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　　在过去的几个月里,人们倾注了大量的兴趣去探讨如何把类比特币块链-一种能够让整个世界就一个公共拥有的数据库的内容达成一致的机制-应用于货币以外的领域。通常被讨论的例子包括“彩色币”-一种用块链上的数字资产来表示定制货币和金融工具的思想,“智能资产”-象汽车这样的能够通过追踪块链上的彩色币来确定当前合法拥有者的物理实体,此外还有诸如去中心化交易所,金融衍生品,对等投注和基于块链的身份和信誉系统之类的更高级的应用。可能所有这一切之中最具雄心的概念是自治代理或者去中心化自治机构-资源和资金被密码学块链上的自我强制的智能合约以自治方式管理,从而避开了对于法律合约和组织规章的依赖,并且没有任何中央控制的在块链上运行的自治实体。

　　然而,这些应用中的大部分都是难以实施的,原因很简单,因为比特币的脚本系统,以及诸如基于比特币的彩色币和所谓“元币”,metacoins,等下一代加密货币在允许DACs所需要的任意复杂的计算这一点上都非常受限。本项目旨在提取上述协议中的创新并将其通用化-创造一个功能完善的,图灵完备的,但是可深度自由调整的,加密账簿,它允许参与者编写任意复杂的完全存在于并且被块链传递的合约,自治代理和关系。用户可以把以太坊当成一种“金融积木”来用,而不是受限于某一特定的交易类型集合。-这就是说,一个人能够简单地通过协议内置的脚本语言编码去实施他所希望的特性。定制货币,金融衍生品,身份系统和去中心化组织的创建将变得容易,构建以太坊开发者未曾想象得到的交易类型也将是可能的。总之,我们相信这样的设计是迈向“加密货币2.0”的坚实一步,我们希望以太坊的出现之于加密货币生态系统的标志性意义,正如1995年前后Web2.0之于互联网。

　　当试图创建新的应用,尤其是在密码学或加密货币领域等如此精妙的领域新建应用的时候,第一,也是正确的反应是尽可能地去使用现存的协议。如果现存的技术能够完全解决问题就没有必要去创建新的货币甚至新的协议。实际上,正是尝试在比特币协议之上构建智能资产,智能合约和去中心化自治机构(DAC)的解决方案所带来的困惑促成了我们对下一代加密货币协议的最初兴趣。在研究中我们发现,虽然比特币协议对于货币,基础多方签名契约以及智能合约的简单版本是足够的,仍有一些根本上的限制使得它只适用于一个非常受限的业务特性范围。

　　1.简化支付验证的困难-比特币的默克尔树结构支持一个叫“简化支付验证”的协议,通过该协议一个没有下载完整块链的客户端也能够通过向其它节点索要包括从交易哈希沿默克尔树上溯至块链头处的根哈希的哈希序列来快速确认交易输出的正确性。为了安全客户端依然需要下载块链头,但相比下载完整块链的做法,所需的带宽和验证时间都成千倍地降低了。而对于彩色币,这样的简化支付验证将变得非常困难。原因在于通过简单地检查默克尔树来确定一个交易输出的色彩是不可能的,这里需要采用后向扫描算法,读取可能成百上千的交易数据并且通过默克尔树来验证每笔交易的正确性。才可能完全地确认某笔交易拥有某种色彩。经过了一年多的研究,包括来自我们的帮助,仍未为此问题寻找到解决方案。

　　2.与脚本的不兼容–如前所述,比特币有一个适度灵活的脚本系统,允许用户签署诸如“我发布此交易输出给任何愿意支付我1BTC的人”这样形式的交易。其它的例子包括担保合约,便捷小额支付以及链上拍卖。然而,这个系统固有地识别不了“色彩”,这就是说,你无法发布象“我发布此交易输出给任何愿意支付我在创世交易H:i中定义的1个金币的人”这样的交易,因为脚本语言根本不知道这里居然还会有不同的色彩。这带来的主要后果是,虽然不依赖于信任的不同色彩的币的交换依然是可能的,但无法下买卖单却导致无法运行一个完全的去中心化的交易所。

　　另一个如HTTP建立在TCP上面那样在比特币协议之上叠加协议建立起来的概念是“元币”。元币的概念很简单,元币协议提供了一种把元币交易数据写入比特币交易输出的方法,一个元币节点会处理所有的比特币交易,评估同时是合法元币交易的比特币交易以确定任何给定时刻的平衡账目。例如,一个简单的元币协议可能要求一个交易有四个输出(MARKER)FROM,TO和VALUE。MARKER是一个特殊的标识符字段用来把一个交易标识成元币交易,FROM是币的发出地址,TO是币要发往的地址,VALUE是表示交易数额的字段。因为比特币协议并未意识到元币协议的存在,因此不会拒绝非法的元币交易,元币协议必须根据比特币交易的第一个输出是否为MARKER识别出元币交易并作相应处理。这样的元币协议的相关部分的编码可能是类似这样的,

　　元币协议的好处是允许更多的高级交易类型,包括定制货币,去中心化交易所,衍生品等,这些交易类型是作为基础的比特币协议本身无法实现的。然而,比特币之上的元币有一个主要的缺点,在彩色币那里已经很困难的简化交易验证,在元币这里干脆就是不可能的。原因是,当使用简化交易验证去确认一个由地址X发送30个元币的交易时,并不必然意味着地址X拥有30个元币,如果发送者没有30个元币从而该交易是非法的怎么办,找出当前状态的任何一部分都需要对所有交易进行一次彻底的后向扫描直至元币的初始发行交易,以判断当前交易是否合法。这使得任何不下载庞大的完整比特币块链的轻客户端都不会是真正安全的。

　　以上两个例子推出以下结论,努力在比特币协议之上建立更高级协议,正如在TCP之上建立HTTP,是值得赞赏的,也确实是走向更高级的去中心化应用的正确道路。然而,在比特币协议之上创建彩色币和元币的尝试更象是在SMTP上创建HTTP, SMTP协议是用来传输电子邮件消息的,而不是用来作为一般互联网通信的基础协议的, ,在S MTP上创建HTTP,将不得不使用许多低效的以及结构丑陋的方法使其能够工作。与之类似,虽然比特币在简单交易和价值储存方面是一个出色的协议,但它绝非是被设计用来,而且前述证据表明它不可能被用来,作为通用金融端到端协议的底层协议。

　　通过建立自己的块链,通过在每一个区块保存一个表示当前每个地址的平衡账目的清晰的“状态树”和一个表示当前区块和上一个区块间交易的“交易表” ,以太坊解决了可扩展性问题。以太坊合约将被允许在持久内存中存储数据,这样的内存加上图灵完备的脚本语言将使在单个合约中编码一个完整的货币成为可能。因此,以太坊并不以取代前述的彩色币或元币协议为目的,而是旨在成为一个提供超强脚本系统的优秀底层协议,在其上可以创建任意高级的合约,货币及其它去中心化应用。如果现存的彩色币和元币项目迁移至以太坊平台,它们将从以太坊的简化支付确认,与金融衍生品和去中心化交易所的适应性,以及能够同时在一个网络中存在的能力中获益。使用以太坊,那些想出可能极大改变加密货币应用现状的点子的人将不再需要去启动他们自己的块链,他们可以简单地用以太坊脚本编码实现他们的想法,简而言之,以太坊是创新的基础平台。

　　3. 模块化原则–以太坊的不同部分应被设计为尽可能模块化的和可分的。开发过程中,应该能够容易地让在协议某处做一个小改动的同时应用层却可以不加改动地继续正常运行。类似“短剑” (Dagger ) , “帕特里夏树” ,Patricia trees , and “递归长度前缀编码“ (RLP) recursive length prefix encoding, ,等创新应该以独立的库的形式实施并且应该特性完整,以便于让其它的协议同样使用,即便以太坊不需要其中的某些特性。以太坊开发应该最大程度地做好这些事情以助益于整个加密货币生态系统,而不仅是自身。

　　在内核中,以太坊的起点是一个相当规则的使用内存困难的工作量证明机制挖矿的不附带多少额外复杂度的加密货币,以太坊在许多方面比我们今天使用的基于比特币的加密货币简单。由多个输入输出构成的交易概念被更直观的基于平衡账目的模型取代了。 序列号和锁定时间都取消了,并且所有的交易和区块数据都用单一格式编码。与比特币中对公钥加上04前缀后进行SHA256哈希再进行RIPEMD160哈希形成地址的方法不同,这里简单地取公钥的SHA3哈希的最后20字节作为地址。与其它致力于提供大量的“特性”的加密货币不同,以太坊致力于不提供特性,而是通过一个名为“合约”的涵盖所有的机制为用户提供近乎无限强大的功能。以太坊客户端P2P协议

　　以太坊客户端P2P协议是一个相当标准的加密货币协议,并且能够容易地为其它加密货币使用,仅有的改动是引入了由Yonatan Sompol insky和AvivZohar在2013年12月首次引入的“幽灵“协议, Greedy Heaviest Observed Subtree (GHOST)protocol , ,该协议的引入动机和实现细节将在后面作详细介绍。以太坊客户端基本上是被动的,如果没有被触发,它自己做的仅有工作是调用网络守护进程维护连接及定期发送消息索要以当前区块为父区块的区块。然而,该客户端同时会更强大,与只存储与块链相关的有限数据的bitcoind不同,以太坊客户端将同时扮演一个功能完整的区块浏览器的后台的角色。

　　上述的“叔区块”应该是仅有的对比特币用户来说的新的概念,该思想来自于以太坊对幽灵协议的独家的实施。幽灵协议提出的动机是当前快速确认的块链因为高作废率而受到低安全性困扰,因为区块需要花一定时间,设为t ,扩散至全网,如果矿工A挖出了一个区块然后矿工B碰巧在A的区块扩散至B之前挖出了另外一个区块,矿工B的区块就会作废并且没有对网络安全作出贡献。此外,这里还有中心化问题,如果A是一个拥有全网30%算力的矿池而B拥有10%的算力,A将面临70%的时间都在产生作废区块的风险而B在90%的时间里都在产生作废区块。因此,如果作废率高,A将简单地因为更高的算力份额而更有效率,综合这两个因素,区块产生速度快的块链很可能导致一个矿池拥有实际上能够控制挖矿过程的算力份额。

　　通过在计算哪条链“最长”的时候把废块也包含进来,幽灵协议解决了降低网络安全性的第一个问题,这就是说,不仅一个区块的父区块和更早的祖先块,该区块的父区块和更早祖先块的作废的兄弟区块也被加进来以计算哪一个区块拥有支持其的最大工作量证明。因为简洁性原则,以太坊仅采用了幽灵协议的最基础部分,即废块必须以下一个区块的叔区块的身份纳入计算, ,但这已经获得了幽灵协议90%以上的益处。另外,以太坊付给以“叔区块”身份为新块确认作出贡献的废区块75%的奖励,把它们纳入计算的“侄子区块”将获得奖励的12.5%, ,这个修改旨在解决第二个问题–中心化倾向。

　　以太坊网络包含其内建的货币,以太币,在网络内包含一种货币的原因是双重的。首先,以太币被奖励给矿工以促进网络安全。其次,用它来支付交易费用是一种反欺诈机制。类似Hashcash的以交易为单位的工作量证明和放任自由是收取交易费的两个替代方案,前者浪费资源并且对于低档计算机和智能手机是一种不公平的折磨,后者将会导致网络立刻被无限循环的“逻辑炸弹”合约淹没。以太币有一个理论上的最大量- 2128单位(比照比特币的2509单位) ,虽然在可预见的将来不会有超过2100被发行。为方便和避免将来的争论,参见现在关于mBTC/uBTC/聪的争论, ,这里提前为一些数额设定单位,

　　举例来说,假设五年内没有发生交易, 25%的以太币将会在投资者手里, 6.25%属于创业团队, 6.25%属于预留池,还有62.5%属于矿工。永久线性通胀模型降低了在比特币那里看到的财富过度集中的风险,并且给予了生活在现在和将来的个人公平的获取财富的机会,同时能够激励人们获取和持有以太币,因为从长远来看通胀率依然是趋近于零的,例如在第1000001年货币供应会从500001.5*X上升到500002*X,通胀率0.0001%, 。此外,很多对于以太坊的兴趣是中期的。我们预测如果以太坊成功则它在1-10年的时间段内会经历巨大的增长,而在这期间它的供应量是非常有限的。

　　以太坊中的所有数据都以“递归长度前缀编码, recursive length prefix encoding(RLP) ”形式存储,这种编码格式将任意长度和维度的字符串构成的数组串接成字符串。例如, [dog, cat]被串接(以字节数组格式)为[130(67) 100( 111) 103(67)99(97) 116];其基本的思想是把数据类型和长度编码成一个单独的字节放在实际数据的前面,例如‘dog’的字节数组编码为[100(111)103],于是串接后就成了[67( 100) 111, 103]. ,注意RLP编码正如其名字表示的一样,是递归的,当RLP编码一个数组时,实际上是在对每一个元素的RLP编码级联成的字符串编码。需要进一步提请注意的是,以太坊中所有数据都是整数,所以,如果有任何的以一个或多个0字节开头的哈希或者地址,这些0字节应该在计算出现问题的时候去除。以太坊中没有串接数据结构包含任何以0开头的数值。整数以大端基础256格式存储,例如32767字节数组格式为[127,255] , 。

　　nonce是该地址的交易数,每做一次交易都会增加1。其目的是(1)使每个交易只有一次合法的机会以防范重放攻击, (2)使得构建一个和已存合约有相同哈希的合约成为不可能,更准确地说,密码学意义上不可行, 。 balance指的是合约或地址的平衡账目,以伟为单位。 contract_root是另一个帕特里夏树的根,在该地址被一个合约控制的情况下包含该合约的内存。如果一个地址没有被一个合约控制, contract_root就会是一个空字符串。注意在主帕特里夏树中所有地址的长度都是20字节,即便它们以一个或多个0字节开头,在合约子树中所有索引都具有32字节的长度,如果不够长则加0前缀补足。

　　基于过去五年比特币和替代币的经验,发现的一个对于工作量证明功能很重要的特性是“内存困难” -合法的工作量证明不仅需要大量的计算,同时需要大量的内存。如今,存在两个主要的“内存困难”功能类别–scrypt和质数币挖矿,但二者都不完美,没有一个需要理想的内存困难功能可能需要的内存,二者都会遭受时间-内存置换攻击,攻击中攻击者可以以牺牲一些计算效率为代价以远低于算法要求的内存大小完成合法工作量证明。以太坊使用一个替代的名为“短剑” (Dagger )的算法,一个基于适度直连的无环图的内存困难的工作量证明机制,它虽然远非最佳,但却有远较现存其它算法为强的内存困难特性,根据参数选择,每线MB 的RA M.

　　nonce是该地址已经发送的交易数量,编码为二进制格式(例如0- ,7- \x07,1000- \x03\xd8). (v(r)s)是新生成的不含用发送地址对应的私钥签名的Electrum风格的交易签名,v的范围是27=v=30.从一个Electrum风格的签名(65字节)可以直接提取出公钥和地址。交易合法的条件, (i)签名具有合法格式(即27=v=30,0=r P,0=s N),以及(i i)发送地址具有足够的资金支付交易金额和交易费用。 一个区块不能够包含一个非法的交易,如果一个合约产生了一个非法交易则该交易将直接无效。交易费用将被自动包含。如果一个用户自愿支付更高费用,他总可以通过构建一个合约来自动地发送一定数量或一定比例的金额给现区块的矿工同时加速交易确认。