以太坊原理书¶

原文地址：https://ethbook.abyteahead.com/

以下为笔者个人认为的重点总结

第 1 章以太坊：一台全球计算机¶

简史¶

以太坊是什么？

以太坊（Ethereum），是一个全球协作的开源区块链项目。

该项目流通的加密货币称为以太币 (Ether)，是全球仅次于比特币的第二大流通加密货币。
特色：具有一个运行时环境：以太坊虚拟机 (Ethereum Virtual Machine,简称 EVM)，为大规模分布式开放应用提供了运行的平台。
目标： 全球化的计算基础设施，也就是具有分布式、公开透明、永不下线特性的全球计算机 。
在这台分布式计算机上运行的小程序，被称为 智能合约 (Smart Contract)。
以太坊项被誉为区块链 2.0 时代的里程碑（比特币为区块链1.0时代）

第 2 章账户是什么¶

基础知识¶

以太坊分布式地运行在一个计算机网络上，作为一个区块链项目，它具有几大要素：

一条完整记录所有交易的区块链
一个由数个节点组成的网络
一个大家公认的共识机制

它也具备两个特殊的要素：

每个节点具备运行智能合约的环境，
以及由交易推动的，随着每次交易不断变化的世界状态。

我的以太币记录在哪里？¶

你的以太币记载在 世界状态 （world state）里。

世界状态 = 每个人账户的状态的总集合

世界状态是一份不断变化的数据。它在每个以太坊节点中都有一份一模一样的拷贝。该状态记录了所有世界上以太坊账户的信息。

我的以太币余额如何变化？¶

你的以太币余额因为交易而变化。

促成 世界状态 (world state) 转移的手段过程是交易

什么是区块？¶

区块(block) 是多个合法签名的 交易的有序集合 。

任何一个区块都包含几部分：

其前一区块的哈希值
当前区块的哈希值
一个计算工作量的参数
一个时间戳
该区块包含的交易列表的哈希值

在区块模型中，交易列表会用一棵树型结构来表示，并将该树的哈希值写入区块头进行防伪校验。

区块是串联成区块链的，一个区块包含了数笔交易。

区块和状态的关系¶

世界状态因为发生的交易而依序进行状态转移，而交易产生的前提是基于某一个时刻的世界状态。

“巨大的账本”¶

前文提到，区块是“多个合法签名交易的有序集合”。这就好比是账本中的一页记录。

创世区块是账本的第一页。

随着时间的推移，区块链不断记账，经过共识算法挑选的合法区块逐一堆叠而成的区块链是一个巨大的交易账本，而最早的创世区块交易记录被压在 最下方 。

如下图所示，从这个观点来看，区块所组成的链，就是一个 账本的堆栈 。每一页都记载着数条交易记录。最古老的记录处在账本的最下方，若想推翻压在下方的某一区块记录，就得重新计算该区块之后的所有区块。这么大的计算量对攻击者而言，是不经济的。

我如何参与以太坊？¶

你可以通过一台计算机来联网参与以太坊网络。

我如何与其他人同步账本？¶

以太坊节点之间的消息传递是将大块数据分割成小块后，用 点对点(P2P) 的技术传送、扩散的。

没有一个中央服务器负责数据校准或者消息扩散引导，这与分布式下载工具 比特彗星(BitComet) 有相似之处。网络交易的发送、智能合约的调用、被挖掘出的新区块的播报，都是通过点对点网络进行广播的。当发送交易时，用户将交易通过节点广播出去，在矿工成功打包出块后将区块广播到网络里。

所以你的本地账本是通过 P2P 网络分块下载的。就和BT下载差不多。

你发出的交易也是通过同一个 P2P 网络扩散出去的。

你的交易被打包后，最后也是通过P2P网络传消息回来，告诉你的。

在整个自治网络中，没有中央服务器，节点可以随时* 选择自愿加入或者离开节点网络。

账户揭秘¶

在以太坊创建一个账户，就如同在银行开户一样。

账户是安全地进行以太坊交易的基础。与在银行开户不同的是，以太坊的账户可以离线生成而不需要得到任何工作人员的许可，并且这些账户是 完全匿名 的。适用于生成账户的开源工具有很多，如网页工具、桌面软件、手机APP等。它们遵循同一套账户生成标准。一个用户也可以同时生成、保存、持有多个账户。

账户与账户状态¶

以太坊的账户共分成两类

外部账户 (Externally Owned Account, EOA )
智能合约 (Contract Account, CA )。

外部账户由 一把私钥 与该私钥对应的公开地址来表示。在一般情况下，私钥掌握在用户的手中。

智能合约账户 没有私钥 ，仅有公开的地址，它的行为由合约自身包含的代码逻辑来控制。

账户的状态(Acccount State)描述了一个账户当前的情况。以太坊公链时时刻刻跟踪并维护着每一个账户的状态。一个账户在初次接收或者发出交易后，都会形成初始状态。随着时间的推移，每次针对该账户的交易将不断修改其状态。

总结而言，每一个账户在数据结构上具有两个元素：一个公开地址，一个与该地址关联的状态，如下图所示。

账户状态的内涵¶

账户状态包含四大元素：

nonce 已执行交易总数，用来标示该账户发出的交易数量；
balance 持币数量，记录用户的以太币余额；
storage hash 存储区的哈希值，指向智能合约账户的存储数据区；
code hash 代码区的哈希值，指向智能合约账户存储的智能合约代码。

已执行交易总数：每多一次交易就加一

持币数量：可花费的以太币的数量

存储区的哈希值：该值为 智能合约独有 ，外部账户不包含该值。存储区即为智能合约在运行中，产生的数据的存储地。

代码区的哈希值：该值为 智能合约独有，外部账户不包含该值。代码区即为智能合约代码本身。该值即为代码区的哈希值。在合约的生命周期中，该区域的内容是不可更改的 只读状态。

没有钱包App, 如何生成账户？¶

普通用户最频繁使用的账户主要是外部账户(Externally Owned Account, EOA)。这个账户可以用来发送/接受以太币，也可以发起部署智能合约的行为。以太坊的外部账户仅由私钥(private key)与它所相对应的公开地址(address)组成。

第一步，我如何生成私钥

私钥是一个32 bytes (256 bits) 长度的随机数。用户需要一个可靠的随机源来产生该随机数，该随机数取值在0~2^256 之间。

第二步，公开地址是如何从私钥派生的呢？

这分为几个步骤：首先，我们选算法，代入私钥作为参数进行运算，得出的结果为公钥。

这个过程是不可逆的，并且是唯一与私钥对应的。其次，在生成公钥后，再将其进一步放入一个哈希算法生成哈希值，截取哈希值的最后40位16进制字符得到地址(160 bits或20 bytes)。

我生成的账户安全吗？

和一般的网站申请账户不同， 加密货币的账户仅需要可靠的软件在离线状态下生成 ，而不需要去特殊网站进行注册。如何保证每次生成的私钥不是已经被他人生成过的

在现实中，两个私钥碰撞的概率有多大呢？

我们已知：私钥地址空间有 2 256，而宇宙中的已知原子总数有 10 80, 两者比较谁大谁小？我们做一个除法。

2256÷1080=1.1579209e+69=10692256÷1080=1.1579209e+69=1069

从上述算式可以看出，私钥空间比我们宇宙空间的原子总数的倍数还要多。

你生成的账户，是安全的。

能合约地址的生成¶

智能合约也有账户，它是如何生成的呢？

与外部账户不同，智能合约账户的地址创建并非由外部促成，而是在创建合约时候由代码自动生成的。智能合约账户有公开的地址，却没有对应的私钥，这意味着：

合约转出以太币，并非通过私钥签名方式。
只有合约自身的逻辑代码能够管理它的以太币，除极少数例外（例如合约创建者销毁合约，合约收到的以太币将默认打给该创建者）。

第 3 章交易是驱动力¶

交易的发送¶

交易由客户通过客户端软件发送。

下图为客户端软件通过 web3 与向网络发送交易的示意图。

交易分为简单的转账交易与智能合约调用，收到交易请求的节点进行相应的余额变更或者执行合约代码，在这个过程中是要消耗计算机算力、内存与占用硬盘存储空间的。

相应地，该交易发起者也需要支付交易费来承担该计算行为，交易是用以太币支付的。

用户与以太坊互动的行为只有一种：发送交易。以太坊上的交易活动是由三个步骤完成的：

用户签名打包一条或多条消息，组装成一笔交易，发送到以太坊网络上。
该交易被矿工捕获，并收纳入某一个区块。
区块形成后，被矿工广播到节点网络中，最终加入区块链。

交易与消息的区别¶

在以太坊中，经常混淆的两个概念是交易transaction与消息message。

交易是外部账户发起的，可以包含一条消息。

消息在账户与账户之间传递数据(data)与价值(value)，消息的具体表现形式如下：

数据：一个账户向另一个账户请求函数调用。
价值：一个账户向另一个账户发送以太币。

消息的确可以由外部账户通过请求一次交易来触发。但是，被作用的对象如果是一个智能合约的话， 它还可以进一步调用其他的合约 （进一步发送消息）；

举例说明：某用户调用了智能合约A的一个方法。可能会依序发生如下的效果：

A合约代码被运行，该方法中调用了另一个智能合约B的一个方法。（函数调用）

B合约代码被运行。运行中要给账户C 转账以太币。（价值转移）

以上的函数调用和价值转移这类消息并不是外部可见的，不记录在区块里。

交易的特性是什么？¶

“原子性”

修改操作要么完全执行，要么完全不执行，它不会部分执行，部分不执行。

“串行” 执行

单一时刻只有一个交易被执行，不会有并行出现。

“进入区块链的顺序不确定”

当全球的数万名用户向区块链中的节点发送交易时，交易最终进入区块链的顺序并不取决于发送的前后顺序

交易的样子¶

{
  nonce: web3.toHex(10),
  GasPrice: web3.toHex(100000000000),
  Gas: web3.toHex(140000),
  from: '0x633296baebc20f33ac2e1c1b105d7cd1f6a0718b',
  to: '0xD1E1cdbCE15f1009B5A7874053E09C728Df91d47',
  value: web3.toHex(0),
  data: '0xcc9ab24952616d6100000000000000000000000000000000000000000000000000000000'
}

nonce 该账户已发送交易数量，一个正整数。
GasPrice 和 Gas 与现实生活中的汽油费类似，用以支付交易费。交易费 = Gas x GasPrice
From 该笔交易的发送方。
To 该笔交易的接收方。
value 具体转移多少以太币到接收方。
data 数据字段。

交易的生命周期¶

交易的生命周期从用户通过某节点/软件广播该交易为起点，经过网络扩散、矿工挖矿记账、被共识算法选入最终区块链条，到达终点。

从最源头开始，一笔交易的流转过程如下所示。

客户端软件在收集完交易信息，组织成相应的结构体，需要使用用户的私钥来签名该交易。

交易后编码为一个公开消息，通过节点网络发出并逐渐扩散到网络中各个节点。

挖矿节点和众多其他普通节点同时收到该消息，矿工将其暂时缓存起来。

若矿工决定将该交易打包入某区块，则执行该消息内容并获得执行结果。

矿工把打包好的区块（包含该交易）广播到网络中，参与共识算法挑选。

区块进入最终的区块链被永久保存。

以太坊上最常见的交易是：

以太币转账

智能合约调用

智能合约创建

这三种交易在交易发送时经历的步骤是一模一样的，区别仅在于填写交易时选择传递数据 data 还是传递价值 value 。

资料篇：共识与工作量证明（待完善¶

资料篇：矿工与挖矿奖励（待完善¶

第 4 章数据结构（待完善）¶

以太坊大量使用名为 Merkle Patricia Trie （MPT树）的高效结构对数据进行组织、索引。此外，对于树的节点，使用一种高效的键值对数据库 LevelDB 进行本地持久化保存。

Radix树¶

{
  "do": 0,
  "dog": 1,
  "dax": 2,
  "dogu": 3,
  "dodo": 4,
  "house": 5,
  "houses": 6
}

如何高效地搜索一个字符串在数据集中所对应的最终值？我们可以构建一棵树来表示该数据集。Radix树 (Radix Trie)是利用树状结构对于搜索进行优化的树。

将这个数据集的键(例如 dog)和值(例如 0)按照 Radix 树状结构组织起来，就是图 4-2 所示的结构，值存储于节点中，键的存储拆分开存在树的路径中。当查找 dodo 的值时候，仅需要从根节点开始，向下遍历三层，依次找到 d-o-d-o 四个字母即可，它对应的值是 4 。这棵树中间键无对应值的节点的存储空间里是 null 。

Merkle树和 Merkle证明¶

Merkle Patricia树¶

第 5 章构建一条以太坊私链¶

由于版本升级，原文这的创世块创建和运行命令过时，不适合作为教材。

以太坊原理书¶

第 1 章以太坊：一台全球计算机¶

简史¶

第 2 章账户是什么¶

基础知识¶

我的以太币记录在哪里？¶

我的以太币余额如何变化？¶

什么是区块？¶

区块和状态的关系¶

“巨大的账本”¶

我如何参与以太坊？¶

我如何与其他人同步账本？¶

账户揭秘¶

账户与账户状态¶

账户状态的内涵¶

没有钱包App, 如何生成账户？¶

能合约地址的生成¶

第 3 章交易是驱动力¶

交易的发送¶

交易与消息的区别¶

交易的特性是什么？¶

交易的样子¶

交易的生命周期¶

资料篇：共识与工作量证明（待完善¶

资料篇：矿工与挖矿奖励（待完善¶

第 4 章数据结构（待完善）¶

Radix树¶

Merkle树和 Merkle证明¶

Merkle Patricia树¶

第 5 章构建一条以太坊私链¶

第 6 章手把手教你部署智能合约¶

什么是智能合约？¶

第 7 章以太坊虚拟机探秘（待补充¶

第 8 章 Solidity语法练习¶

第 9 章 Truffle合约开发实战¶

以太坊原理书¶

第 1 章 以太坊：一台全球计算机¶

简史¶

第 2 章 账户是什么¶

基础知识¶

我的以太币记录在哪里？¶

我的以太币余额如何变化？¶

什么是区块？¶

区块和状态的关系¶

“巨大的账本”¶

我如何参与以太坊？¶

我如何与其他人同步账本？¶

账户揭秘¶

账户与账户状态¶

账户状态的内涵¶

没有钱包App, 如何生成账户？¶

能合约地址的生成¶

第 3 章 交易是驱动力¶

交易的发送¶

交易与消息的区别¶

交易的特性是什么？¶

交易的样子¶

交易的生命周期¶

资料篇：共识与工作量证明（待完善¶

资料篇：矿工与挖矿奖励（待完善¶

第 4 章 数据结构（待完善）¶

Radix树¶

Merkle树和 Merkle证明¶

Merkle Patricia树¶

第 5 章 构建一条以太坊私链¶

第 6 章 手把手教你部署智能合约¶

什么是智能合约？¶

第 7 章 以太坊虚拟机探秘（待补充¶

第 8 章 Solidity语法练习¶

第 9 章 Truffle合约开发实战¶

第 1 章以太坊：一台全球计算机¶

第 2 章账户是什么¶

第 3 章交易是驱动力¶

第 4 章数据结构（待完善）¶

第 5 章构建一条以太坊私链¶

第 6 章手把手教你部署智能合约¶

第 7 章以太坊虚拟机探秘（待补充¶