深入理解以太坊

目标

理解以太坊的底层运行机制
- 本文主要关注为什么这么做、基本原理、实现效果，2/8法则，花 20% 的精力掌握 80% 的内容
- 细节实现会留 reference，如果想研究，建议用以下方式：1. 走一遍 demo，搞清楚所有的细节，例如 EVM 合约的执行流程；2. 自己实现一遍，比如 MPT、EVM，甚至整个以太坊客户端。
概览以太坊生态全景
- 建立以太坊/区块链的整体认知
  - 类比其它项目，看项目的方法论
- 寻找兴趣方向，针对性的研究
- 发散思维，发现机会

当你发出一笔交易后，发生了什么？

发送交易的 API

var Tx = require('ethereumjs-tx');
var privateKey = new Buffer('e331b6d69882b4cb4ea581d88e0b604039a3de5967688d3dcffdd2270c0fd109', 'hex')
var rawTx = {
 nonce: '0x00',
 gasPrice: '0x09184e72a000', 
 gasLimit: '0x2710',
 to: '0x0000000000000000000000000000000000000000', 
 value: '0x00', 
 data: '0x7f7465737432000000000000000000000000000000000000000000000000000000600057'
}
var tx = new Tx(rawTx);
tx.sign(privateKey);
var serializedTx = tx.serialize();
//console.log(serializedTx.toString('hex'));
//f889808609184e72a00082271094000000000000000000000000000000000000000080a47f74657374320000000000000000000000000000000000000000000000000000006000571ca08a8bbf888cfa37bbf0bb965423625641fc956967b81d12e23709cead01446075a01ce999b56a8a88504be365442ea61239198e23d1fce7d00fcfc5cd3b44b7215f
web3.eth.sendRawTransaction('0x' + serializedTx.toString('hex'), function(err, hash) {
 if (!err)
   console.log(hash); // "0x7f9fade1c0d57a7af66ab4ead79fade1c0d57a7af66ab4ead7c2c2eb7b11a91385"
});

交易字段说明：

from：谁发的
to：发给谁。如果是合约地址，则为调用合约；如果为空，则为部署合约。
gas: 为了解决停机问题和收取手续费引入的概念。调用合约节点需要运行计算，gas 用来衡量计算花费，比如你的合约是投票，做简单的 +1，花费会比让合约计算 100！小得多。由于每一步计算都会消耗 gas，因此设定这个数值，可以避免合约逻辑里有死循环，gas 消耗完就当做执行失败，返回结果。
gasPrice：gas 计费单位，按 eth 支付
value：随交易发多少个 eth，比如合约逻辑是充值，设置这个值，在发交易的同时，给合约转 eth
data：调用合约的数据，rlp 编码，后面讲 EVM 的时候会有再详细的解释
nonce：交易唯一标识，防止重放攻击

web service 接收请求

jsonrpc via http example

curl -X POST --data '{"jsonrpc":"2.0","method":"eth_sendTransaction","params":[{see above}],"id":1}'

接口交互协议
- jsonrpc
通道
- http
- ws
- ipc

类比思考：接口交互的一些其他方案

GraphQL：以太坊 geth 客户端已经支持
grpc
thrift

验证交易合法性

交易结构验证
去重
签名

放入交易池

p2p 广播交易

将交易广播给全网其它节点，上图显示了广播流程，每个节点够会连接若干个节点，广播时将交易广播给附近的节点，附近的节点重复此操作，直至传播到全网。

类比思考: bt 协议

矿工挖矿（出块）

打包交易（定序）

从交易池中取出交易，排序后构造一个 tx list

执行交易

本质是状态转移，但是显式的保留了世界状态，以 state_root 呈现。

btc 是 UTXO 模型，交易本质是记账，比如 A 给 B 3 个 BTC，花掉的时候拿这行记录去花，本身并不算总账。

以太坊的的状态转移是从一个世界状态，在执行交易后变为一个新的世界状态。

上面是一个只支持转账的简单模型，以太坊的世界状态是任意的数据构成的状态，交易可以执行任意的指令

状态：world state
- 需要的特性
  - 历史可回溯
  - 需要做的变更少
- 类比
  - 文档管理：毕业论文最终不改版
  - git
如何转移：EVM
- 确定性
  - 不能有随机数
  - 不能访问外部世界状态，因为不可控，比如网络可能连不上
- 图灵完备

构造区块

一些密码学概念

哈希
- 从任意数据 data 算出一个定长数据 hash
- data 不同 hash 一定不同
  - 碰撞概率低
- 从 hash 无法反推 data
- 使用场景：盲拍、验证数据一致
公钥、私钥
- 要点
  - 私钥可以推导出公钥，公钥无法推导出私钥
  - 私钥加密的信息公钥可以解开，公钥加密的东西私钥可以解开
- 使用场景
  - 证明你是你
  - 加密信息传输
地址
- 公钥经过哈希再编码得到的结果
- 防止公钥暴露，被碰撞出私钥
签名
- 用私钥对一段数据（的哈希）签名得到的数据
- 证明这个得到了你的授权
  - 比特世界的按指纹/签名

区块结构

MPT

参考

Merkle Patricia Tree 详解
实现
- python
- rust
- go

算哈希，满足难度要求

通过引入工作量证明，保证大家记的是同一本账

通过 block + chain 保证不可篡改
矿工可以获得报酬（出块奖励+手续费）
博弈论：伪造一个更长的链需要付出算力，而这个算力用来挖矿是收益更高的

p2p 广播区块

收到新的区块，执行验证

最长链原则

更新本地状态

EVM

虚拟机是计算机科学的一个经典概念：

硬件模拟
- x86 虚拟机
- risc-v 虚拟机
语言解释
- jvm：java 虚拟机
- lua 虚拟机

EVM 的特点：

图灵完备
栈式虚拟机

想要深入理解可以直接看这个：https://takenobu-hs.github.io/downloads/ethereum_evm_illustrated.pdf。有大量的图，清晰易懂。

EVM 的高级编程语言目前主要有 solidity 和 vyper 两种。

solidity 编程和其它高级语言对比：

pragma solidity >=0.4.0 <0.7.0;

contract SimpleStorage {
    uint storedData;

    function set(uint x) public {
        storedData = x;
    }

    function get() public view returns (uint) {
        return storedData;
    }
}

class SimpleStorage {
    storedData: number;
    constructor(x: number = 0) {
        this.storedData = x;
    }
    set(x: number) {
        this.storedData = x;
    }
    get(): number {
        return this.storedData;
    }
}

let s = new SimpleStorage();
console.log(s.get());   // print 0
s.set(1);
console.log(s.get());   // print 1

在 solidity 中，部署合约相当于从 class 初始化一个实例（instance），调用合约相当于调用实例方法。

solidity 和 vyper 都会通过编译变成 evm 字节码，被 evm 解释执行。

详细的 evm 执行流程可以参考 evm guide，模拟整个字节码指令的运行过程。

future

以太坊 2.0
- sharding
- POW -> POS
扩展
- plasma
- layer 2
- state channel

问题

共识
- 慢
- 非确定性共识
虚拟机
- 非通用
  - 编程语言限定
- 安全性
状态爆炸

生态和研究方向

应用
- DeFi
  - DEX
  - 借贷
  - 稳定币
- game
共识
开发者工具
- remix
- truffle
- openzepplin
安全
- 合约审计
密码学
- 零知识证明
其它项目
- pokadot/substrate
  - sharding
  - wasm
- cosmos
  - 跨链
  - cosmos-sdk
- nervos ckb
  - risc-v 虚拟机
  - cell 模型

思维方式

全局视野，认知水平
寻找问题，发现机会
借鉴历史
- 计算机科学
- 互联网

pidb/dive_into_ethereum.md