以太坊7年，迎来2.0时代

从2009年比特币诞生到2013年期间，比特币一直稳定运行，时间证明了区块链技术的可行性和安全性。 比特币可以说开创了数字货币的先河。 区块链技术的开创性工作。

但比特币技术也有明显的不足，其中最明显的就是缺乏可扩展性。 这体现在两个方面：

一是性能不足，交易速度慢，容量小。 出块速度为10分钟/块，需要6个块的确认时间。 整体耗时约1小时，每秒交易数（Transactions Per Second，TPS）仅约7笔；

二是业务拓展的局限性。 只能用于处理转账交易或使用简单的脚本添加业务属性。 在比特币发起交易时，可以使用脚本来定义一些业务功能，比如交易的多重签名功能。 ，但是比特币的脚本语言有局限性，它不是图灵完备的，不能编写复杂的业务功能，比如企业债券交易流通，去中心化资产交易等。

1 以太坊的诞生

2013年，受比特币启发，以太坊创始人Vitalik Buterin提出并发布了以太坊（Ethereum）白皮书，将其定义为“下一代加密货币和去中心化应用”。 平台”（下一代智能合约和去中心化应用平台）。

以太坊也是一个开源的去中心化区块链系统。 与比特币相比，主要特点是具有图灵完备的智能合约功能，是全球领先的可编程区块链。

以太坊底层使用以太坊虚拟机（Ethereum Virtual Machine，EVM）来执行去中心化合约。 基于以太坊，用户可以开发不同的去中心化应用（DApp）程序来管理数字资产。

与比特币一样，以太坊网络也是一个去中心化系统，不受任何地理或中心化组织的控制。

自以太坊诞生以来，创始人Vitalik Buterin就将以太坊的发展规划为四个阶段和版本。

2015年，以太坊主网上线，版本代号“Frontier”。 这是以太坊的第一个版本。 该版本允许开发者挖以太坊，并提供开发工具，方便用户开发和使用基于以太坊的DApp。

2016年发布第一个稳定版“家园”（Homestead）。 以太坊发布了第一版生产环境，优化完善了多项协议，为后续升级打下了基础，加快了交易速度。 不幸的是，同年 6 月，以太坊上的去中心化组织 The DAO 被盗，市值 5000 万美元的以太坊被转入黑客的合约账户并被暂时锁定。 2016年7月20日，以太坊进行了一次硬分叉，让所有被盗的币都回到了原来的地方，而部分矿机不接受规则变更，这些矿机仍然维护的区块链成为了以太坊经典（Ethereum Classic） ). 这种行为至今仍受到很多人的质疑，因为它打破了去中心化的规则，直接导致了链条的分叉，形成了两条不同的链条——以太坊和以太坊经典。

2019年1月升级君士坦丁堡版本。 本次版本的升级将降低挖矿奖励，逐步接近权益证明（PoS）方式，同时提升以太坊系统的可扩展性，让以太坊更轻、更快、更安全。

Serenity 是以太坊升级的第四阶段。 该版本将使用Proof of Stake代替Proof of Mining，即根据每个节点的代币持有量和持有时间的乘积来确定记账权。 这次升级注定困难重重，毕竟用权益证明代替挖矿证明会损害矿机的利益。 虽然很多已经投产的矿机无法收回成本，但必须继续质押部分资产才能投产。 这势必会受到很多矿机的阻碍。

在GitHub上可以找到以太坊项目，搜索ethereum得到的结果如下图所示。

以太坊的GitHub项目包含了很多项目，主要分为以下几类：client、EIPs（Ethereum Improvement Proposals，以太坊改进协议）、Solidity、Remix。

(1) 客户。 以太坊客户端源码有多个语言版本，aleth是C++版本，go-ethereum是golang版本。 目前开发维护并拥有大量追随者的版本是golang版本的go-ethereum。 用户可以自行编译部署客户端挖矿或作为全节点钱包发起交易。

(2) 生态工业园区。 EIP描述了以太坊平台的协议标准，包括核心协议规范、客户端应用程序接口（Application Program Interface，API）和智能合约标准。 全世界的开发者都可以在这个项目中为以太坊提出改进建议。 如果该提案获得委员会批准，开发者可以基于该提案对以太坊平台进行升级。

(3) 坚固性。 Solidity 是一种用于以太坊智能合约的静态编程语言。 本项目是该语言的编译器，用于将智能合约代码编译成以太坊虚拟机可以识别和执行的字节码。

(4) 混音。 这是一个集成开发环境（IDE）工具，可以帮助开发者开发、编译、测试和部署智能合约。 开发者可以使用Remix IDE快速开发DApp程序，并可以部署工具在本地环境使用。 当然，以太坊官方也提供了在线开发工具，省去了用户部署的麻烦。 该工具的URL可以在项目的readme.md帮助文档中找到。

2 智能合约

与比特币相比，以太坊对区块链技术的最大贡献是基于区块链的智能合约的设计与实现。

什么是智能合约？ 智能合约是一种特殊的计算机合约协议，它利用信息技术进行传播、执行和验证，整个过程由计算机实现。

智能合约的概念最早由计算机科学家和密码学专家尼克萨博于1994年提出，但由于当时计算机技术的局限性，智能合约的概念并没有得到太多的关注和反响。 没怎么发达。

直到以比特币为首的区块链技术诞生，人们才逐渐尝试将智能合约与区块链相结合，基于分布式、去中心化的区块链技术以太坊多少年了，实现不受第三方控制、自动执行的合约。 智能合约环境。 2015年，以太坊的诞生可谓是智能合约的最佳实践。

以太坊实现的智能合约具有以下四个特点：

(1)数字编码。 合约被数字化编码，通过交易发布到全网，全网节点达成共识后部署到区块链上。

(2) 不可篡改。 由于区块链中的数据不可篡改，部署的合约也不可篡改。

(3)自动执行。 智能合约部署到区块链后，可以通过交易触发，按照数字代码设定的逻辑规则执行。 智能合约可以预先指定业务规则，并公开相应的接口和参数。 用户向智能合约账户发起交易，同时携带相应的接口和参数。 当节点存储交易时，智能合约将按照设计的逻辑执行代码并将代码存储在区块链上。

(4) 可审计。 区块链网络数据公开透明，这意味着智能合约的内容可以被读取、查阅和审计。 任何节点，只要联网，都可以连接到以太坊环境，使用以太坊客户端同步区块并计算结果，从而达到审计数据的目的。

以太坊智能合约的执行环境是使用 EVM 实现的。 以太坊智能合约的执行原理如图 1-4 所示。

用户在编写完Solidity合约源代码（Solidity Code）后，首先使用工具将智能合约代码编译（Compile）为EVM字节码（EVM Bytecode），并部署到区块链上。

当智能合约被触发执行时，EVM加载EVM字节码，并为EVM字节码的执行提供沙箱环境。 这个沙箱环境与外界完全隔离。 合约在执行过程中，只能与区块链内部网络的数据（如账户、交易）进行交互，不能与外部网络的数据（如网络、文件）进行交互。 目的是保证结果的执行一致性。

假设沙箱环境可以和外部网络数据进行交互，可能会导致区块不一致，比如各个网络获取的天气情况不一致，所以EVM沙箱环境保证交互数据的一致性非常重要。 智能合约的 EVM 字节码在沙盒环境中执行后，可能会改变区块链的状态，例如账户、交易或数据删除，然后这些改变将被写入以太坊区块链。

其中，以太坊智能合约的开发语言是Solidity，这是一种先进的静态类型编程语言。 如何使用该语言可以在其官方网站上找到相应的文档。

如下图所示，Solidity当前版本为0.7.1。 在这份文档中，我们可以找到编译器安装、合约示例代码、合约语法接口等信息。

以太坊的智能合约是在去中心化的点对点（P2P）环境中执行的程序。 任何人或任何组织都没有特别的执行权限。 因此，这种去中心化的机制让资产、投票等各种数据在链上无法随意篡改。 正是基于这种去中心化和可编程的特性，以太坊网络中出现了很多去中心化应用程序，即DApp（Decentralized Application）程序。

3 去中心化应用

去中心化应用程序是指部署在分布式网络中的程序。 它们是开源的、透明的和可执行的。 任何人都可以参与并发起操作交互。 为了深入理解去中心化应用，我们先来回顾一下中心化应用，并对它们进行比较。 下图形象地说明了中心化应用和去中心化应用的区别。

集中式应用程序在互联网世界中更容易理解。 如果用户（电脑、手机等）需要访问某项服务，就必须去找服务提供商。 服务提供商提供的服务对用户来说是不可见的。 用户只需要与固定的服务接口进行交互，必须无条件地信任该服务。

例如，用户使用计算机访问企业的企业资源规划（Enterprise Resource Planning，ERP）系统，只需要输入URL就可以与ERP服务进行交互，用户使用并信任这些服务。

这种“中心化”程序存在一定的缺陷，比如管理员作恶，恶意修改后台数据，而作为用户，无法得知后台数据是否被恶意篡改以太坊多少年了，只能信任服务商”无条件地”。 经过。

去中心化应用意味着服务和数据由整个去中心化网络提供。 用户不需要连接到某个服务。 网络中的任何节点都可以成为服务提供者，甚至用户也可以为自己构建服务。 ，无需担心某个节点向自己提供虚假数据。

如果有人恶意篡改数据，用户可以通过自己部署的节点发现恶意行为。 因此，基于去中心化网络的程序是极其值得信赖的。

由于以太坊的去中心化特性以及以太坊提供的智能合约开发语言，开发者可以基于以太坊智能合约开发和构建任何去中心化应用。

目前，以太坊区块链网络中已有数以千计的去中心化应用可用，其应用涵盖金融、物联网、游戏、版权等众多领域。 目前比较知名的去中心化应用如下：

(1) 游戏。 CryptoKitties 是一款用于养猫的虚拟休闲游戏。 该游戏于 2017 年 11 月上线，曾一度占以太坊网络交易量的 16% 以上，人气爆棚，导致以太坊网络严重受阻。

(2) 交流。 去中心化以太坊资产交易所 (IDEX) 用于交易基于以太坊 ERC-20 的资产。 与传统的中心化交易所相比，这个交易所是完全去中心化的。 核心兑换算法写在以太坊智能合约链上，公开透明，高度可信。

(3) 发行证券。 Polymath 制定发行和监管证券的规则，并提供旨在降低发行和监管证券成本的服务网络。

（四）域名。 Unstoppable Domains（Unstoppable Domains）是区块链上的域名服务，用区块链域名代替复杂难记的账户地址，让用户交易更方便，支付更简单，增加普通人使用的可能性非专业用户性。

(5) 广告。 Basic Attention Token (BAT) 是一种基于区块链的广告平台资产。 基于该资产的在线广告系统，可以杜绝第三方广告商，保护用户隐私，减少广告欺诈，奖励用户观看广告。 该系统由 JavaScript 之父 Brendan Eich 创建和运营。

4 未来规划

以太坊在区块链中引入智能合约具有创新性，为去中心化应用开发打开了市场，越来越多的开发者参与到去中心化应用的开发中。 但是以太坊还是有缺点的：

一是加工性能低。 以太坊的TPS只有15-30，显然不能满足正常去中心化应用的性能，即使是普通的转账交易。 2017 年 CryptoKitties 交易堵塞区块链网络是其低性能的充分证据。 交易系统的TPS对比如表1-1所示。

无论是以太坊还是比特币，与传统的金融交易机构相比，它们的交易性能都非常低，很难适应真正的商业应用。

第二，挖矿的共识机制导致能源浪费。 以太坊目前采用PoW算法共识，即通过计算获得挖矿的优先级，强大的算力有利于获得挖矿权和获得区块奖励ETH（以太币，以太坊原生数字资产）。 根据2018年的统计，ETH消耗的电量几乎相当于整个冰岛的用电量。 以太坊系统生产一枚ETH所消耗的电量已经超过一个普通美国家庭每天的平均用电量。 数量！

为了解决这两个问题，未来开发者将开发和升级以太坊2.0。 以太坊 2.0 计划解决以下两个问题：

(1)引入PoS共识机制，消除PoW共识机制带来的能耗问题。

(2) 引入分片机制，提高以太坊的交易速度和吞吐量。

根据以太坊维基文档（Ethereum Wiki）的描述，开发者为以太坊 2.0 规划了七个不同的阶段，至少需要数年时间才能实现。 这些阶段大多还处于研究阶段，没有明确的技术规范。

在实际构建最终的以太坊 2.0 之前，开发人员需要完成至少 4 个阶段：

(1) Stage 0. 实现基于 PoS 共识机制的 Beacon Chain。 信标链暂时不实现分片功能。 信标链的共识是使用Casper FFG（Casper the Friendly Finality Gadget，友好的精灵终结工具）完成的。 验证节点使用RANDAO（Ethereum DAO随机数生成器）在区块提案中创建随机数，随机数根据随机数组委会形成。

(2) Stage 1. 在没有 EVM 的情况下实现基本分片。 在此阶段，分片的目的是通过将网络划分为多个分片来帮助扩展交易，允许网络同时处理许多交易。

(3) Stage 2.实现EVM状态转移功能。 现阶段只支持全节点，只支持异步合约交叉调用，支持eWASM引擎执行合约，引入状态存储机和存储费的概念。

(4) Stage 3. 轻客户端协议。 无需存储所有数据，即可快速验证数据的合法性，参与网络共识。 轻客户端的数据是从存储节点获取的。

以太坊2.0的升级涉及到共识机制的改变，即将原有的PoW共识机制升级为PoS共识机制。 PoS共识机制的升级会触及矿工的利益。 例如，矿工已经购买了用于挖矿的机器。 如果他们升级到PoS共识机制，就意味着前期投入矿机的钱浪费了，同时他们会质押一笔资金，才有资格打包区块参与共识。 在这种情况下，PoS共识机制的升级势必会遭到矿工的抵制和阻挠。