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@stonegao
Forked from cryptowen/dive_into_ethereum.md
Created June 15, 2021 03:18
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Dive Into Ethereum

深入理解以太坊

-w1544

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
  • 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。

-w1236

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。

-w681

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

-w1056

  • 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

block

-w574

-w1211

MPT

参考

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。

-w1155

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
    • 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

参考

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