区块链 - 以太坊生态系统

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以太坊区块链的生态系统包含多个不可或缺的组成部分。其基础是以太坊区块链，它运行在一个去中心化的点对点网络上。

此外，还存在一个以太坊客户端，通常是Geth，它在节点上运行并建立与以太坊点对点网络的连接，方便下载和本地存储区块链。

此客户端提供一系列功能，包括挖矿和账户管理。本地区块链副本与网络持续同步。另一个重要的元素是web3.js库，它允许通过远程过程调用 (RPC)接口与Geth客户端进行交互。

以太坊生态系统的组成部分

以太坊生态系统的组成部分如下：

• 密钥和地址
• 账户
• 交易
• 消息
• 以太币/代币
• EVM

本章将涵盖前几个主题，下一章将详细介绍EVM（以太坊虚拟机）。

密钥和地址

在以太坊区块链中，密钥和地址用于表示所有权并促进以太币的转账。这些密钥由一对组成，包括一个私钥和一个公钥。

私钥是随机生成的，并保持机密，而公钥则派生自私钥。地址是20字节的代码，由公钥生成，用于识别账户。

如何生成密钥和地址？

生成密钥和派生地址的过程如下所示：

• 首先，根据椭圆曲线 secp256k1的规范，随机选择一个私钥（一个256位的正整数）。
• 然后，通过使用椭圆曲线数字签名算法 (ECDSA)恢复函数从私钥派生公钥。
• 最后，从公钥生成地址，具体来说是从公钥的Keccak 哈希的最后160位生成。

以太坊生态系统的账户

账户是以太坊区块链的基本组成部分。它们由私钥和公钥对组成。用户利用账户通过交易与区块链进行交互。

在通过节点将交易提交到网络之前，它会由相应的账户进行数字签名。作为交易驱动的状态机，以太坊的状态是通过账户之间的交互和交易的执行来建立或修改的。

以太坊生态系统状态转换

以太坊网络中的每个账户都拥有一个状态，当这些状态聚合在一起时，反映了网络的整体状况。以太坊网络的状态在添加每个新区块时都会刷新。

在这些账户之间和账户上执行的操作表示状态转换。此转换由以太坊状态转换函数促成，其工作原理如下：

• 通过检查语法、签名真实性和nonce来确认交易的有效性。
• 确定交易费用，并通过签名识别发送方地址。
• 此外，验证发送方账户余额并相应调整，同时递增nonce。
• 必须提供足够的ETH来支付交易成本，这些成本按字节计算，并且随着交易大小的增加而成比例增加。此步骤涉及价值的实际转移，从发送方账户转移到接收方账户。
• 如果指定的接收方账户尚不存在，则会自动创建它。
• 在交易由于余额不足或gas不足而失败的情况下，所有状态修改都会回滚，除了费用支付，费用支付会分配给矿工。
• 最终，任何剩余的费用将作为找零返还给发送方，费用将相应地分配给矿工。
• 在此阶段，函数生成结果状态，该状态也会记录在区块链上。

账户类型

以太坊生态系统中有两类账户：

• 外部拥有账户 (EOA)
• 合约账户 (CA)

外部拥有账户的功能类似于比特币账户，由私钥控制。相比之下，合约账户的特点是除了私钥之外，还与可执行代码相关联。

以下部分给出了两种账户的关键特征和属性：

EOA

外部拥有账户的关键特征如下：

• 它们拥有一个状态。
• 它们与人类用户相关联，因此被称为用户账户。
• EOA 维护以太币余额。
• 它们能够发送交易。
• 它们不包含任何关联代码。
• 通过私钥进行控制。
• EOA 无法发起调用消息。
• 账户具有键值存储。
• EOA 能够发起交易消息。

CA

合约账户的关键特征如下：

• 它们拥有一个状态。
• 它们本身不与区块链上的任何用户或实体相关联。
• CA 维护以太币余额。
• 它们包含存储在内存或区块链上的关联代码。它们可以访问存储。
• 它们可以被触发以响应其他合约的交易或消息来执行代码。
• CA 可以保留其永久状态，并且可以调用其他合约。
• CA 无法发起交易消息。
• CA 可以发起调用消息。
• CA 具有键值存储。
• CA 的地址在部署时生成，此地址用于识别其在区块链上的位置。

以太坊生态系统的交易

在以太坊生态系统中，交易被定义为一个数据包，它使用私钥进行数字签名，包含特定的指令，这些指令在执行时会导致消息调用或合约的建立。

根据交易的结果，可以将交易分为两种不同的类型：

消息调用交易

这些交易促进不同合约账户 (CA) 之间消息的传输，而无需创建新账户。

合约创建交易

这些交易导致新的合约账户的形成。此类交易的成功执行会导致创建与特定代码关联的账户。

交易中的关键术语

两种交易都包含几个标准字段，详细如下：

Nonce

Nonce 是一个顺序号，发送方发起每次交易时都会增加 1。它必须与发送的交易总数相对应，并用作交易的唯一标识符。

Gas 价格

Gas 价格字段指示执行交易所需的Wei数量。此费用按每单位gas计费，适用于交易执行过程中产生的所有计算费用。

Gas 限额

Gas 限额字段指定可用于执行交易的gas最大数量。

To

To 字段表示交易接收方的地址，表示为 20 字节的值。

Value

Value 字段指示要转账给接收方的Wei总额。在合约账户 (CA) 的上下文中，这反映了合约将维持的余额。

签名

签名包含三个组成部分：V、R 和 S。这些值表示数字签名 (R、S) 和有助于恢复公钥 (V) 的其他信息。

Init

Init 字段仅用于旨在创建合约的交易，特别是合约创建交易。它表示一个无限长度的字节数组，定义在账户初始化过程中要使用的EVM 代码。

Data

在消息调用交易的情况下，Data 字段替换 Init 并包含消息调用的输入数据。此字段也是无限大小的，并且结构为字节数组。

以太坊生态系统中的消息

根据黄皮书，消息是指两个账户之间交换的数据和值。消息本质上是一个数据包，既携带信息也携带值，具体来说是涉及的以太币金额。这些消息可以通过充当自主实体的智能合约传输，也可以由外部参与者（称为外部拥有账户 (EOA)）通过数字签名的交易发起。

合约能够向其他合约发送消息。需要注意的是，消息仅存在于执行环境中，不会被存储。虽然消息与交易有相似之处，但关键的区别在于它们的来源：消息由合约生成，而交易则源自以太坊生态系统中的外部实体 (EOA)。

消息的组成部分

消息由几个关键元素组成：

• 发送消息的个人或实体

• 接收消息的个人或实体
• 要连同消息一起转移到合约地址的 Wei 数量
• 一个可选的数据字段，用作合约的输入
• 可能使用的最大 gas 限额（**startgas**）

当 EVM 中运行的合约执行 **CALL 或 DELEGATECALL** 操作码时，就会创建消息。

以太坊代币（ETH/ETC）

以太坊拥有自己的原生加密货币，称为 **以太币 (ETH)**。在本教程前面讨论过的 **去中心化自治组织 (DAO)** 黑客事件之后，启动了一个硬分叉来解决这种情况。

因此，现在有两个不同的以太坊区块链：一个被称为 **以太坊经典**，由货币 ETC 表示，而硬分叉版本为 ETH，它继续随着持续的开发工作而发展。

**以太坊经典 (ETC)** 已经培养了自己的支持者社区，他们积极参与其开发，将其维持为以太坊原始的、未分叉的版本。

**以太币** 由矿工作为奖励生成，作为他们通过交易和区块验证来保障网络的计算工作的回报。在以太坊区块链中，以太币充当在 **以太坊虚拟机 (EVM)** 上执行合约的媒介。

此外，以太币还用于购买 gas，gas 充当在以太坊区块链上进行计算的必要燃料。下表给出了不同单位的名称及其值 -