以太坊Ethereum区块链技术开发讲解
「Ethereum（以太坊）」是一个基于区块链的、去中心化的应用平台，它将 Bitcoin 的基础设施 —— 基于密码学的区块链技术构建为了一个通用的平台，并补齐了 Bitcoin 网络的一些缺失功能，以便开发者将自己的去中心化应用运行在 Blockchain 上。
在详细介绍 Ethereum 之前，我先介绍一下（我所认为的）去中心化网络的两大基础 —— 密码学和博弈。密码学自然不用多说，无非是通过公钥加密、数字签名、散列和摘要算法去从数学上保证安全性；而博弈是说在去中心化的网络中，任何人，包括希望恶意地希望攻击这个网络的人都可能参与，在设计去中心化网络时需要站在每一个参与者的角度去思考其利益关系，确保遵守规则时利益最大化、违反规则时会遭受损失或承担风险。
然而在数字世界中，发布一段数据是没有成本的，无所谓「利益」和「损失」，因此必须和实体世界建立某种联系，才能去定义「利益」。例如在 Bitocin 网络中，如果攻击者希望去人为地改变 Blcokchain 的走向，需要拥有比其他所有矿工更高的计算力，而在实体世界中，计算力是需要计算设备来提供的，而计算设备是需要从实体世界购买的 —— 甚至有时候即使有钱也没有足够的产能，因此参与 Bitcoin 网络的矿工越多，它抵御攻击的能力将会越强。
所以说在去中心化网络中，并不是所有问题都是被「技术」解决的，在技术所达不到的部分，必须通过利益、通过经济激励来解决。也是因为「经济激励」的需要，Ethereum 也有一个钱包体系（货币单位叫「Ether（以太）」），每个用户有一个钱包地址作为其唯一标识，在这一点上和 Bitcion 比较类似。
「Contract（合约）」是 Ethereum 所引入的最重要的概念。在 Bitcoin 中，所有的地址都是属于一个用户的 —— 当我们说「用户」的时候，其实是说一对公钥和私钥。但在 Ethereum 中，除了由一个密钥对所拥有的地址之外，还有一种由「代码」拥有的地址，即 Contract. Contract 由用户发布，其本质是一段代码，在发布之后便无法修改，Contract 像普通账户一样也有一个钱包地址，每当这个地址收到交易时，所关联的代码便会被执行，这些代码：
能且只能以区块链作为输入和输出，因此计算是可重复的 —— 实际上计算的结果并不需要被存储到区块链，因为随时可以重新进行计算。
可以调用其他 Contract 中的函数（其他 Contract 的代码和数据同样存在于区块链上）。
执行过程中可以创建新的交易（操纵自己的钱包余额），这些交易可能会去执行其他的 Contract.
首先举一个「多人共同持有的钱包」的例子，在 Ethereum 的官方客户端中便有一个创建多人钱包的功能：
创建多人钱包
如图，通过这个功能可以创建出一个与其他 2 个人共同拥有的钱包地址，每个人每天最多使用其中的 100 Ether，如果超过了这个限制，则必须经过另外一个人的同意。
这个功能实际上会创建出一个 Contract，而上述逻辑是通过 Contract 中的代码来描述的。当你希望从这个共有钱包中支出款项时，你需要向这个共有钱包发一个消息（交易即消息，交易金额可以为零，仅携带数据），然后共有钱包中的代码会被执行，若这个支出请求符合上述逻辑，则发起真正的支出交易，否则这个支出请求会被驳回（没有真正地支出款项）。
另外一个例子是「对冲合约」，一直都有人吐槽 Bitcoin 作为数字货币其币值（和法定货币的汇率）不稳定，经常出现一天之间币值涨一倍或跌一倍的情况，但如果借助 Contract 实现一个对冲合约便可一定程度上解决这个问题。
我们将希望保持币值不变的人称为「风险规避者」，将另外一个愿意承担币值波动的风险并从中盈利的人称为「风险承担者」，于是他们便可以约定一个金额（例如 1000 CNY）和一个时间窗口（例如一个月），并创建一个 Contract 执行下列逻辑：
风险规避者将价值 1000 CNY 的 Ether 发送到 Contract 的钱包地址，风险承担者也将价值 1000 CNY（或更多）的 Ether 发送到 Contract 来应约（如无人应约，风险规避者可取回自己的 Ether）。
一个月后，风险规避者可以从 Contract 取回当时价值 1000 CNY 的 Ether，而无论 Ether 和 CNY 之间的汇率如何，余下的 Ether 由风险承担者取回。
如 Ether 价值上涨，风险承担者获利，若 Ether 价值下降，风险承担者亏损，但风险规避者总是不亏不赚。当然，风险规避者和风险承担者可以事先商定一个风险规避者需要支付的「保费」，亦可商定风险承担者需要提供几倍于 1000 CNY 的担保（倍率越高能够承担的风险越大）。
上面的例子中其实还存在一个不是很好解决的问题，即如何去确定 Ether 和法定货币之间的汇率，在前面我们提到过，Contract 只能访问区块链上的数据，而法定货币是一个存在于实体世界而非密码学世界的数据，我们需要通过某种机制将这类「来自非密码学世界的数据」引入到区块链中。
我们可以设计另外一个 Contract 来指定这样的逻辑，来从实体世界中征集 Ether 和法定货币之间的汇率，在每个时间窗口（如一小时）中：
所有人可以向 Contract 缴纳保证金并提供一个汇率。
在时间窗口结束时，Contract 计算所有人提供的汇率的平均值（按照保证金加权）并公布。
并将收集到的保证金分配（按照保证金加权）最接近平均值的 25% 的人。
对于任何一个参与者，因为不知道其他人的出价，所以提交一个真实的汇率有更大的可能性获得奖励，而提交一个很离谱的汇率将会有很大的机率失去保证金。
当然这个规则其中有几个漏洞，比如如果一个人有非常多的保证金，那么他就可以将平均值拉到一个比真实汇率更高或更低的价格的同时拿到奖励，并且使其他一些提供了准确汇率的人失去保证金。但其实在实体世界中也是一样的，如果你有非常多的钱同样可以抬高或打压一种商品的价格，只不过相比于实体世界，电子货币的体量还很小，并不需要太多钱就可以做到；但其实这样恶意地抬高或打压汇率也是有非常大的风险的，因为你不敢肯定自己缴纳的保证金是足够多的，一旦失败将会失去所有的保证金。
另外一个漏洞就是「所有人可以向 Contract 缴纳保证金并提供一个汇率」这个步骤是通过创建交易来实现的，而所有的交易会被写到 Blockchain 上，因此你提交的汇率其实是对其他人可见的，进一步给恶意的攻击者创造了机会，接下来我会通过一个「产生随机数」的例子来介绍如何规避这个问题。
前面我们提到了 Contract 可以读取 Blockchain 上的数据，但 Blockchain 上的数据都是确定的，如果我们要实现一个类似于赌博的应用，该从哪里获得一个随机数呢？
可以想到的一个随机数来源就是下一个 Block 的 Hash，在大多数情况下，这种程度的随机性足够了。但其实矿工是可以在一定程度上操控这个随机数的，假设一个矿工参与了某个赌博，且赌博的收益大于挖出一个块的收益，那么如果这个矿工挖出了一个将会使自己输掉赌博的块，那么显然这个矿工会选择不去公布这个新的块，这一点在单个矿工的计算力越强的情况下越明显。
因此我们需要引入一个类似征集汇率的机制来征集随机数种子，然后在每个时间窗口结束时使用这些种子来计算出一个随机数并。但就像征集汇率一样，因为参与者是通过创建交易来实现提交汇率的，因此在一个时间窗口之间，每个人提交的随机数对其他人都是可见的，因此一个已经参与了某项赌博的人可以精心挑选一个随机数种子来使其他人已提交的种子加上新的种子所产生的随机数刚好符合他的期望。
所以我们有必要将征集种子的窗口分为两部分，来取得一个任何人都无法预测和干预的随机数：
阶段一：所有人可以向 Contract 缴纳保证金并提供「一个随机选定的种子的散列值」。
阶段二：参与阶段一的人向 Contract 提供未被散列的种子。
阶段二结束：Contract 将所有合法的种子散列，生成一组随机数并公布；退回阶段二中提供了正确的种子的人的保证金。
在第一阶段你只知道其他人提交的种子的散列值，而不知道实际的种子，因此无法去精心构造一个种子来干预结果；而在第二阶段中，所有人只是在确认第一阶段提交的种子，而不能提交新的，也也无法阻止其他人提交种子。
前面我们提到 Bitcoin 是没有提供循环、递归、跳转之类的能力的，也许 Bitcoin 是出于控制一段 Bitcoin 执行时间的考虑，因为根据图灵的「停机定理」，由图灵完备的编程语言所编写的程序，无法总是仅从静态分析的角度判断其是否会在有限的步骤后结束，这样依赖恶意的攻击者便可以构造一个会引起死循环的 Transaction 来干扰矿工的正常工作。
而 Ethereum 则再次通过「经济激励」绕过了这个问题，Contract 以 opcode（操作码）的形式运行在一个叫 EVM（Ethereum Virtual Machine）的虚拟机上，EVM 是一个自带「计费」的虚拟机，在 EVM 的标准中，根据操作所需要的内存和 CPU 时间，定义了每一种 opcode 所消耗的 Gas，这是一种由 Ether 购得的计算资源。前面提到当一笔交易的目标是 Contract 时，Contract 的代码会被执行，交易的发起者需要为 Contract 执行过程中消耗的 Gas 付费，同时声明一个「愿意支付的最大的 Gas 数量」，如果 Gas 中途耗尽，Contract 的执行将会停止。
然后我们再重新讨论一下「共识间隔」的问题，前面提到 Bitcoin 每 10 分钟出现一个新的 Block，即整个网络每 10 分钟达成一个「共识」，所以通常的 Bitcoin 交易要等上十几分钟才会被确认，在计算力不是很高的早期，可能要等待一个小时（6 个 Block），大家才会认为这笔交易是可靠的。
显然更短的共识时间对用户而言会有更好的体验，为什么 Bitcoin 不缩短出块时间呢？这是因为更快的共识间隔会一定程度上增加「中心化矿池」的优势。所谓「矿池」就是指比特币矿工聚在一起挖矿，矿工无条件地听从矿池的指令，最后和矿池来约定收益分成，显然 Bitcoin 作为一个去中心化系统，并不希望这种中心化的矿池有额外的优势。
当一个矿工 A 挖到一个新的块的时候，他会将这个 Block 广播出去，其他人一旦收到了这个消息，就会立刻基于这个新的块开始工作。而其他人在「A 挖到新的块」和「收到 A 广播的消息」之间这段时间之间的计算实际上是被浪费掉了的，而中心化矿池中的其他矿工则不会有这个问题，因为他们可以更快地得到新产生的块的信息，立刻在新的块的基础上开始工作。
这个广播的时间可能需要十几秒，对于 10 分钟来讲这点时间并不是十分重要，但如果去缩短共识间隔，中心化矿池的优势将会越来越明显。但 Ethereum 通过引入「叔块（Uncle Block）」的概念解决了这个问题，将共识间隔减少到了 15 秒钟，在支付确认速度上较 Bitcoin 有了很大的提升。
在 Bitcoin 的 Blockchain 中，一个 Block 只能有一个父块，也只能有一个子块。但在 Ethereum 中，一个新产生的块可以有一个父块和若干个叔块。回到上面的例子，如果在 A 挖到新的块但其他人尚未收到广播的时间中，如果有人挖出了一个新的块，但因为广播较晚没有被大家接受，那么这个块有可能成为下个块的「叔块」—— 这个块所代表的工作量证明会被认为是下一个块的一部分（即这个人挖出下一个块的难度降低了），叔块也仅仅提供工作量证明，其中所包含的交易是无效的。这样一来便补偿了较晚收到广播的客户端在低出块间隔情况下的劣势，具体来讲，直接的叔块提供 50% 的工作量证明、二代叔块提供 25% 的工作量证明以此类推，最多会承认最多五代的叔块。
区块（block）
在区块链技术中，数据以电子记录的形式被永久储存下来，存放这些电子记录的文件我们就称之为“区块（block）”。区块是按时间顺序一个一个先后生成的，每一个区块记录下它在被创建期间发生的所有价值交换活动，所有区块汇总起来形成一个记录合集。
区块结构（BlockStructure）
区块中会记录下区块生成时间段内的交易数据，区块主体实际上就是交易信息的合集。每一种区块链的结构设计可能不完全相同，但大结构上分为块头（header）和块身（body）两部分。块头用于链接到前面的块并且为区块链数据库提供完整性的保证，块身则包含了经过验证的、块创建过程中发生的价值交换的所有记录。
区块结构有两个非常重要的特点：第一，每一个区块上记录的交易是上一个区块形成之后、该区块被创建前发生的所有价值交换活动，这个特点保证了数据库的完整性。第二，在绝大多数情况下，一旦新区块完成后被加入到区块链的最后，则此区块的数据记录就再也不能改变或删除。这个特点保证了数据库的严谨性，即无法被篡改。
顾名思义，区块链就是区块以链的方式组合在一起，以这种方式形成的数据库我们称之为区块链数据库。区块链是系统内所有节点共享的交易数据库，这些节点基于价值交换协议参与到区块链的网络中来。
区块链是如何做到的呢？由于每一个区块的块头都包含了前一个区块的交易信息压缩值，这就使得从创世块（第一个区块）到当前区块连接在一起形成了一条长链。由于如果不知道前一区块的“交易缩影”值，就没有办法生成当前区块，因此每个区块必定按时间顺序跟随在前一个区块之后。这种所有区块包含前一个区块引用的结构让现存的区块集合形成了一条数据长链。“区块+链”的数据存储结构如下图所示。
我们引用《区块链：互联网金融的终局》（肖风）的一段话来总结区块链的基本结构：“人们把一段时间内生成的信息（包括数据或代码）打包成一个区块，盖上时间戳，与上一个区块衔接在一起，每下一个区块的页首都包含了上一个区块的索引数据，然后再在本页中写入新的信息，从而形成新的区块，首尾相连，最终形成了区块链。”这个结构的神奇之处：区块（完整历史）+ 链（完全验证）= 时间戳
“区块+链”的结构为我们提供了一个数据库的完整历史。从第一个区块开始，到最新产生的区块为止，区块链上存储了系统全部的历史数据。
区块链为我们提供了数据库内每一笔数据的查找功能。区块链上的每一条交易数据，都可以通过“区块链”的结构追本溯源，一笔一笔进行验证。
分布式结构——开源的、去中心化的协议
不赞同把数据记录并存储在中心化的一台或几台电脑上，而是让每一个参与数据交易的节点都记录并存储下所有的数据。
分布式记账——会计责任的分散化
通过分布式记账、分布式传播、分布式存储这三大“分布”我们可以发现，没有人、没有组织、甚至没有哪个国家能够控制这个系统，系统内的数据存储、交易验证、信息传输过程全部都是去中心化的。在没有中心的情况下，大规模的参与者达成共识，共同构建了区块链数据库。
非对称加密算法：区块链系统内，所有权验证机制的基础是非对称加密算法。常见的非对称加密算法包括RSA、Elgamal、D-H、ECC（椭圆曲线加密算法）等。
Contract（智能合约）
智能合约是代码和数据的集合，寄存与Blockchain的具体的地址。智能合约更想是在Blockchain中的一个自动化的代理(或者说是机器人or NPC)，智能合约有自己的账户，在时间或事件的驱动下能自动执行一些功能，如可以在相互之间传递信息，修改区块链的状态(账户信息等)，以及图灵完备计算(可以用图灵机做到的所有事情，通俗来说就是一般编程语言可以做的所有事情)。以太坊的智能合约是以太坊特定的字节码，被叫做EVM字节码。
1、智能合约高级语言
用户不可能直接编写EVM字节码，所以以太坊提供了几种编写智能合约的高级语言。
1）Solidity：类Java，这是以太坊推荐的旗舰语言，也是最流行的智能合约语言。具体用法参加Solidity文档。
2）Serpent：类Python
3）LLL：类Lisp
可以根据不同的习惯选择不同的高级语言。这里选用最流行的Solidity。
2、相关概念
以下的概念是智能合约可能用到的，这里不做详细介绍，想了解的可以参考智能合约菜鸟教程。
公钥加密系统；
点对点网络；
区块链：区块链可以看做是智能合约的基础设施；
以太坊虚拟机：解释执行智能合约字节码的东西，功能类似于Java虚拟机；
矿工：区块链中参与处理区块的节点叫做矿工。当前以太坊活跃的矿工：https://ethstats.net/；
工作量证明：矿工们总是在竞争解决一些数学问题。第一个解出答案的(算出下一个区块)将获得以太币作为奖励。然后所有节点都更新自己的区块链。所有想要算出下一个区块的矿工都有与其他节点保持同步，并且维护同一个区块链的动力，因此整个网络总是能达成共识。
以太币：ETH，以太坊中的虚拟货币，可以购买和使用，也可以与真实货币交易。以太币的走势图
Gas：相当于手续费。在以太坊执行程序以保存数据都要消耗一定量的以太币。这个机制可以控制区块链中计算的数量，保证效率。
智能合约与DApp
以太坊社区把基于智能合约的应用称为去中心化的应用程序(Decentralized App)。DApp的目标是(或者应该是)让你的智能合约有一个友好的界面，外加一些额外的东西，例如IPFS（可以存储和读取数据的去中心化网络，不是出自以太坊团队但有类似的精神)。DApp可以跑在一台能与以太坊节点交互的中心化服务器上，也可以跑在任意一个以太坊平等节点上。(花一分钟思考一下：与一般的网站不同，DApp不能跑在普通的服务器上。他们需要提交交易到区块链并且从区块链而不是中心化数据库读取重要数据。相对于典型的用户登录系统，用户有可能被表示成一个钱包地址而其它用户数据保存在本地。许多事情都会与目前的web应用有不同架构。)
DApp流程：用Solidity(或其他语言)编写智能合约(后缀为.sol) 用solc编译器将.sol合约编译成EVM字节码 编译好的字节码回送给dapp前端 前端将编译好的智能合约部署到区块链中 区块链返回智能合约地址+ABI(合约接口的二进制表示。合约接口用JSON表示，包括变量，事件和可以调用的方法) 前端通过Address+ABI+nonce，调用智能合约。智能合约开始处理。
智能合约编译器
Solidity智能合约可以通过多种方式进行编译，通过在线Solidity实时编译器来编译。online Solidity realtime compiler 安装solc编译器编译 在客户端java console中，通过web3.eth.compile.solidity编译。不过这个需要环境中安装solc编译器。 The Meteor dapp Cosmo for building solidity contracts The Mix IDE The Ethereum Wallet，在这里选择solc和web3.eth.compile.solidity方式。
1、geth安装
参考：go Ethereum client。安装比较简单，这里详细说了。
2、solc安装
1）作为cpp-ethereum的一部分安装。如果通过编译的方式安装了cpp-ethereum(参考：http://www.cnblogs.com/fengzhiwu/p/5547911.html)，那么solc编译器就会作为cpp-ethereum的一个子项目也被编译安装，在webthree-umbrella/build/solidity/solc目录下找到solc编译器的可执行文件。
然后，在/bin或/usr/bin目录下创建软链接就行了。
ln -s /home/vagrant/Code/workspace/webthree-umbrella/build/solidity/solc/solc /bin/solc
2）单独安装solc
参考：http://solidity.readthedocs.io/en/latest/installing-solidity.html
通过npm安装：这种比较简单，运行npm install solc就行了，不过我没有在console中找到solc 通过apt-get安装：
sudo add-apt-repository ppa:ethereum/ethereum
sudo apt-get update
sudo apt-get install solc
which solc
把solc添加入geth中直接使用（在geth中输入）
admin.setSolc('path/to/solc')
从源码编译安装
这种方法和安装cpp-etheruemle类似，不过最后的编译步骤改为：
cd webthree-umbrella
./webthree-helpers/s/ethupdate.sh --no-push --simple-pull --project solidity # update Solidity repo
./webthree-helpers/s/ethbuild.sh --no-git --project solidity --cores 4 -DEVMJIT=0 -DETHASHCL=0 # build Solidity only
测试：打开一个geth console，输入：web3.eth.getCompilers()，就会打印
智能合约体验
1、编译一个简单的合约
直接在console中编译一个简单的合约代码
& source = 'contract test { function multiply(uint a) returns(uint d) { return a * 7; } }'
& clientContract = eth.compile.solidity(source).test
编译返回的结果的JSON格式如下
code：编译后的EVM字节码
info：编译器返回的metadata
abiDefination:Application Binary Interface定义。具体接口规则参见这里
compilerVersion：编译此代码的solidity编译器版本
developerDoc：针对开发者的Natural Specification Format，类似于Doxygen。具体规则参见这里
language：合约语言
languageVersion：合约语言版本
source：源代码
userDoc：针对用户的Ethereum的Natural Specification Format，类似于Doxygen。
编译器返回的JSON结构反映了合约部署的两种不同的路径。info信息真实的存在于区中心化的云中，作为metadata信息来公开验证Blockchain中合约代码的实现。而code信息通过创建交易的方式部署到区块链中。
2、创建和部署合约
在进行此步骤前，确保你有一个解锁的账户并且账户中有余额。（可以创建自己独立的测试网络，即自己的区块链，初始化的时候就可以初始化一些有余额的账户）。参考：Test Networks。
现在就可以在区块链中创建一个合约了。创建合约的方式是发送一个交易，交易的目的地址是空地址，数据是前面JSON结构中的code字段。
创建合约的流程如下：
1）var primaryAddress = eth.accounts[0]
2）var abi = [{ constant: false, inputs: [{ name: 'a', type: 'uint256' } ]}]
3）var MyContract = eth.contract(abi)
4）var contract = MyContract.new(arg1, arg2, ..., {from: primaryAddress, data: &em&evmByteCodeFromPreviousSection&/em&}) //arg1,arg2,...是构造参数，这里没有，需要去掉。红色部分用前面生成的code代替获得账户。
定义一个abi （abi是个js的数组，否则不成功）
创建智能合约
发送交易部署合约
如果交易被pending，如图说明你的miner没有在挖矿
启动一个矿工
miner.setEtherbase(eth.primaryAddress) //设定开采账户
miner.start(8)
eth.getBlock('pending', true).transactions
这时候发现交易已经在区块中
不过会发现，交易还是pending，这是因为该交易区块没有人协助进行运算验证，这时候只需要再启动一个矿工就行了
miner.start(8)
参考：Private Testnet
发现区块1部署了交易
与合约进行交互
可以通过eth.contract()定义一个合约对象，这个对象包含变数合约接口的abi
Multiply7 = eth.contract(clientContract.info.abiDefinition);
var myMultiply7 = Multiply7.at(contract.address);
到这儿，就可以调用智能合约的函数了
myMultiply7.multiply.call(3) 或
myMultiply7.multiply.sendTransaction(3, {from: contract.address})
客户端部署好，可以使用web3j来访问ethereum客户端。结构如图：
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