DevCon3 洞察：全面解读以太坊生态现状与未来

雷锋网记者：本月初，第三届以太坊开发者大会DevCon3在墨西哥坎昆举行。 万向区块链旗下万云平台CTO奚海峰在参会后总结此行所见所闻，并在上周万向分享会上发表演讲，全面解读以太坊生态现状与未来发展。 本文经授权转载自公众号万向区块链，作者席海峰。

一、以太坊的基本概念

作为一个区块链产品和技术平台，以太坊的初衷是希望区块链可以像手机操作系统一样。 开发者在构建应用时，无需反复创建和维护区块链，直接使用以太坊即可。 不仅针对转账，还针对资产发行、众筹、域名注册、所有权登记、预测市场、投票、物联网等应用场景。 以下是以太坊的一些基本概念。

帐户类型

区块链最基本的结构是账户体系，以太坊在原有比特币外部控制账户的基础上增加了合约账户。 合约账户是由一段代码（智能合约）控制的账户。 不同的账户通过交易进行交互。 交易可以从一个外部控制账户发送到另一个外部控制账户，这实际上是一个简单的转账。

如果一笔交易从外部账户发送到合约账户，它是对合约账户中包含代码的函数的调用。 另外，一个合约账户也可以嵌套调用另一个合约账户的代码。

天然气和天然气价格

为了避免恶意使用智能合约造成的死循环，以太坊加入了gas的概念。 执行一个智能合约的操作或者存储一些数据都会消耗相应数量的Gas； 执行智能合约时，必须在一定的Gas limit内完成，否则程序将终止。 Gas Price 由智能合约的调用者指定，表示他愿意为每种 Gas 支付多少以太币。 这一成本因素进一步抑制了黑客滥用以太坊资源的冲动。

贸易

一笔交易由几个关键字段组成：

状态机

每个账户实际上都维护着一个状态，在代码执行时转移。 可以理解为以太坊的每个节点都在维护着一个庞大的状态机。 就是通过执行事务来触发代码的执行。 代码会修改账户的内部状态，包括代币中存储的值，从而使整个以太坊从一种状态变为另一种状态。

以太坊虚拟机 (EVM)

智能合约运行在虚拟机中以太坊优势和未来发展，相当于一台模拟计算机。 它有栈，有内存，有存储，有环境变量，有日志，所以叫图灵完备。 可以用这个虚拟机写任意复杂的逻辑，这就是引入Gas机制的原因。

高级编程语言

虚拟机运行的智能合约代码被编译成EVM可以理解的二进制代码，部署在智能合约中。 但是作为程序员，很难直接用这段代码写程序，因为它是一种低级语言。 所以以太坊提供了Solidity、Viper、LLL、Bamboo等高级语言来编写智能合约，然后编译成EVM代码。

应用程序二进制接口 ABI

Application Binary Interface ABI是智能合约函数调用的二进制编码格式。 向合约账户发送交易时，需要指定调用合约代码中的哪个函数。 如果函数有参数，则还必须传递参数值。 这些东西必须有二进制代码。

默克尔树

以太坊中有一个非常重要的概念“Merkle Tree”。 在Merkle Tree中，从根节点往下（叶子节点除外），每个节点的值都是结合下面节点的值后散列的结果。 这样做的好处是很容易在叶子节点上形成交易数据的验证。 以太坊改进了默克尔树，使得插入和删除可以高效地进行。

2. 以太坊面临的安全挑战

智能合约风险

作为一个拥有图灵完备虚拟机的区块链平台，以太坊有着明显的优势，但它的优势往往也是它的劣势。 对于以太坊来说，由于其虚拟机支持任意编程逻辑，在编写智能合约时极有可能引入bug。 比如之前的 The DAO 事件导致以太坊硬分叉，Parity 钱包在 7 月和 11 月两次 bug 被黑客利用导致资产损失等等。那么面对这些安全隐患我们应该怎么办呢？

一是可以通过以太坊协议和 EVM 本身的升级来增强安全性。 第二种是你可以使用代码审计公司或者准备一个严格的审计流程来审计你自己的代码。 此外，还可以使用形式化验证工具来增强安全性，比如区块链安全公司Zeppelin开发的工具，可以更方便地修改部署在区块链上的智能合约代码。 Securify 是苏黎世联邦理工学院软件可靠性实验室开发的一款安全审查工具以太坊优势和未来发展，它为开发者提供了一个简单的接口来正式验证输入的智能合约代码，然后找出其中的漏洞。

隐私风险

众所周知，区块链社区非常重视隐私保护，zk-SNARKs（“Concise Non-Interactive Zero-Knowledge Proof”）是DevCon上非常热门的话题。 这种机制是让证明者在不提供任何额外有用信息的情况下，让验证者相信某个断言是正确的。 它是概率证明而不是确定性证明。

例如，Alice 有一把开门钥匙，她需要向 Bob 证明她拥有这把钥匙。 有两种方法。 首先是 Alice 把钥匙给 Bob，Bob 用钥匙开门，Bob 知道 Alice 确实有钥匙进门。 另一种方法是鲍勃知道这所房子里有东西，他告诉爱丽丝，爱丽丝去房间把这个东西给鲍勃看。 既然爱丽丝可以做到这一点，鲍勃就知道爱丽丝有门的钥匙。 第二种方法是所谓的零知识证明，它可以在不泄露密钥的情况下向 Bob 证明 Alice 拥有密钥。 现阶段，隐私保护最好的是Zcash，Zcash在零知识证明的应用上非常熟练。

3. 以太坊面临的扩容挑战

以太坊面临的另一个主要问题是其性能扩展。 以太坊上部署了数十万个智能合约，但其初始设计基于PoW共识机制，每秒只能处理数十笔交易，无法满足很多应用对交易性能的实际需求。 以太坊被认为是第二代区块链，现在第三代区块链的兴起对以太坊造成了一定的竞争压力，如何在保持稳定运行的情况下尽快整合成为当务之急以太坊平台。 切换到 PoS 共识机制以提高平台性能。

以太坊在性能扩展方面面临的问题是每个节点都要处理每一笔交易，这意味着整个区块链的容量受限于单个节点的处理和存储能力。 此外，以太坊在设计之初并不支持交易的并行处理，这也限制了其进一步的性能提升。

4. 以太坊的扩张之路

为了解决可扩展性，Vitalik 提出了 Sharding（分片）方案，即“一个区块链，两个系统”。 Sharding的具体方案是将以太坊网络的状态分解成很多分片。 分片只能异步通信。 每个分片只处理整个网络的一部分交易。 分片也分为主分片和新分片。 . Vitalik 将新碎片称为“宇宙星系”。

主分片和新分片会有不同的共识和治理方式。 主分片采用保守的方式，仍然是PoW，然后进入混合PoS模式，实际上是PoW加PoS来保证网络的稳定性。 新分片为了进行更多的实验，采用了积极的改进方式，但不影响主分片，新分片直接采用PoS模型实现权益证明。 如果能够实现这样的治理结构，系统将更加稳定。

新旧分片之间的同步状态是通过一个无状态的客户端来完成的。 所谓无状态，就是当你想把新分片的部分状态同步到主分片时，共识节点不需要存储所有的网络状态，只需要存储区块头信息。 此外，在发送交易时，提交 Merkle 证明可以改变状态。 因为Merkle是一个自洽的数据结构，它可以向主分区证明这个交易确实发生在新的分区上。 这样可以在新分区上做很多优化，比如并发处理，包括block的大小，这些都不再是问题。 如果想尝试不同块大小的性能影响，可以创建不同的新分片，在不同的新分片中进行不同的设置。

综上所述，该机制将以太坊未来的发展分为两层。 第一层是现有的主分片，强调安全性和保守性。 另一层是新的分片，直接使用PoS协议，可以实现快速的算法和功能迭代。

如果要实现分片的思想，PoS扮演着非常重要的角色。 无论是在主分区中从混合模式过渡到最终模式，还是新分区一步到位，PoS 在以太坊下一步的发展中都非常重要。 PoS是一种公链共识算法，是一种权益证明。 它不同于 PoW 工作量证明。 它不是通过解决一个加密问题来奖励参与者的挖矿机制，而是在它的机制中有自己在区块链上持有代币的验证者。 这些验证者按照一定的算法轮流提议区块，所有验证者都投票赞成这个新区块。 投票时，每个投票者的投票权重与其代币数量成正比。 如果验证者的投票行为是正确的，他将得到奖励。 如果他作弊，那么他将被判定为以不符合协议的方式进行投票，他的代币将受到惩罚和没收。 所以PoS是基于经济机制来获得共识，获得网络安全。

PoS具有三个优点：

首先是明确的经济安全，因为不再通过挖矿竞争达成共识，所以链上治理可以制定非常明确和有针对性的奖惩措施。 在PoW机制中，如果要进行51%攻击，成本很低，只需要耗电量和设备损耗。 但 PoS 不同。 它的惩罚是非常严重的。 当你进行 51% 攻击时，治理算法会发现你所有的代币都会被没收。 因此其经济安全性高于 PoW。

第二，降低中心化风险。 因为PoW挖矿机制容易出现中心化，PoS中1块钱就是1块钱，你的钱和份额是对等的，降低了中心化的风险。

第三，提高能源效率。 众所周知，比特币挖矿消耗的能源相当于整个厄瓜多尔国家一年的能源消耗。 但是转为PoS是绿色环保的，值得提倡。

以太坊通过Casper的机制实现PoS。 Casper由两个项目组成： Casper由两个项目组成：Casper CBC和Casper FFG。 FFG 以保守的方式在 PoW 的基础上实施权益证明。 简单来说，区块仍然是通过PoW算法添加的，但是每50个区块有一个PoS“检查点”，区块的最终有效性由网络验证者评估。 FFG解决的是短期内将主链迁移到PoS，实现混合PoS模式，只是过渡性的解决方案。 CBC是最终解，从形式设计和形式构造上来说都是正确的算法。

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