The foundation for our digital future
比特币作为第一个可靠的去中心化方案，将区块链技术首次运用在金融货币领域中。此后，人们试图将区块链技术应用于其他领域，2013年 Vitalik Buterin 发布了以太坊白皮书，提出了赋予区块链可编程能力，从而作为复杂商业逻辑运算的基础。白皮书中描述了基本协议栈与智能合约的框架，在语言层面实现了图灵完备，让以太坊真正具有了可编程能力，也让区块链世界进一步拓展。
以太坊继承了比特币的核心思想，例如分布式去中心化，无须信任系统，不可篡改等特性，围绕着如何更好更广阔利用区块链技术进行发展。以太坊中涉及的技术面非常广，在本文中主要围绕着两个核心技术「智能合约」和「POS」进行讲解，带领读者初步了解以太坊实现的原理以及以太坊的愿景所在。
智能合约
20 世纪 90 年代，Nick Szabo 首次提出了智能合约的理念，这是一种旨在以信息化方式传播、验证或执行合同的计算机协议。但是由于缺少可信的执行环境，智能合约并没有被应用到实际产业之中。随着区块链的诞生，人们认识到其独有的特性天生为智能合约提供了可信的运行环境，而以太坊就是第一个成熟将两者结合起来的项目。
图灵完备和 EVM
对于比特币，我们之前知道他的转账过程 UTXO 其实简化来看就是一个入栈出栈的过程，它不支持循环语句，从而避免产生循环交易等恶意攻击，但这样比特币也不是 图灵完备 的。以太坊支持了循环等操作，并能够在自定义的虚拟机中运行，由此成为图灵完备：
1 | Y(S, T)= S' |
给定一个旧的有效状态 S 和一组新的有效交易 T，以太坊状态转换函数 Y 产生新的有效输出状态 S’，因此以太坊不仅仅是一个分布式账本，而是更像一个分布式状态机。
正如 Java 程序通过编译为字节码后运行在 JVM 虚拟机上从而抹平不同硬件的区别，统一执行环境。以太坊也类似创建了一个虚拟机 EVM 来对智能合约的代码进行运行，EVM 基于堆栈，定义了各种基本操作码从而执行智能合约的逻辑。
Gas 机制
智能合约的每次计算都会消耗 Gas, 每次计算都需要收费，这样可以防止不良参与者对网络造成垃圾信息。 为了防止代码中出现无意或恶意的无限循环或其他计算浪费，要求每个交易对代码可以执行的计算步骤设置一个限制。
发起智能合约调用方会设置一个最大 Gas 限度，调用智能合约会消耗 Gas，如果顺利执行完，未使用完的 Gas 会退回给提交方：max fee - (base fee + tip)），如果调用产生异常或者最大 Gas 不够的话，执行失败，这些Gas会奖励给矿工。
智能合约的过程
- 智能合约对外也是一个账户的形式。存储有余额，智能合约的代码，以及该账户的状态数据。
- 部署智能合约：发起一笔不指定任何人的交易，其中包含了 Gas 费用和编译好的智能合约字节码，这就创建了一个合约账户（一般根据创建者的地址和nonce来决定合约地址）
- 调用智能合约：向智能合约地址发起一笔交易，带上调用参数，和费用 Gas等信息
- 执行智能合约：智能合约地址收到交易，解码传参执行函数，进行状态转换，执行完后扣除相应的 Gas。
- 同步结果：状态转换的结果会全网同步并验证，确保一致后记录到区块中，并更新状态数据
基于区块链中的去中心化，透明，不可否认的特性，形成了智能合约的可信运行环境，催化了区块链应用技术的进一步发展。
从 POW 到 POS
回顾POW
关于比特币的核心算法 POW 在上文 浅谈区块链（一）—比特币 中已经进行了详细解释，这里不再赘述，简单看下 POW 的优缺点
| POW 的优点 | POW 的缺点 |
|---|---|
| 算法简单 | 耗电，浪费能源 |
| 容易验证 | 矿池聚集算力，形成垄断 |
| 攻击成本大（51%攻击） | 为了避免分叉概率过大，无法降低难度，也就是无法降低出块速率，也就是无法提高交易频率。 |
POS 与币龄
POS：Proof of Stake 股权证明
我们知道 POW 挖矿的基本原理是，暴力寻找一个 nonce，使得 Hash (block_header) < Target 成立，对于全网的所有矿工的 Target 都一样，所以就是比每个矿工的算力，算了越强挖出矿的可能性也越高。
而对于 POS 公式可以简单理解类似为：Hash(block_header) < Target * CoinAge，而 CoinAge = 持有币数量 * 持有币的时间，举个例子：
全网目标值 4396，A 矿工币龄为 15，B 矿工币龄为 240，那么两个矿工的计算公式分别为：
- A: Hash(block_header) < 0x0000FFFF
- B: Hash(block_header) < 0x000FFFFF
B 直接少了个 0 ，所以 B 获得记账出块的概率肯定要比 A 大，从竞速计算到概率的计算，这显然节省了大量的能源。所以我们有了基本的方法去决定谁来记账出块，并获得记账的奖励。
Nothing at Stake 和 Casper 算法
在 POW 中最长链决定了哪些区块是被确认的，在 POS 中新的区块经过广播后，经过验证人投票验证，获得投票量超过 2/3 质押总量（不是投票人数量），则验证通过后，区块就得到了确认。
但是基础的 POS 没有例如 POW 那样有大量的挖矿成本（大量的Hash运算），那么当一个验证者遇到分叉（由于网络，恶意传播等）时，因为没有什么挖矿成本，那么他就可以同时在多个链上进行挖矿/投票验证来保证其获得最大的利益，造成链的系统混乱也就是 Nothing at Stack 问题，以及非常容易产生的 双花问题 :
为了解决这个无成本攻击的问题，以太坊设计了 Casper 算法来进行处理。简单来看就是通过质押资产来参加挖矿，当验证者挖矿投票时有恶意行为和消极行为就会进行处罚。
Casper的两条铁律是：
- 验证者不得发布同属与同一个高的的两个不同投票。
- 验证不能在已投票的区间内再次投票。
当不超过 1/3 的总押金的的验证者违反这两个条件之一，就能得到Casper ffg的两个特性：
- 不可能确认两个冲突的的检查点
- 保证了合理的活性
当违反这两个铁律，那么违规验证着就会被罚没所有的押金（具体实现会有所不同，比如是根据全网恶意节点的数量来做处罚大小的调整），押金的价值是远远大于挖矿的收益的，从而避免了无成本攻击的问题。
具体证明：Casper the Friendly Finality Gadget 和 详解Casper FFG共识算法
设 a[m]（有合理的直接孩子 a[m + 1]）和 b[n]（有合理的直接孩子 b[n + 1]）是不同的最终检查点，如图 3 所示。现在假设 a[m]和 b[n] 冲突，并且不失一般性 h(a[m]) < h(b[n])（如果 h(a[m]) = h(b[n])，则很明显 1/3 验证者违反了条件I【译者注：这里解释一下：投票要求 2/3 多数才能定下 a 或者 b，既然现在两个都被确定了，说明总共有 4/3 的投票，那么必然有 1/3 的验证者投了重票】）。设 r→b [1]→b [2]→···→b [n] 为检查点链，使得存在绝对多数链 r→b [1] ,… b [i]→b [i + 1] ,… b [n]→b [n + 1]。 我们知道没有 h(b[i]) 等于 h(a [m]) 或 h(a[m + 1])，因为这违反了属性（iv）。 令 j 为使得 h(b[j]) > h(a [m + 1]) 的最小整数，那么有 h(b[j -1]) < h(a[m])。 然而，这意味着存在从具有小于 h(a[m]) 的纪元数的检查点到具有大于 h(a[m + 1]) 的纪元数的检查点的超大多数链接，这与从 a[m] 到 a[m + 1] 的绝对多数链不兼容。【译者注，也即违反了条件2】
检查点的投票过程类似于：
- r 根节点默认合理 justified 的，然后 r 到 b1之间的验证者投票，总量超过 2/3，b1 之间的变为合理的。
- 同理 b2 得到 b1 到 b2 之间的验证者超 2/3 投票，则 b2 变为合理的，同时 b1，以及 b1 到 b2 之间的节点变为确认的（也就是不可否认的，除非有超过 1/3 总量的恶意攻击）
当离线的投票人超过 1/3，那么没办法投票超过 2/3 没发最终确认，以太坊通过处罚减少离线的验证者的质押，逐渐让在线质押重新大于 2/3
分叉选择和 LMD-GHOST 算法
Casper算法只是告诉了我们如何最终确认，但是没有告诉我们如何选择哪条链。对于网络延迟，或者有不诚实的区块创造提议这，则会产生分叉（同时以太坊的出块频率远远高于比特币，所以更容易产生分叉，如果依然采用最长连规则，那么必然需要有人放弃自己的利益），对于以太坊采用的是 GHOST 算法：
- 对叔块进行一定的奖励来鼓励小分叉的矿工放弃，例如：W1 获得 B1 作为叔块的出块奖励 5 * 7 /8
- 同时自己也获得了接受叔块的奖励，例如：W0 获得 C 的 5（挖矿）+ 接受两个叔块（5 * 1/32）*2 + 交易费用
由此，小矿工也能获得利益，可以迅速让分叉合并回去，不在自己的分叉链上继续挖矿了。Ghost本身是在1.0使用。
在2.0后增加了 LMD，也就是验证者只接受最新的一条消息，也就是在 POS 中接受最重权重的链是权威链
总结回顾
通过以上各种的算法设计，以太坊也逐渐从 POW 挖矿算法迁移到更具未来可行性的 POS 算法，让以太坊智能合约生态更加繁荣，为了将以太坊带入人们的主流视野以造福全人类，以太坊团队努力让以太坊变得更可扩展、更安全和更可持续。各种新技术也在融入以太坊中，分片存储、零知识证明、协议去中心化等等技术得在探索中不断发展，所以对于致力于建设去中心化世界的极客们，未来依然有着无限的可能！