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簡介

不管你們知不知道以太坊（Ethereum blockchain）是什么，但是你們大概都聽說過以太坊。最近在新聞里出現(xiàn)過很多次，包括一些專業(yè)雜志的封面，但是如果你們對以太坊到底是什么沒有一個基本的了解的話，看這些文章就會感覺跟看天書一樣。 所以，什么是以太坊？本質(zhì)上，就是一個保存數(shù)字交易***記錄的公共數(shù)據(jù)庫。重要的是，這個數(shù)據(jù)庫不需要任何中央權(quán)威機構(gòu)來維持和保護它。相反的它以一個“無信任”的交易系統(tǒng)來運行——一個個體在不需要信任任何第三方或?qū)Ψ降那闆r下進行點對點交易的架構(gòu)。

依然感到很困惑？這就是這篇文章存在的理由。我的目標是在技術層面來解釋以太坊的工作原理，但是不會出現(xiàn)很復雜的數(shù)學問題或看起來很可怕的公式。即使你不是一個程序員，我希望你看完之后最起碼對技術有個更好的認識。如果有些部分技術性太強不好理解，這是非常正常的，真的沒有必要完全理解每一個小細節(jié)。我建議只要宏觀的理解一下事物就行了。

這篇文章中的很多議點都是以太坊黃皮書中討論過的概念的細分。我添加了我自己的解釋和圖表使理解以太坊更加簡單一點。那些足夠勇敢的人可以挑戰(zhàn)一下技術，去閱讀一下以太坊的黃皮書。

好了， 讓我們開始吧！

區(qū)塊鏈定義

區(qū)塊鏈就是一個具有共享狀態(tài)的密碼性安全交易的單機（cryptographically secure transactional singleton machine with shared-state）。這有點長，是吧？讓我們將它分開來看：

• “密碼性安全（Cryptographically secure）”是指用一個很難被解開的復雜數(shù)學機制算法來保證數(shù)字貨幣生產(chǎn)的安全性。將它想象成類似于防火墻的這種。它們使得欺騙系統(tǒng)近乎是一個不可能的事情（比如：構(gòu)造一筆假的交易，消除一筆交易等等）。
• “交易的單機（Transactional singleton machine）”是指只有一個權(quán)威的機器實例為系統(tǒng)中產(chǎn)生的交易負責任。換句話說，只有一個全球真相是大家所相信的。
• “具有共享狀態(tài)（With shared-state）”是指在這臺機器上存儲的狀態(tài)是共享的，對每個人都是開放的。

以太坊實現(xiàn)了區(qū)塊鏈的這個范例。

以太坊模型說明

以太坊的本質(zhì)就是一個基于交易的狀態(tài)機（transaction-based state machine）。在計算機科學中，狀態(tài)機 是指可以讀取一系列的輸入，然后根據(jù)這些輸入，會轉(zhuǎn)換成一個新的狀態(tài)出來的東西。

根據(jù)以太坊的狀態(tài)機，我們從創(chuàng)世紀狀態(tài)（genesis state）開始。這差不多類似于一片空白的石板，在網(wǎng)絡中還沒有任何交易的產(chǎn)生狀態(tài)。當交易被執(zhí)行后，這個創(chuàng)世紀狀態(tài)就會轉(zhuǎn)變成最終狀態(tài)。在任何時刻，這個最終狀態(tài)都代表著以太坊當前的狀態(tài)。

以太坊的狀態(tài)有百萬個交易。這些交易都被“組團”到一個區(qū)塊中。一個區(qū)塊包含了一系列的交易，每個區(qū)塊都與它的前一個區(qū)塊鏈接起來。

為了讓一個狀態(tài)轉(zhuǎn)換成下一個狀態(tài)，交易必須是有效的。為了讓一個交易被認為是有效的，它必須要經(jīng)過一個驗證過程，此過程也就是挖礦。挖礦就是一組節(jié)點（即電腦）用它們的計算資源來創(chuàng)建一個包含有效交易的區(qū)塊出來。

任何在網(wǎng)絡上宣稱自己是礦工的節(jié)點都可以嘗試創(chuàng)建和驗證區(qū)塊。世界各地的很多礦工都在同一時間創(chuàng)建和驗證區(qū)塊。每個礦工在提交一個區(qū)塊到區(qū)塊鏈上的時候都會提供一個數(shù)學機制的“證明”，這個證明就像一個保證：如果這個證明存在，那么這個區(qū)塊一定是有效的。

為了讓一個區(qū)塊添加到主鏈上，一個礦工必須要比其他礦工更快的提供出這個“證明”。通過礦工提供的一個數(shù)學機制的“證明”來證實每個區(qū)塊的過程稱之為工作量證明（proof of work）。

證實了一個新區(qū)塊的礦工都會被獎勵一定價值的獎賞。獎賞是什么？以太坊使用一種內(nèi)在數(shù)字代幣——以太幣（Ether）作為獎賞。每次礦工證明了一個新區(qū)塊，那么就會產(chǎn)生一個新的以太幣并被獎勵給礦工。

你也許會在想：什么能確保每個人都只在區(qū)塊的同一條鏈上呢？我們怎么能確定不會存在一部分礦工創(chuàng)建一個他們自己的鏈呢？

前面，我們定義了區(qū)塊鏈就是一個具有共享狀態(tài)的交易單機。使用這個定義，我們可以知道正確的當前狀態(tài)是一個全球真相，所有人都必須要接受它。擁有多個狀態(tài)（或多個鏈）會摧毀這個系統(tǒng)，因為它在哪個是正確狀態(tài)的問題上不可能得到統(tǒng)一結(jié)果。如果鏈分叉了，你有可能在一條鏈上擁有 10 個幣，一條鏈上擁有 20 個幣，另一條鏈上擁有 40 個幣。在這種場景下，是沒有辦法確定哪個鏈才是最”有效的“。

不論什么時候只要多個路徑產(chǎn)生了，一個”分叉“就會出現(xiàn)。我們通常都想避免分叉，因為它們會破壞系統(tǒng)，強制人們?nèi)ミx擇哪條鏈是他們相信的鏈。

為了確定哪個路徑才是最有效的以及防止多條鏈的產(chǎn)生，以太坊使用了一個叫做“GHOST 協(xié)議（GHOST protocol）”的數(shù)學機制。

GHOST = Greedy Heaviest Observed Subtree

簡單來說，GHOST 協(xié)議就是讓我們必須選擇一個在其上完成計算最多的路徑。一個方法確定路徑就是使用最近一個區(qū)塊（葉子區(qū)塊）的區(qū)塊號，區(qū)塊號代表著當前路徑上總的區(qū)塊數(shù)（不包含創(chuàng)世紀區(qū)塊）。區(qū)塊號越大，路徑就會越長，就說明越多的挖礦算力被消耗在此路徑上以達到葉子區(qū)塊。使用這種推理就可以允許我們贊同當前狀態(tài)的權(quán)威版本。

現(xiàn)在你大概對區(qū)塊鏈是什么有個理性的認識，讓我們在再深入地了解一下以太坊系統(tǒng)主要組成部分：

• 賬戶（accounts）
• 狀態(tài)（state）
• 損耗和費用（gas and fees）
• 交易（transactions）
• 區(qū)塊（blocks）
• 交易執(zhí)行（transaction execution）
• 挖礦（mining）
• 工作量證明（proof of work）

在開始之前需要注意的是：每當我說某某的哈希， 我指的都是 KECCAK-256 哈希，以太坊就是使用這個哈希算法。