Ethereum

以太坊历史

官方文档

以太坊由 Vitalik Buterin 与 Gavin Wood 等人联合发起

维塔利克·布特林，俗称 V 神，94年，俄裔加拿大程序员，写了以太坊的白皮书

Gavin Wood，英国人，80年，计算机科学家，以太坊基金的第一位 CTO，写了以太坊的黄皮书（中文版），提出并参与开发了 EVM 的编程语言 Solidity，还开发过用以太坊的 Rust 版客户端 Parity，2016 年离开以太坊基金会，后联合其他人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

智能合约的概念最初是由 Nick Szabo（尼克·萨博）于 1997 年提出的，V 神后来觉得不应该用这个名字

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，Ethereum 1.0 只需要运行一个执行客户端，其中 Go 语言编写的 Geth 是最早也是使用最多的客户端

Ethereum 2.0 需要再运行一个共识客户端

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

Ethereum 2.0(The Beacon Chain) 采用了权益证明共识机制（PoS, Proof of Stake），向存储合约质押（Staking）32 个 ETH 成为 验证节点（Validators，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 时将会被取消验证者资格

Lido 是基于 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，支付功能并不是主要功能，所以平均每 12 秒出一个块

• 12s 称为一个时间间隙（time slot），即 \(1slot = 12s\)
• 32 个 slot 称作一个纪元（epoch）即 \(1epoch = 32slot = 384s\) (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: ETH 2.0 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：\(1 Ether = 10^9 Gwei = 10^{18} wei\)

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

在线单位换算工具

• https://etherscan.io/unitconverter
• https://eth-converter.com/

Transaction Fee

• 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，Gas 的基本单位为 Gwei

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 Gas Used 也不同

交易时需要设置一个 Gas Limit，用于限制 Gas 的最高消耗量，最低为 21000

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

单价：Gas_Price ≤ Base + Max_Priority
总价：Transaction_Fee = Gas_Price * Usage_by_Txn
Burnt = Base * Usage_by_Txn

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

Base Fee 最终会被燃烧掉(Burnt)，大小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

Gas Tracker

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

在交易时需要设置一个 Max Fee，剩余的会退还回来：Savings Fees = 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

• ETH 转账

• ERC20-USDT 转账

Gas 优化

• 尽量使用常量或不变量
• 尽量不要存储在内存中
• 初始化之后不允许改变
• 用 if (...) revert xxerror(); 替代 require(); 语句

// require(msg.sender == i_owner, "Sender is not owner");

// 比如在合约外自定义错误：error NotOwner(); 然后
if (msg.sender != i_owner) revert NotOwner();

普通账户模型

账户模型，即记账模式，以太坊采用常见的普通账户模型，也叫账户余额模型（Account-Balance），相对更自由

参考：https://time.geekbang.org/column/article/6511

账户拥有4个参数：{nonce, balance, codeHash, StorageRoot}