区块链

学习区块链的书籍我推荐这两本，我在这里已经推荐过一次： Mastering Bitcoin Mastering Ethereum 比特币开创了一门新的技术——区块链，而以太坊则在比特币的理念基础上进行再创新和升华，二者是近十多年来区块链技术的代表。因此，学习区块链技术，绝对离不开它们。恰好，这两本书就完全阐述了比特币和以太坊的技术。 这两本书都由同一名作者编写，他是一名有十多年区块链研究经验的爱好者，两本书的传播度非常广，是学习、研究区块链技术的必读作品。 《Mastering Ethereum》翻译为《精通以太坊》，目前该书可以在 github 上免费阅读，地址在这里，翻译版在这里。 《Mastering Bitcoin》中文译作《精通比特币》，本书详细介绍了比特币底层的实现逻辑，目前版本是第二版。但是随着比特币2017、2021两次的重大升级，添加了隔离见证、Taproot、Schnorr签名等重大改进，不论是逻辑上还是技术上都有着很大的学习难度，第二版是在2017升级之前刊印的，现在未免显得有点过时了。如果你想学习比特币的底层知识，可以在这里阅读到本书的中文版。 让人兴奋的是，2023年《Mastering Bitcoin》迎来了它的第三个版本，它由原作者 Andreas Antonopoulos 和另一位区块链爱好者 David Harding 联合编著，在第二版的基础上补全了这几年比特币的多个升级技术。可惜的是，本书目前还没有中文版本，但你可以直接在 github 上阅读英文版，地址在这里。 另外，为了便于阅读，我也fork了本书，编译并搭建了在线阅读网站，打开即可直接阅读，可以选择单页阅读整书也可以分章节阅读。 区块链技术的学习是一个枯燥和费力的过程，但历史的车轮总是向前推进的，技术在进步，坚持下来者方能迎接蜕变。 相关阅读： Bitcoin’s Taproot Upgrade: What You Should Know https://github.com/ajtowns/taproot-review

"上一篇" 介绍了MetaMask钱包的安装和使用，并成功获取到部分测试以太币(ETH)并向另外一个账户发起了一笔转账，这笔转账称之为"交易"，我们将在本篇来介绍它。 1. 以太坊的账户 首先，在学习交易之前，我们需要了解以太坊的账户体系。 以太坊的账户分为两种：外部账户和合约账户。 外部账户：外部账户一般由钱包创建，具有私钥，通过私钥控制和区块链网络和智能合约的访问； 合约账户：以太坊中智能合约部署后对应着一个合约账户，合约账户拥有智能合约代码，并受其逻辑控制。 简单而言，外部账户就是区块链的用户通过钱包创建的账户，而合约账户由合约代码编写者所有，对应着一个智能合约，由 EVM 执行。 合约账户和外部账户地址没有明显的区别，都是长度 20字节、160 位、转为十六进制(0x开头)后为 40 个字符的一个串，形如 0x829BD824B016326A401D083B33D092293333A830 两者的区别： 启动交易者（首先发起交易的一方）必须是拥有私钥的外部账户，也就是说只有用户可以启动交易；但是智能合约可以通过调用别的智能合约来对交易做出响应，比如，用户A通过智能合约A发起了一笔交易，虽然智能合约A调用智能合约B也可以发起了一笔交易，但是这整个过程中交易的启动者还是用户A的外部账户 外部账户和合约账户都可以发送和接收区块链货币（如以太币），但是交易目标如果是合约账户，则会使得合约账户拥有的智能合约代码在 EVM 中执行，外部账户则不会 合约账户没有私钥，智能合约编写者通过代码逻辑来保证安全性，外部账户拥有私钥，用户需要通过妥善的保管私钥来保证账户的安全性 2. 以太币单位 交易与货币息息相关，以太坊发行的货币为以太币(Ether, ETH，符号 Ξ)，其基本单位为 wei，ETH与wei的关系如下： 1 ETH = 10^18 wei 此外，还有比较常用的 gwei （gigawei）： 1 ETH = 10^9 gwei 1 gwei = 10^9 wei Table 1. 以太币的面额和单位 值(以wei为单位) 指数 通用名称 标准名称 1 1 wei wei 1,000 103 babbage kilowei or femtoether 1,000,000 106 lovelace megawei or picoether 1,000,000,000 109 shannon gigawei or nanoether 1,000,000,000,000 1012 szabo microether or micro 1,000,000,000,000,000 1015 finney milliether or milli 1,000,000,000,000,000,000 1018 ether ether 1,000,000,000,000,000,000,000 1021 grand kiloether 1,000,000,000,000,000,000,000,000 1024 megaether ...

区块链中，与用户直接相关的一个重要组件是钱包。用户通过钱包来访问链上的资金、查看账户地址、转账交易等操作。可以说，没有钱包，用户就不能正常访问链上资金，可见其重要程度。而诸多钱包中，MetaMask是一款可以直接在浏览器中使用的、实现了钱包标准 BIP-39 的钱包，也是大多数使用者选择的入门级钱包。 1. 区块链钱包简介 与普通的实物钱包不同，区块链钱包的核心目的是用来保存用户的公钥和私钥，从而保证访问区块链中账户资金的权限，即：证明钱是你的，而不是存储资金。 Figure 1. 区块链钱包(图片来源网络) 钱包的一个重要的误区是：钱包存储资金。其实，钱包并不会直接存储区块链上的资金。可以将其看做一个银行账户，当你需要取钱时，只需告诉银行要取多少钱，然后银行就可以检查账户的余额是否充足并进行取款，账户只是一个逻辑划分，钱始终是存在银行。同理，区块链钱包也只是在区块链上开了一个账户，钱始终在区块链网络中。 开通银行账户，我们必须设置交易密码，已验证你有访问账户的权限；同样的，区块链钱包中，私钥就相当于账户密码，每产生一笔交易时，都需要通过钱包的私钥来进行签名，已验证你拥有操作账户资金的权限。 但是，与银行账户不同，银行是中心化的资金机构，除了验证账户密码，还有其他手段比如身份证来验证取款人身份，忘记密码还可以重置。但在区去中心化的区块链中，私钥是你唯一的凭证，一旦私钥泄露，那么任何人都可以访问你的账户。 因此，钱包可以看成是一个私钥圈，保存了多组公钥私钥对。现在的钱包大多采用随机串生成助记词，再加密生成种子密钥，最后再以种子密钥为根生成密钥树的方式来生成密钥。这里仅说明钱包的概念，关于钱包的底层原理，后续在详细讨论。 Figure 2. 钱包中的密钥树(图片来源网络) 2. 什么是MetaMask MetaMask 是一款简单易用的区块链钱包，除了 App 版本的钱包，它还提供了基于浏览器的插件，包括 Chrome、Firefox等，而且它内置了 Web3，可以直接与以太坊区块链交互并开发 DApp 网页应用，这也是大多开发者选择它的原因。 3. 安装MetaMask 安装 MetaMask 很简单，以 Chrome 为例，直接从 Google 商店安装即可，前提是需要自带梯子。步骤如下： 1、进入google应用商店，直达地址在 这里，也可以自己搜索MetaMask，第一个小狐狸头像的就是 2、点击 "添加至Chrome"，然后弹出框点击"添加至扩展"即可，然后会下载 Chrome 插件，耐心等待 3、下载完成后，Chrome会自动安装，完成后会进入扩展插件地址 点击开始使用，进入钱包创建页面 4、创建钱包 如果您以前有钱包，并记得助记词，那么可以直接通过助记词导入钱包，没有则点击"创建钱包"按钮新建，下一步点击"我同意"，进入密码设置页面： 设置并牢记自己的密码，以后登录钱包是需要用到，然后点击"创建"按钮后，会出现一个介绍的视频页面，直接点击"下一步" 5、备份助记词 这一步很重要，助记词作为恢复秘钥的唯一手段，需要十分安全地做备份，一般建议手抄写在纸上并保存，其他电子存储方式均存在泄漏风险 什么是助记词？ 按照密钥生成策略分，钱包分为两类：非确定性钱包和确定性钱包，前者的每一个私有都是由不同的随机数生成的，私钥间没有任何关联，备份和恢复非常麻烦；而确定性钱包则是通过一个随机串作为种子密钥来生成各种私钥，只要备份种子密钥就可以恢复出所有的私钥。 但是，由于种子密钥长度长而且毫无规律，非常难以记录和输入，因此人们为这个种子密钥按照一定的算法来为其匹配单词表中的一组顺序固定、数量固定(与种子密钥长度有关)的单词，这样便于备份和恢复，这有点类似密码本，这些单词就成为助记词（mnemonic）。 因此，助记词可以看做种子密钥的别名，其安全性与之等同，必须安全保存。 ...

上一篇 简单介绍了什么是区块链，也介绍了以太坊的产生和基本概念，其中提到： 以太坊 是一个去中心化的、开源的、图灵完备的、有智能合约功能的区块链开放平台。作为开放平台和”世界超级计算机”，以太坊以智能合约为核心为去中心化应用(DApp)建设提供了整套解决方案。这一篇我们将详细介绍什么是以太坊。 1. 为什么要学习以太坊 以太坊是目前最大的区块链开发平台，也是“世界计算机”。以太坊是区块链开发工作的必经之路，原因如下： 以太坊是目前最大的区块链开发平台，拥有庞大的用户群和社区 以太坊发展早，技术相对成熟，资料、文档众多 以太坊生态体系完备，除了智能合约、DApp、DAO、DeFi，还提供了 ENS、Swarm等DApp构建所需技术体系 以太坊减缓了区块链陡峭的学习曲线，以应用入手，使得区块链的开发上手快速、简单 以太坊与 JavaScript 结合紧密，开发者学习难度小 总之，以太坊好比微信开放平台，DApp开发好比基于微信公众号、小程序的开发，我们不用太关注底层的东西，而是使用以太坊和微信已经提供好的功能来开发自己的DApp和微信公众号，只是以太坊是基于去中心化的区块链，而微信则是中心化应用。 2. 以太坊的诞生 上一篇 介绍了什么是区块链，其中提到， Vitalik Buterin (V神)在2013年发表了《以太坊：一个下一代智能合约和去中心化应用平台》，提出了以太坊的基本构想。 V神是比特币的狂热粉丝，他不断思考着如何扩展比特币和其智能合约协议 Mastercoin，并提出了一种可替代 Mastercoin 的专用合约语言的更灵活和脚本的智能合约机制，这只是一个他的初步构想，尽管比特币团队非常感兴趣，但是这种想法过于超前，而且与比特币的开发计划存在冲突，所以并没有得到支持。 V神 2013年12月，V神发表了 以太坊白皮书，勾勒出以太坊背后的思想：一个图灵完备的通用目的的区块链。以太坊白皮书发布后，不断有区块链爱好者向V神提交并反馈自己的想法，帮助其不断完善这个想法。其中，Gavin Wood（Mastering Ethereum的作者之一）在C++语言上对以太坊给与了极大地帮助，后来成为了以太坊的联合创始人和CTO，并编写了 以太坊黄皮书。 Gavin Wood 白皮书与黄皮书 白皮书由V神编写，旨在提出改进比特币背后区块链技术的一种构想，使其成为一种通用的、适用于多个方面而不仅仅是虚拟货币的区块链技术，这仅仅是一种理论，在以太坊的成长过程中得以逐步实现； 黄皮书是由以太坊CTO Gavin Wood 博士编写，旨在定义以太坊的技术规范，详细描述了以太坊背后的技术实现细节，其中包含了大量的数学公式，比如，黄皮书定义了产生每一笔交易包含的通用字段、如何验证交易，以太坊虚拟机规范（EVM）等等。黄皮书着重于以太坊技术规范的制定，包含大量数学公式，专业性很强，比较难懂，这里[1]有一个面向普通大众的浅黄版本。 Figure 1. 白皮书 vs 黄皮书 V神与Gavin Wood一起，不断完善以太坊的协议层和技术体系，逐步实现“可编程的、安全的、通用的区块链”这一目标。2015年7月30日，第一个以太坊区块被成功挖出，以太坊作为“世界计算机”正式运行并对外提供服务。 3. 以太坊发展的四大阶段 以太坊的发展并不是一帆风顺的，以太坊的发展整体上分为四个阶段 [2]，代号分别为：Frontier（边疆）、Homestead（家园）、Metropolis（都会） 和 Serenity（宁静），每一个阶段都以"硬分叉"的方式发布，因此新版本不能与老版本兼容。并且，每一个阶段都在不断完善其新功能和安全性，比如2016年以太坊遭受DAO攻击，而分叉了 "以太坊经典" 和 "以太坊" 这样的相互竞争、并行的以太坊版本。 阶段和硬分叉按照区块高度编号并标注日期，包括： Frontier: 区块高度为0，以太坊的初始阶段，持续时间为2015年7月30日至2016年3月。 Ice Age: 冰河期，区块高度为 200,000，引入指数难度增加的硬分叉，以便在准备就绪时将激励机制过度到Pos（权益证明）。 Homestead：家园，区块高度 1,150,000, 以太坊的第二阶段，发布于2016年3月。 DAO: 区块高度 1192000，以太坊遭受严重的攻击而不得不硬分叉，从而产生了 以太坊经典(Ethereum Classic, ETC) 和 以太坊(ETH) 两个相互竞争的系统 [3]。 Tangerine Whistle：橘子口哨，区块高度 2,463,000，改变某些IO密集操作的燃气计算方法和清除拒绝服务攻击（利用这些操作的低燃气成本）累积状态的硬分叉。 Spurious Dragon：伪龙，区块高度 2,675,000，2016 年 11 月 22 日发生的另一次计划外的硬分叉，包括四项提案，用以解决一些攻击问题： EIP 155: 简单重放攻击保护 EIP 160: 提升EXP操作码的费用 EIP 161: 状态树清理 (不变量保持替代) EIP 170: 调整智能合约的最大字节数限制 ...

区块链是这几年非常火热的一个话题，越来越多的人加入到”区块“大军之中。他们其中一些人，积极投入到挖矿、炒币行列之中，甚至发行自己的数字货币来创收，这部分人社称之为”币圈“；另一部分人，深入探究区块链底层技术，期望不断改进并将区块链技术运用到更多领域中，这部分人社称之为”链圈“。越来越多的人积极群涌入区块链，游弋于“币圈"和"链圈"之间，忙的不亦乐乎。 本文将简单介绍区块链的一些入门知识，并介绍区块链开发所需要具备的基础知识，希望对准备进入区块链的开发者们会有一些帮助。 1. 什么是区块链 区块链（Blockchain）源于 比特币，它其实是对比特币的底层技术的一种扩展和创新。2008年，一位网名“中本聪”的日本大佬发布了一篇名为 《比特币：一种点对点的电子现金系统 的论文（比特币 白皮书），文中总结了之前的数字货币发明，提出了一种完全去中心化的数字货币系统，即比特币。文中并没有提及“区块链”一词，而是使用了“区块”（Block）和“链”（Chain）来描述比特币底层技术，后来人们将区块、链合并在一起，正式提出“区块链”（Blockchian）这一概念。 区块链是一系列技术的组合，包括P2P动态组网、密码学、基于密码学的共享账本、共识机制、智能合约等。简单而言，区块链可以看做一个全球互联的超级账本，链中的每一台计算机通过P2P组网连接并保留了账本的副本，这样，链中的计算机都有一份账本。每一笔交易都需要记录到账本中，当一笔交易产生后，产生这笔交易的计算机将交易信息广播出去，其他链上的计算机就会收到交易信息，它们会进行一系列复杂计算，最终由率先计算完成的计算机将这笔交易信息记录到账本上。具体的计算机制其实是由不同的区块链设计好的，与该区块链的结构相关。比如按照比特币的设计，计算机需要将10分钟内的全部交易打包，再加上一个随机数，然后穷举随机数计算一个256位的哈希值，使得其符合一定的条件，这样就可以获得交易记账权，一旦计算完成并记账，该计算机要快速将计算的区块广播出去，由其他计算机来验证计算的正确性，防止他人篡改。 每产生一笔交易并不是立即就要被区块的各个节点记账，而是按设计要求被打包到一起，比特币设计为每10分钟将所有新交易打包（而以太坊时间更短，大约9秒左右），形成了一个区块（Block），然后将区块广播出去，区块链中的计算机都需要验证区块的正确性，并将其写入自己的账本中，完成记账。区块链则是由一个个相互连接的区块组成的，每一个区块都记录了上一个区块的 HASH 值，第一个区块没有上一个区块的 HASH 值，称之为”创世区块“。计算哈希值竞争记账权的计算机称为“矿工”，计算的过程称为”挖矿“，挖矿成功则获得交易记账权，记录打包好的交易信息并写入最新的区块，称为”出块“，最新出块的矿工可以获得一定的手续费收入。 区块链中的计算机都有账本，那么如果确定各个账本数据的一致性呢？区块链采用”共识机制“来保证大部分诚实计算机的账本一致性，这样就实现了完全去中心化。常用的共识机制有Pow（工作量证明机制，例如挖矿机制）、PoS（权益证明）、DPos（股权授权证明）和分布式一致性算法（如拜占庭容错算法、Paxos、Raft）。 与传统的中心化应用相比，区块链具有如下特点： 去中心化：区块链本质是基于P2P对等网络的分布式系统，链上的每一个节点都存有相同的数据，通过共识机制来决定交易数据的同步，不需要中心化服务器。但是目前，还不能做到完全的去中心化，某些场景还是具备中心化的特征。 高度开放：公有链上的区块链系统通常都是开源的，任何人都可以查询区块链上的数据，智能合约代码高度公开、透明，数据存储与链上所有节点中，不用担心中心化应用的资金安全等一系列问题。 高度可用：区块链应用由区块链上的每一个节点共同维护，任何一个或几个节点宕机不影响整个应用的可用性。 高度安全：区块链技术采用一系列加密措施（如非对称加密、哈希算法、椭圆曲线算法等）来对交易进行加密和签名，保证交易不能被伪造、篡改，然后借助分布式系统中各个节点的共识算法形成强大算力来抵御破坏者的攻击，从而保证链上数据的安全性。 匿名性：区块链上的用户信息都是匿名的，仅对外暴露钱包公钥和地址，就可以完成交易，完全不需要用户的真实身份信息。 2. 什么是以太坊 比特币作为一种虚拟数字货币，为金融领域开创了一种全新的去中心化货币系统。比特币的狂热粉们一直在探索，比特币技术能否使用到其他非金融领域呢？ 以太坊 的出现，为区块链技术迎来了崭新的时代。 2013年，比特币的忠实拥护者 Vitalik Buterin （人称V神）提出了一种构想：区块链不应该仅用于金融领域，而是应该开放出来形成一个开放平台，供人们开发更多的去中心化应用，为此他提出了以太坊，并发表了《以太坊：一个下一代智能合约和去中心化应用平台》，也就是后来的 《以太坊白皮书》。 以太坊 是一个去中心化的、开源的、图灵完备的、有智能合约功能的区块链开放平台。 首先，以太坊是一条发行有自己货币（ether，以太币）的区块链；其次，以太坊具备开发去中心化应用功能，它具有能够在以太坊虚拟机（EVM）上运行的 智能合约 功能，开发者可以编写智能合约来自主控制去中心化应用；第三，以太坊优化了PoW（工作量证明机制），并提供了PoS权益证明共识机制，大大加快了区块链交易确认速度（比特币确定一笔交易需要10分钟，而以太坊减少到9秒左右），为去中心化应用开发提供了必要条件。 总之，以太坊是一个区块链开放平台，通过它可以开发自己的区块链 去中心化（Decentralization）应用（Dapps）。 以太坊被称为"第二代的区块链平台"， 这个网站 用车站的例子动态、形象地展示了以太坊和比特币之间的一些差别，非常生动有趣。 3. 区块链中的一些基本概念 了解了区块链和以太坊，现在我们来看看区块链中的一些概念。 区块链：Blockchain，共享的分布式账本，交易附加到区块上存储并记录。 区块：Block，多个交易被打包为区块并存储，区块之间相互连接，形成一个链状结构，每一个区块都有一个哈希值加以区分，区块在链中的长度称为区块高度。 钱包：Wallet，存储用户虚拟货币的地方，对外暴露公共地址和公钥，内部包含有绝对私密的私钥信息。 以太坊：Ethereum，一个基于区块链的去中心化运行智能合约的平台，旨在解决与审查，欺诈和第三方干扰相关的问题。 主链：Mainnet，正式运行的区块链的主网络，一个区块链项目经过前期的技术开发后，最终都会发布到区块链主网上线，比如 以太坊主网。 侧链：Sidechains，侧链实质上不是特指某个区块链，而是指遵守侧链协议的所有区块链，该名词是相对于主链而言的。侧链协议是指可以让主币安全地从区块链主链转移到其他区块链，又可以从其他区块链安全地返回主链的一种协议。侧链与主链共存，并可以扩展主链的功能、提高交易速度等，比如ETM就是以太坊ETH的侧链。 测试链：Testnet，与主链功能相同的测试网络，以测试为目的搭建，可以免费从水龙头获得测试币在测试链上进行开发测试，如 币安测试链。 交易：由原始帐户签署的提交到以太坊区块链的数据，并以特定地址为目标。交易包含元数据，例如交易的燃气限额（Gas limit）。 区块链浏览器：查询区块链中数据的工具网站，可以详细查询区块链上的详细信息，如 以太坊浏览器、 币安链浏览器等等。 Dapp：去中心化应用，基于区块链技术开发的应用程序，数据存储于区块链中。 DAO：去中心化自治组织，一种将组织的管理和运营规则以智能合约的形式编码在区块链上，从而在没有集中控制或第三方干预的情况下自主运行的组织形式。DAO 有望成为应对不确定、多样、复杂环境的一种新型有效组织。 以太币：Ether，以太坊生态系统中使用的本地货币，在执行智能合约时承担gas费用，它的符号是 Ξ. 以太坊虚拟机：EVM，Ethereum Virtual Machine, 基于栈的、执行智能合约字节码的虚拟机。 智能合约：Smart Contract，在以太坊的虚拟机中执行的程序，有开发者编写以控制链上业务逻辑。 水龙头：Faucet，一个网站，用来向测试用户提供一定数量的测试币，供测试使用，测试币除了测试并没有真正的价值。 Solidity：过程式（命令式）编程语言，语法类似于 Javascript, C++ 或 Java，以太坊智能合约最流行和最常使用的语言。由以太坊架构师 Gavin Wood 发明。 图灵完备：Turing Complete，在计算理论中，如果数据操纵规则（如计算机的指令集，程序设计语言或细胞自动机）可用于模拟任何图灵机，则它被称为图灵完备或计算上通用的。这个概念是以英国数学家和计算机科学家阿兰图灵命名的。 ...