从几个典型币看区块链的发展（一）-以太坊

之前老王花了几个篇幅介绍过比特币的工作机制及部分关键代码，不清楚的读者可以点击以下链接。

距离上一次发文已过去大半年了，在这过去的半年多，币圈实实在在经历了一场大牛市到熊市，其中最重要的比特币从最高点19000美元跌至现在3000多美元，更别提其他币了。很多人感慨币圈一天，人间一年，由牛转熊只在转眼之间，让人感叹不已。

抛开币圈的暴富神话不说，老王更看重的是区块链的社会学意义，在老王心中，区块链可以说是人类最新一次的乌托邦社会实践，其对现有金融体系的冲击和对理想社会的思考更令人着迷。

本系列文章老王将分成3篇，为大家挑选几个很有意思的典型加密币，并对其底层的区块链结构做一介绍。内容如下：

一. Ethereum（简写ETH，中文以太坊）

以太坊于2015年7月正式启动，推出之后一直被称为区块链2.0（比特币1.0）目前市值约1300万USD，市值排名第二。

二. Bitshares/steemit/EOS

计划放到第二篇来介绍。之所以把这3个放一起，因为它们都是出自BM之手，底层链结构都是基于graphene（中文石墨烯）项目。Bitshares（中文比特股）于2014年上线，steemit于2016年启动，这两者市值目前均在排名50名，EOS于2017年启动，目前排名第5。

三. IOTA

计划在第三篇中介绍。IOTA号称提供了一种物联网的区块链解决方案，于2015年创建，目前市值排名第12。

声明：

本文是老王对加密币的个人理解，如有理解不正确之处，欢迎留言指正。也欢迎转发，转发请注明出处。

好了，正文开始。

在讲ETH之前，我们先来回忆下Bitcoin是如何运行的：

1.在用户交易驱动下，系统会产生很多Transactions（下文都简写tx）

2.选取一些tx打包成Block（中文称块，区块）

3.使用链表结构将这些Block串联成BlockChain（中文成区块链），后面一个块包含前一个块的身份ID

那ETH又是怎么做的呢？我们也按上述的1，2，3步骤来叙述。

第1步：ETH将交易类型从基本的转账扩展到了更多的交易类型，同时ETH对bitcoin用于检查tx合法性的script脚本扩展成智能合约（这是以太坊最大的亮点）。

在进一步介绍前，先简要说下智能合约。假设A和B打赌明天天气，如果是晴天A要给B 5美元，否则B给A 5美元。这就是一个简单的contract（中文合约），要完成这个合约，首先需要双方都拿出5美元由中间人保管，第二天中间人去查天气，晴天则给10美元给A，否则给B。该合约以计算机自动执行的方式便称之为智能合约。

拿ETH来说，首先要支持创建合约，于是ETH发明了图灵完备性（相比bitcoin的script主要也就是多了loop特性。Loop指的是一段程序代码可以循环执行）的新编程语言sodility，以及用于解释sodility语言的虚拟机EVM（Ethereum Virtual Machine）。同时还会需要合约市场的概念，因为A和B打赌使用的合约并不一定要是A或B创建。

创建合约后，接下来就需要在合适的时机触发该合约。于是ETH将用户帐户分离成user account（用户帐户）和contract account（合约账户），当A需要发起一个5美元的赌约（该触发动作便是一种新的tx类型），ETH会从A和B的账户各扣除5美元（实际稍多于5美元，因为还包括一些费用）存于各自的合约账户，第二天ETH会去公开的天气源（为了支持这点，因此需要公开的datasource feeding）查询天气结果并自动执行该合约，将赌注发给获胜方。

刚我们提到说ETH的合约是支持循环结构的图灵完备的，因此为了避免陷于死循环，ETH规定了每个动作的gas（中文燃料）消耗，以及每个合约的最高燃料限制。

目前智能合约的发展已远远超过最初的设想，它是目前区块链领域最重要的特征。

在介绍第二步创建Block前，我们再来简要看下tx会有哪些数据

Tx={

Type m_type = NullTransaction;

u256 m_nonce;

u256 m_value;

Address m_receiveAddress;

u256 m_gasPrice;

u256 m_gas;

bytes m_data;

boost::optional m_vrs;

int m_chainId = -4;

mutable h256 m_hashWith;

mutable Address m_sender;

}

上述字段中，m_data字段就是ETH新增的字段，很多新特性数据都存在这里。

Tx组装完成后，我们便来到了第2步创建Block，打包出块。在generate block（中文叫出块）这一步最关键的问题就是该由谁来出块。

比特币使用了PoW算法，通过算力证明和一定的运气来决定由谁出块。比特币使用的PoW算法由于所消耗的能源过多，挖矿已变成拼算力的游戏，广为人诟病。ETH目前也是使用了PoW算法（据说要切换到PoS算法），但是对PoW算法也做了一些优化，比如增加了memory hard机制（简单的说，计算机计算速度非常快，但是计算所需的数据在内存传输速度较慢，计算机不得不等传输完成后再计算），使得即使CPU/GPU计算的算力足够快，也会因为内存传输速度的限制不得不慢下来，一定程度的延缓了算力的集中。

在介绍第3步前，我先介绍下PoS（Proof of Stake）算法。

对于PoW（Proof of Work）来说，它就像解一个数学题，谁先解出一个解就由谁来完成本轮的出块。

而在POS模式下，有一个名词叫币龄，其等于 持有币×持有时间，比如你持有100个币，总共持有了30天，那么，此时你的币龄就为3000。

PoS算法大致如下：

f(…)

f是一个函数，通常都是hash函数，bnCoinDayWeight即币龄，bnTarget目标值，则用于衡量PoS挖矿难度。bnTarget×bnCoinDayWeight的值越大，则挖矿难度越小；反之亦然。

与PoW相比，上述公式在"

出块规则确定后，接下来就是第3步：定义链的规则。因为同时产生的块可能有很多，哪些块该有效，哪些块该被丢弃，比特币使用的是最长链机制，选择当前最长的那个链作为主链。最长链机制简单而有效，但是也限制了出块速度，白白浪费了大量工作（那些未被纳入最长链的块将被丢弃，其投入的那些算力也随之作废），ETH则使用了新的协议---GHOST（Greedy Heaviest Observed Subtree）协议。

GHOST协议选取主链的原则是选取包含的有效区块最多的子树，下面我们以一个图来演示。

图1 GHOST协议说明

假设当前的链结构如图1所示（attacker's secret chain当前也已并入主链），对于节点来说，目前有两个子链1A和1B，其中1A包含1A，2A等6个区块（一般固定N子代，在以太坊中N=7），而1B则包含1B，2B，2C，…，5B等12个区块，根据GHOST协议选取包括区块最多的子链，故选择1B作为下一个区块，丢弃1A。同理选择1B后，面临2B，2C，2D三个子链，其中2B有两个区块，2C有5个，2D有4个，故GHOST协议会选择2C作为下一个区块，于是最终GHOST协议生成的主链就是0->1B->2C->3D->4B，而根据最长链规则则会是0->1A->2A->3A->4A->5A->6A。

在GHOST协议中，新引入uncle block（中文叔块，如2B是3D的叔块）的概念，每个区块可选取0-2个叔块，如果叔块被选中，也将会得到一定的奖励。具体奖励规则如下：

1）主链节点获得基本奖励，如3个ETH。

2）主链节点的兄弟（非主链）节点获得((叔块高度+8-当前块的高度)/8 )*基本奖励

假设3D是新产生的区块，对于其叔块2B而言，高度相差1，所以它的奖励是（-1+8）/8 *基本奖励，即7/8*基本奖励。对于2D也是可以获得7/8*基本奖励。而如果是1A能获得奖励，则它获得6/8*基本奖励。同时，一个当前区块只能包含两个叔块链接，此图中可能是2B和2D；如果没有2D，3D的两个叔块可能是2B和1A。

GHOST协议更大程度的利用了现有的算力，减少了算力的浪费，但是没有从根本上解决问题。

介绍完以太坊的主链规则，本篇就基本结束了。我们简要回忆下：

1.以太坊扩展了比特币中的tx结构，新增智能合约特性。

2.出块算法增加了memory hard机制，并计划引入新的PoS算法。

3.链化这一步，引入了新的GHOST协议算法。

毫不夸张地说，以太坊新引入的智能合约功能使得dapp（decentralized app，中文叫 分布式app）成为可能，也让以太坊初步具备了区块链领域的操作系统（类似Windows/Linux）的可能性，之前大热的加密猫就是用智能合约实现的一个dapp。从这一点来说，以太坊被称为区块链2.0，一点也不为过。

虽然相比于比特币，以太坊有了很大的提高，但是目前尚存以下几个问题：

1）处理性能有待提升。目前以太坊大约25笔交易/秒，而比特币大约7笔/秒。

2）与比特币一样，尽管有memory hard机制，挖矿算力还是不可避免地集中在几大矿池。

3）交易代价昂贵。

下篇预告

好了，本篇就介绍到这里，下一篇我们将继续介绍BM大神的三个作品：Bitshares/Steemit/EOS。