個(gè)交易確實(shí)是在新分區(qū)上發(fā)生過了。這樣在新分區(qū)上可以做很多的優(yōu)化，比如并發(fā)處理，包括區(qū)塊的大小，就不再是個(gè)問題。如果要想嘗試不同區(qū)塊大小帶來的性能方面的影響，它可以創(chuàng)建不同的新分片，在不同的新分片做不同的設(shè)置。

總結(jié)來說，這套機(jī)制使把以太坊未來的開發(fā)分成兩層。第一層是現(xiàn)有的主分片，強(qiáng)調(diào)安全和保守。另外一層是新的分片，直接用PoS協(xié)議，它可以實(shí)現(xiàn)快速的算法和功能迭代。

如果要想實(shí)現(xiàn)分片制的設(shè)想，PoS扮演了非常重要的作用。無論是主分區(qū)里從混合模式過渡到最終模式還是新分區(qū)一步到位，PoS在以太坊接下來的發(fā)展中就非常重要。PoS是一種公有鏈的共識(shí)算法，是權(quán)益證明，它和PoW工作量證明不一樣的是，它不是解一個(gè)加密算題來給參與者進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)的挖礦機(jī)制，而是在它的機(jī)制里有一些驗(yàn)證人，這些驗(yàn)證人自己要持有區(qū)塊鏈上的代幣。這些驗(yàn)證人按照一定的算法輪流提議出塊，所有的驗(yàn)證人為這個(gè)新的塊進(jìn)行投票。在投票的時(shí)候，每一個(gè)投票人的投票權(quán)重跟它的代幣數(shù)量成正比。如果驗(yàn)證人的投票行為是正確的，他就會(huì)得到獎(jiǎng)勵(lì)。如果他作弊，那么他會(huì)被判定為以不符合協(xié)議的方式進(jìn)行投票，他的代幣會(huì)被懲罰沒收。所以PoS基于經(jīng)濟(jì)機(jī)制來獲得共識(shí)，并且獲得網(wǎng)絡(luò)的安全性。

PoS的優(yōu)點(diǎn)有三個(gè)：

• 第一是明確的經(jīng)濟(jì)安全性，因?yàn)樗辉偈峭ㄟ^挖礦的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)共識(shí)，所以在鏈上治理這塊就可以制定非常明確而且有針對(duì)性的獎(jiǎng)懲措施。在PoW的機(jī)制里，要想進(jìn)行51%攻擊，代價(jià)很低，僅需電力消耗和設(shè)備損耗。但PoS不同，它的懲罰非常嚴(yán)重，當(dāng)你進(jìn)行51%的攻擊，治理算法就會(huì)發(fā)現(xiàn)，你所有的代幣就會(huì)被沒收。所以它的經(jīng)濟(jì)安全性，比PoW高。

• 第二，減少集中化風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)镻oW挖礦機(jī)制使得它有集中化傾向，在PoS里面1塊錢就是1塊錢，你的錢和股份是平等的，減少了集中化風(fēng)險(xiǎn)。

• 第三，提高能源效率。我們都知道，比特幣挖礦消耗的能量相當(dāng)于厄瓜多爾整個(gè)國(guó)家一年的耗電量。但切換到PoS上，綠色環(huán)保，非常值得提倡。

以太坊通過Casper的機(jī)制來實(shí)現(xiàn)PoS。Casper由兩個(gè)項(xiàng)目組成：Casper由兩個(gè)項(xiàng)目組成：Casper CBC和Casper FFG。FFG以保守的方式，在PoW 基礎(chǔ)上實(shí)施了權(quán)益證明。簡(jiǎn)單地說，依然通過PoW 算法增加區(qū)塊，但是每50個(gè)塊有一個(gè)PoS “檢查點(diǎn)”，通過網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證人來評(píng)估區(qū)塊的最終有效性。FFG解決的是短期內(nèi)將主鏈遷移到PoS上，實(shí)現(xiàn)混合的PoS模式，只是過渡方案。而CBC是最終方案，從形式化的設(shè)計(jì)和形式化建設(shè)方面都是正確的算法。

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