Ethereum

以太坊历史

官方文档

以太坊由俄裔加拿大程序员Vitalik Buterin（维塔利克·布特林，俗称V神，94年）与 Gavin Wood（英国人，计算机科学家，80年） 等人联合发起

V神写了以太坊的白皮书

Gavin Wood 写了以太坊的黄皮书（中文版），是以太坊基金的第一位CTO，提出并参与开发了EVM的编程语言Solidity，2016年离开以太坊基金，后来还开发了用Rust编写的以太坊客户端Parity，后又联合创办了另一个底层公链Polkadot，并为其写了白皮书。

以太坊的编程语言与Bitcoin的Script不同，使用了图灵完备的Solidity，称之为智能合约，引发了公链生态，虽然他自己一开始也并没有想到

智能合约的概念是由Nick Szabo（尼克·萨博）于1997年提出的

节点

以太坊是一个由分布式节点构成的去中心化计算机网络，节点实时分布图

节点分类

• Full node(全节点)：存储完整的区块链数据，通常用于挖矿
• Light node(轻节点)：只存储区块头，目前以太坊还不支持大量的轻节点，对应的客户端也几乎没有
• Archive node(存档节点)：通常用于区块链浏览器和钱包服务等
• Simulated node(模拟节点)：用于本地开发测试

客户端是节点的一种实现，以太坊升级前(Eth1.0)只需要运行一个执行客户端(execution clients)，其中Go语言编写的Geth是最早也是使用最多的客户端

升级后(Eth2.0)需要再运行一个共识客户端(consensus clients)

升级后交互示意图

区块

• https://ethos.dev/beacon-chain
• https://stonecoldpat.substack.com/p/how-proof-of-stake-ethereum-works

The Beacon Chain Ethereum 2.0 采用了 PoS(Proof of Stake) 权益证明共识机制，向存储合约质押(Staking) 32 个 $ETH 成为 Validators(验证节点，验证者)

Validators 参与出块获得奖励或惩罚(Staking Rewards and Penalties)会影响质押的$ETH数量变化，当小于 16 $ETH 时将会被取消资格

Lido 是基于 Ethereum 2.0 Beacon Chain 上建造的Dapp，用户不需要锁定ETH，也不需要达到32ETH的这一巨额门槛即可参与质押挖矿，并且用户将ETH质押到 Lido 合约中会获得等量的 $stETH，可用于交易、Swap、借贷等DeFi

比特币主要用于支付，需要更多的安全确认，所以限制平均10min出一个块，而以太坊则是执行智能合约为主，支付功能并不是以太坊的主要功能，所以在以太坊中，平均每12秒出一个块

12s 称为一个时间间隙(time slot)，32 个 slot 称作一个纪元(epoch)

• 1 slot = 12 s
• 1 epoch = 32 slot = 384 s (6 min 24 s)

每个 epoch 会有 32 个 Validators 参与权益证明(PoS)协议，这些节点组成一个验证者委员会，出于安全目的，Validators 在每个 epoch 开始时通过混洗协议(swap-or-not)被重新随机分配到委员会中，委员会中还有一个额外的角色叫做聚合者（自愿）

每个 slot 会产生一个新的区块

• 前4s：通过伪随机协议(RANDAO)分配一个验证者(Validators)作为区块提议者(Proposer)向委员会提议一个区块
• 中4s：其它委员会节点作为见证者(Attester)检查区块并进行FFG投票
• 后4s：FFG投票由聚合者节点聚合，进行LMD GHOST投票，广播给下一个 slot 的 Proposer

如果轮到某个 Validators 提议区块时但刚好不在线，则 slot 可能为空

虽然每个节点在一个 epoch 只能投一票，但不同节点质押的$ETH余额不同，所以投票的权重不同，若有冲突区块会导致链分叉，则累积质押$ETH最多的链被称之为规范链(canonical chain)

区块状态

https://info.etherscan.com/epoch-in-ethereum/

• Unfinalized 尚未被 Validators 构建和验证的区块，可能会被重组
• Unfinalized(Safe) 已被2/3的 Validators 验证的区块，重组可能性较小
• Finalized 已由 Validators 完全验证的区块，不太可能被重组

区块内容

https://ethereum.org/zh/developers/docs/blocks/

slot：区块所属的时隙
proposer_index：提出区块的 Validators 的 ID
parent_root：前一个区块的哈希
state_root：状态对象的根哈希
body：包含一些字段的对象，定义如下
    randao_reveal：用于选择下一个区块提议者的值
    eth1_data：有关存款合约的信息
    graffiti：用于标记区块的任意数据
    proposer_slashings：将要受到惩罚的验证者的列表
    attester_slashings：将要受到惩罚的验证者的列表
    attestations：支持当前区块的认证列表
        aggregation_bits：参与此认证的验证者列表
        signature：所有证明验证者的聚合签名
        data：具有多个子字段的容器
            slot：认证涉及的时隙
            index：证明验证者的索引
            beacon_block_root：包含此对象的信标链区块的根哈希
            source：上一个合理的检查点
            target：最新的时段边界区块
    deposits：存入存款合约中的新存款的列表
    voluntary_exits：将要退出网络的验证者的列表
    sync_aggregate：用于服务轻客户端的验证者子集
    execution_payload：由执行客户端传送的交易
        parent_hash：父块的哈希
        fee_recipient：接收交易费的帐户地址
        state_root：应用此区块中的变化后全局状态的根哈希
        receipts_root：交易收据树的哈希
        logs_bloom：包含事件日志的数据结构
        prev_randao：随机选择验证者时使用的值
        block_number：当前区块的编号
        gas_limit：此区块允许使用的最大燃料量
        gas_used：此区块实际使用的燃料量
        timestamp：出块时间
        extra_data：作为原始字节的任意附加数据
        base_fee_per_gas：基础费的值
        block_hash：执行区块的哈希
        transactions：要执行交易的列表

区块奖励

区块奖励通常包含：Static Block Reward + Priority Fees

old: 每210,000个区块 Static Block Reward 减半一次，最初为 5 $ETH
new: eth2.0 staking rewards

除了基本的奖励之外，Validators 能够从他们生产的区块内重新排序交易中获得额外的收益，这部分收益称之为 MEV(Maximal Extractable Value)

https://info.etherscan.com/exploring-the-world-of-mev/

单位

计算机处理浮点数通常会有误差，所以一般涉及到金钱相关的会缩小单位，比如1角应该存储为10分，而不是0.1元

以太坊中常用单位：1 Ether = 10^9 Gwei = 10^18 wei

在线单位换算工具
https://etherscan.io/unitconverter
https://eth-converter.com/

• wei 是以太坊中的最小单位（以b-money的发明者 Wei Dai 命名），常用于开发中
• Gwei 主要用于表示 Gas Fees

交易

https://info.etherscan.com/understanding-an-ethereum-transaction/

交易一般可分为

• 正常交易：充值、提现、转账等等
• 内部交易：合约间调用
• 代币转移：ERC20 或 ERC721 等 Token Txns

Gas Fees

• EIP-1559 (video)
• Gas 构成

所有会改变智能合约状态的操作都会消耗 Gas，一笔交易可能包含各种操作，不同操作消耗不同，所以不同种类的交易消耗的 Gas 也不同，Gas 的基本单位为 Gwei

在 EIP-1599 之前，即传统方式(Legacy)，Gas Fees = Fees * Gas Limit，其中 Fees 的多少取决于用户愿意支付多少，但矿工会选择多的优先打包，因此产生竞价，波动较大，且难以预估

EIP-1599之后，即 2021.8 伦敦升级后的新方式，将 Fees 改为 Base Fee + Priority Fee

其中 Priority Fee 是给矿工的小费，可以设置一个最大值，矿工会优先打包小费高的

而 Base Fee 是由当前网络拥堵程度动态决定的，一个区块的最大容量为 25M 个 Gas，如果当前区块容量大于50%，即大于12.5M，则下一个区块的 Base Fee 价格上调 12.5%，反之下调

Base Fee 最终会被燃烧掉(Burnt)，在交易中需要设置 Max Fee，剩余的(Savings Fees)会退还回来：Max Fee - Max Priority Fee - Base Fee

之所以叫 Savings Fees 大概是因为传统方式时的 Fees 用于合约操作剩下的都会被当作矿工小费，不会退还

Gas Limit 用于限制 Gas 的最高消耗量，最低为 21000

Transaction_Fee = Gas_Price * Usage_by_Txn
Gas_Price ≤ Base + Max_Priority
Burnt = Base * Usage_by_Txn

Gas Price 预估

• https://etherscan.io/gastracker
• https://www.oklink.com/cn/eth/gas-price/price